CN107238718A - 液滴向上及向下分选、原滴下沉、注物上浮式微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微流控芯片及其控制方法，尤其涉及一种通过改变液滴密度实现液滴分选的微流控芯片及其控制方法。微流控芯片通道具有向上及向下的分叉、注入物质的液滴因密度小于周围液体而上浮，未注入物质的液滴因密度大于周围液体自然下沉，从而实现两类液滴分选。

Description

液滴向上及向下分选、原滴下沉、注物上浮式微流控芯片

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片及对应的微流控方法。

背景技术

当今世界经济中，生物技术、生命科技、化工科技等领域的药品研发、医学检测、食品开发、生物催化、化学实验等过程复杂而漫长，涉及的学科门类众多，而当前实际的研发、生产以及实验场合，大多仍然采用传统方法，包括使用取液器、取液枪、试剂盒等工具，多采用人工或半人工的方式进行，自动化程度不高，效率低下，并且整个过程样品、原料使用量偏高，浪费严重，使得相关的材料、人力、管理等成本居高不下。随着科技的进步以及时代的发展，很多复杂的检测、实验都可以在几平方厘米甚至更小的芯片上实现，这就是微流控技术，它被称为“改变世界”的七种技术之一。

液滴，也叫液滴型微反应器，是下一代生化分析工具，皮升至微升级的液滴，在酶、细胞、蛋白、细菌等检测与筛选、基因测序、稀缺样本参与的生物化学实验中，必将扮演重要的角色，具有非常诱人的应用前景。

但在当下，微流控技术在更多的领域主要处于研发试验阶段，实际在国民经济中得到应有的不多，主要原因是微流控技术在很多应用中遇到难以解决的问题，其中最重要的一个瓶颈技术：如何把微样本中高活性、高品质或其它具有特定参数特征的部分筛选出来，具体筛选对象包括酶、蛋白、细菌、细胞、病毒等，这个技术关系到获得样本的品质，影响深远。

国外有学者采用高压电极产生电场的方式，在带有分叉结构的通道中，检测液滴参数后，按照预先设定的参数阈值，有选择的通过电极接通电信号，产生的电场使附近的液滴受到介电力的“拉拽”，改变该液滴的运动方向，进而完成液滴的筛选。

但上述方式采用了较强的电场，其对液滴以及液滴内部的样本产生了不良影响，甚至导致使用这种方法筛选出的样本的活性、功效、性能、状态发生了不可逆的变化，影响了后续的应用。

本发明克服了上述技术的缺陷，在实现液滴筛选环节中不使用强电场，而是利用液滴自身的重力以及液滴在液体中的浮力，实现液滴的无损筛选。

本发明具有非常好的应用前景与市场预期。

发明内容

在本发明的微流控芯片，适用对象可以是内部含有样本的液滴，也可以针对内部不含有样本的液滴，其中，液滴中含有样本的情形，样本包括活性样本与非活性样本两种。

本发明的微流控芯片，用于实施分选或筛选的适用对象，包括体积在皮升至微升级别的液滴，也包括上述范围之外的液滴。

在可供液体及液滴流动的通道内，液滴与液滴之间、液滴与通道之间，存在与前述液滴不相溶的液体。

液滴周围液体中可以包含如下多种成分中的若干种：表面活性剂、增加液滴稳定性物质、抑制液滴相互融合物质、上述以外对液滴内样本可以施加影响的物质，也可以不包含上述物质。

上述对液滴内样本可以施加影响的物质包括但不限于：氧气、二氧化碳、盐、消毒液、增稠剂、减稠剂。

上述的通道指包含若干个端口，既可以采用空腔结构形式，也可以采用通过端口与外界连通的非空腔结构形式，包括但不限于：可容液滴运动的空腔结构、微通道、导管、局部开放的水槽结构等，本发明可以采用微流控芯片实现，也可借助其它带有微通道结构的器物实现。

通过上述与液滴不相溶的液体的驱动，液滴在带有分叉结构的上述通道内运动，实现液滴分选处的通道的分叉结构的多个分支中，至少有一个分支在重力方向上的投影分量不为零，用于确保重力或浮力能够作用到液滴，实现针对液滴的操控。

所述实现液滴分选的通道分叉形式，包含一分二、一分三、一分四、一分五、一分N，这里的一分N指一分五路以上的分支情形。

上述用于液滴分选的通道分叉结构，在重力方向上的投影分量不为零的实现，选择如下方法、措施中的一种或多种：

（1）实现液滴分选的通道制作时，沿液滴运动方向，实现液滴分选的通道分叉结构的分支方向由水平向垂直过度，或由水平变为垂直；

（2）实现液滴分选的通道制作时，沿液滴运动方向，实现液滴分选的通道分叉结构的分支方向与地球水平面呈一定夹角，具体分为下述不同情况：

用于密度小于周围液体的液滴的筛选时，该实现液滴分选的通道分叉结构的分支在液滴运动方向的矢量与重力矢量反向或夹角为钝角，即以水平面为参照，在液滴运动方向，通道分叉结构的分支包含向上倾斜的部分，用于实现液滴借助浮力自动经向上倾斜的通道分支“上浮”运动；

用于密度大于周围液体的液滴的筛选时，该实现液滴分选的通道分叉结构的分支在液滴运动方向的矢量与重力矢量同向或夹角为锐角，即以水平面为参照，在液滴运动方向，通道分叉结构的分支包含向下倾斜的部分，即实现液滴借助重力自动经向下倾斜的通道分支“下沉”运动；

（3）虽然实现液滴分选的通道分叉结构在水平放置时，其分支在重力方向的投影为0，但使用时，使该实现液滴分选的通道分叉结构垂直、倾斜或翻转放置，通过这种方式实现：内部用于分选的通道分叉结构的分支在重力方向的投影不为0，从而借助重力或浮力的作用实现液滴按密度的区分进行分选。

液滴在到达实现液滴分选的通道分叉结构处之前，沿单通道以串行方式或经多通道并行方式进入检测区域，经多通道并行方式进入检测区域的情形，每个通道中的液滴以串行方式运动。

所述检测区域针对液滴的检测包括对液滴参数、性质、状态、大小、颜色、气味、声音中若干方面的检测，其中液滴参数包括液滴的直接参数与间接参数，检测区域由下述中的若干种实现：

（1）检测窗、

（2）检测孔、

（3）预设检测装置或部件的特定区域。

针对液滴的检测采用如下手段中的一种或多种：

（1）激发荧光检测；

（2）影像识别；

（3）颜色识别；

（4）气味识别；

（5）声音识别；

（6）同位素鉴别；

（7）阻抗或导纳测量；

（8）电容或频率测量；

（9）相关的电压或电流测量；

（10）热量测量；

（11）红外或远红外测量。

依据检测结果，将液滴分为两类，向其中一类液滴内注入某种物质，通道包含三个或三个以上分支的多分支结构，该多分支结构的形式可以是“T”型或“Y”型三通结构，也可以是其它形状、其它分支数的多分支形式，注入方法包括下述方法中的一种或多种：

（1）多分支结构的若干分支通路作为加液口，即向液滴注入物质的入口，在液滴经过该加液口时，在泵、阀的控制作用下，实现经加液口向液滴内注入某种物质；

（2）多分支结构的若干分支通路作为加液口，即向液滴注入物质的入口，附近设有磁场发射装置，在液滴经过该加液口时，借助前述磁场发射装置产生磁场的作用，使液滴与经加液口发射出的与液滴内液体相溶的物质接触并融合，从而实现向液滴内注入某种物质；

（3）多分支结构的若干分支通路作为加液口，即向液滴注入物质的入口，附近设有电极，在液滴经过该加液口时，借助该电极接通电信号后所产生电场的作用，通过介电力，使液滴与经加液口发射出的与液滴内液体相溶的物质接触并融合，从而实现向液滴内注入某种物质；

（4）多分支结构的若干分支通路作为加液口，即向液滴注入物质的入口，附近设有超声波发射装置，在液滴经过该加液口时，借助前述超声波发射装置产生超声波的作用，使液滴与经加液口发射出的与液滴内液体相溶的物质接触并融合，从而实现向液滴内注入某种物质。

更具体的：采用如下方式：

依据检测结果，将液滴分为两类，向其中一类液滴内注入某种物质，通道多分支结构为三通结构，该三通结构可以是“T”型或“Y”型，也可以是其它形状的三通形式，注入方法包括下述方法中的一种或多种：

（1）三通结构的一个分支通路作为加液口，即向液滴注入物质的入口，在液滴经过该加液口时，在泵、阀的控制作用下，实现经加液口向液滴内注入某种物质；

（2）三通结构的一个分支通路作为加液口，即向液滴注入物质的入口，附近设有磁场发射装置，在液滴经过该加液口时，借助前述磁场发射装置产生磁场的作用，使液滴与经加液口发射出的与液滴内液体相溶的物质接触并融合，从而实现向液滴内注入某种物质；

（3）三通结构的一个分支通路作为加液口，即向液滴注入物质的入口，附近设有电极，在液滴经过该加液口时，借助该电极接通电信号后所产生电场的作用，通过介电力，使液滴与经加液口发射出的与液滴内液体相溶的物质接触并融合，从而实现向液滴内注入某种物质；

（4）三通结构的一个分支通路作为加液口，即向液滴注入物质的入口，附近设有超声波发射装置，在液滴经过该加液口时，借助前述超声波发射装置产生超声波的作用，使液滴与经加液口发射出的与液滴内液体相溶的物质接触并融合，从而实现向液滴内注入某种物质。

上述向液滴内注入的物质类型为液体、气体与固体中的若干种，注入该种物质的目的是使液滴密度发生变化，更具体的，与液滴周围的液体密度相比，注入前述物质后与其它未注入前述物质的两种液滴中，产生如下多种情形中的一种：

（1）一种液滴密度高于液滴周围液体的密度，另一种液滴密度低于液滴周围液体的密度；

（2）一种液滴密度等于液滴周围液体的密度，另一种液滴密度低于液滴周围液体的密度；

（3）一种同时包含密度等于、高于周围液体密度的液滴，另一种只包含低于周围液体密度的液滴,所述的

另外，因为液滴密度绝对相等在现实应用中难以实现，上述多种情形中的“密度相等”包括密度相近的情形，判断的标准阈值根据通道尺寸、液滴大小、液滴惯性参数、通道参数、实际应用情形或者经验数据设定，范围为0%～100%，包括但不限于下述几个实例参数及相应判别方法：

（1）密度差别小于1%认为液滴之间密度相近，否则认为液滴之间液滴不相近；

（2）密度差别小于3%认为液滴之间密度相近，否则认为液滴之间液滴不相近；

（3）密度差别小于5%认为液滴之间密度相近，否则认为液滴之间液滴不相近；

（4）密度差别小于10%认为液滴之间密度相近，否则认为液滴之间液滴不相近；

（5）密度差别小于15%认为液滴之间密度相近，否则认为液滴之间液滴不相近；

（6）密度差别小于20%认为液滴之间密度相近，否则认为液滴之间液滴不相近；

（7）密度差别小于30%认为液滴之间密度相近，否则认为液滴之间液滴不相近。

注入使液滴密度发生变化的物质后，既可以采用使液滴的颜色发生变化的方式，便于后续进行识别，同时便于操作人员进行观察；也可采用液滴颜色不发生变化的方式。

由于用于分选的通道分叉结构的多个分支中，至少有一个在重力方向上的投影分量不为零，因为与周围液体相比密度大小的不同，经过液滴注入某种物质的位置与实现分选的通道分叉结构处之间的距离，在重力或浮力的作用下，液滴按密度的差异逐渐在重力方向上具有不同的速度、位移，继而在到达通道分叉结构处时进入其不同方向的分支入口，最终实现液滴的分选。

根据注入某种物质时液滴所处的通道位置与实现分选的通道分叉结构处之间的距离长度或尺寸，控制液滴运动速度，使不同密度的多类液滴能够在该段通道完成重力方向上足够多但不超限的位移，该位移能够按密度差异使不同密度的液滴分别到达通道分叉结构不同分支入口，最终实现分选。

本发明的具体实现形式及控制方法包括但不限于：

采用“上下分选，注物上浮”的微流控方法：

微流控芯片内实现液滴分选的多个分叉中，包括如下多种分支：

（1）以水平面为参照，分支的结构包含使液滴的走向为向上的部分；

（2）以水平面为参照，分支的结构包含使液滴的走向为向下的部分，

液滴在到达实现液滴分选的通道分叉处之前，对液滴实施检测，

根据检测结果向其中一类液滴内注入某种物质，该注入物质类型为液体、气体与固体中的若干种，使注入该种物质后的液滴密度低于与之不相溶且驱动其运动的周围液体的密度，产生“上浮”的效果，进入通道分叉的向上分支，而上述过程中其它所有没有注入前述物质的液滴的密度高于周围液体的密度，产生“下沉”的效果，进入通道分叉的向下分支，

利用上述分叉结构，在与之不相溶的液体的驱动下，即实现不同密度的液滴在重力与浮力的作用下，进入分叉结构的不同分支，继而实现分选。

本发明中，使用电极实现的情形，电极上接入的电信号为直流或交流，电压幅值在1V至5000V之间或-5000V至-1V之间；电信号为交流时的参数为：电压频率在50Hz至1MHz之间；电极上接入的电信号的幅值与频率的选择依据包括但不限于：芯片内通道中液滴与电极的距离、制作通道的材质、液滴的参数、电极的形状；电极上接入的电信号的类型包括：方波、三角波、正弦波、锯齿波、积分波、微分波、阶梯波，以及直流与上述波形中多个类型的叠加或同时组合使用。

实现本发明的系统包括但不限于：进液池与进液接口中的一种或多种、成品池与出液接口中的一种或多种、废液池与废液接口中的一种或多种、加液池与加液接口中的一种或多种。

上述实现本发明的情形中，所述电极、磁场发射装置、超声波发射装置的安装方法包含但不限于如下方法中的若干种：预埋法、灌注法、印刷电路法。

本发明中的控制方式包括但不限于：通过传感器测量与液滴相关的电压、电流、阻抗、颜色、图像、荧光或其它性状、参数；在微控制器、微处理器、PLC、计算机或其它智能设备的控制下，根据用户之前的设定，控制泵、阀或电极等部件，或者通过对电场、磁场、超声波、液滴间用于驱动液滴的液体的相关的控制，另外通过对液滴或加液口处物质的影响或驱动，实现加液口处物质注入特定参数的液滴中，从而改变这类特定参数液滴的密度。

本发明中的控制方式包括但不限于：液滴之间、液滴与通道之间的用于驱动、间隔液滴的液体，其驱动是在微控制器、微处理器、PLC、计算机或其它智能设备的控制下，通过泵、阀或其它液体控制设备、部件完成。

本发明中，使用微流控芯片实现的情形，针对液滴的检测通过微流控芯片的检测区域实现；用于液滴分选的带分叉结构的通道位于微流控芯片内。

附图说明

图1为本发明的“上下分选，注物上浮”式液滴分选实施例示意图。

图2为本发明实施例的密度大于周围液体的液滴受力分析图。

图3为本发明实施例的密度小于周围液体的液滴受力分析图。

图4为本发明实施例的密度等于周围液体的液滴受力分析图。

图5为本发明实施例的控制系统结构示意图。

具体实施方式

本发明的典型实施例如图1～图5 所示，实施例只是本发明具体形式中的一种，给出的目的是更详细的描述本发明，而不是限制本发明的范围，也不是限定本发明的应用形式。

实施例一：

“上下分选，注物上浮”式液滴分选：重液滴注入物质后变轻,液滴沿上下分支实现分选。

图1为本实施例的示意图，标号1为进液接口；标号2为一路出液接口；标号3为另一路出液接口；标号4为向液滴内加注的物质；标号5为加液口；标号6为检测区域；标号7为经进液接口刚进入通道的液体；标号8为经加液口完成加液的液滴；标号9为经加液口没有加液的液滴；标号10为实现分选的通道分叉结构。

本实施例中，本发明的密度大于周围液体的液滴根据参数选择性注入物质后密度小于周围液体，继而实现轻重液滴在通道分叉处分别沿上下分支完成分选，上下分支指两个分支，沿液滴的运动方向：其中一个“上分支”包含与重力矢量反向的投影分量；另一个“下分支”包含与重力矢量同向的投影分量。

图2是密度大于周围液体的液滴受力分析图；

图3是密度小于周围液体的液滴受力分析图；

图4是密度等于周围液体的液滴受力分析图。

图5是本发明实施例的控制系统结构示意图，微控制器通过对泵、阀的控制，实现驱动通道内的液滴周围液体流动，并间接驱动液滴运动；同时，微控制器通过检测装置对通道内液滴进行实时检测，并根据用户预先设定的参数或条件，实时对泵、阀进行控制，或对电极进行加电、断电控制，实现对符合用户预先设定参数或条件的液滴在通道内的加液口附近被注入物质，进而液滴的密度发生改变，在通道分叉处，实现液滴因为重力、浮力的合力的方向不同，沿通道分叉结构的不同分支分别运动，从而实现分选。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于：

具有可供液体及液滴流动的带有分叉结构的通道，在该通道内，液滴与液滴之间、液滴与通道之间，存在与前述液滴不相溶的液体，液滴通过该与其不相溶的液体的驱动在通道内运动；

微流控芯片内通道的实现液滴分选的分叉结构中，至少有一个分支在重力方向上的投影分量不为零，并包括如下多种分支：

（1）以水平面为参照，分支的结构包含使液滴的走向为向上的部分；

（2）以水平面为参照，分支的结构包含使液滴的走向为向下的部分，

液滴在到达实现液滴分选的通道分叉处之前，对液滴实施检测，

根据检测结果向其中一类液滴内注入某种物质，该注入物质类型为液体、气体与固体中的若干种，使注入该种物质后的液滴密度低于与之不相溶且驱动其运动的周围液体的密度，产生“上浮”的效果，进入通道分叉结构的向上分支，而上述过程中其它所有没有注入前述物质的液滴的密度高于周围液体的密度，产生“下沉”的效果，进入通道分叉结构的向下分支，

利用上述分叉结构，在与之不相溶的液体的驱动下，即实现不同密度的液滴在重力与浮力的作用下，进入分叉结构的不同分支，继而实现分选。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：实现本发明的系统包括：进液池与进液接口中的一种或多种、成品池与出液接口中的一种或多种、废液池与废液接口中的一种或多种、加液池与加液接口中的一种或多种；所述的通道包含若干个端口，既可以采用空腔结构形式，也可以采用通过端口与外界连通的非空腔结构形式。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：适用对象为内部含有样本的液滴，样本包括活性样本与非活性样本两种；实施分选前的液滴沿单通道以串行方式或经多通道并行方式进入检测区域，经多通道并行方式进入检测区域的情形，每个通道中的液滴以串行方式运动。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：内部液滴周围液体中包含如下多种成分中的若干种：表面活性剂、增加液滴稳定性物质、抑制液滴相互融合物质、对液滴内样本可以施加影响的物质。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：

（1）通道包含不少于三个分支的多分支结构，该多分支结构的若干分支通路作为加液口，即向液滴注入物质的入口，在液滴经过该加液口时，在泵、阀的控制作用下，实现经加液口向液滴内注入某种物质；

（2）通道包含不少于三个分支的多分支结构，该多分支结构的若干分支通路作为加液口，即向液滴注入物质的入口，附近设有电极，在液滴经过该加液口时，借助该电极接通电信号后所产生电场的作用，通过介电力，使液滴与经加液口发射出的与液滴内液体相溶的物质接触并融合，从而实现向液滴内注入某种物质；

（3）通道包含不少于三个分支的多分支结构，该多分支结构的若干分支通路作为加液口，即向液滴注入物质的入口，附近设有磁场发射装置，在液滴经过该加液口时，借助前述磁场发射装置产生磁场的作用，使液滴与经加液口发射出的与液滴内液体相溶的物质接触并融合，从而实现向液滴内注入某种物质；

（4）通道包含不少于三个分支的多分支结构，该多分支结构的若干分支通路作为加液口，即向液滴注入物质的入口，附近设有超声波发射装置，在液滴经过该加液口时，借助前述超声波发射装置产生超声波的作用，使液滴与经加液口发射出的与液滴内液体相溶的物质接触并融合，从而实现向液滴内注入某种物质。

6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：

包括检测区域，在检测区域对液滴实施检测，检测区域的实现方式包含下述方式中的若干种：

（1）检测窗、

（2）检测孔、

（3）预设检测装置或部件的特定区域；

针对液滴的检测包括对液滴参数、性质、状态、大小、颜色、气味、声音中若干方面的检测；

针对液滴的检测采用如下手段中的一种或多种：

（1）激发荧光检测；

（2）影像识别；

（3）颜色识别；

（4）气味识别；

（5）声音识别；

（6）同位素鉴别；

（7）阻抗或导纳测量；

（8）电容或频率测量；

（9）相关的电压或电流测量；

（10）热量测量；

（11）红外或远红外测量。

7.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：针对皮升至微升级液滴；根据注入某种物质时液滴所处的通道位置与实现分选的通道分叉结构处之间通道的长度及尺寸，控制液滴运动速度，使不同密度的多类液滴能够在该段通道完成重力方向上足够多但不超限的位移，该位移能够按密度差异使不同密度的液滴分别到达通道分叉结构不同分支入口，最终实现分选。

8.根据权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于：电极上接入的电信号为直流或交流，电压幅值在1V至5000V之间或-5000V至-1V之间；电信号为交流时的参数为：电压频率在50Hz至1MHz之间；电极上接入的电信号的幅值与频率的选择依据包括：通道中液滴与电极的距离、构成通道的材质、液滴的参数、电极的形状；电极上接入的电信号的类型包括：方波、三角波、正弦波、锯齿波、积分波、微分波、阶梯波，以及直流与上述波形中多个类型的叠加或同时组合使用；所述电极、磁场发射装置、超声波发射装置的安装方法为如下中的若干种：预埋法、灌注法、印刷电路法。

9.根据权利要求1至权利要求8中任一权利要求项所述的微流控芯片，其特征在于：所述实现液滴分选的通道分叉结构的分叉形式，包含一分二、一分三、一分四、一分五、一分N，这里的一分N指一分五路以上的分叉情形；所述实现液滴分选的通道分叉结构的分支，在重力方向上的投影分量不为零的实现，选择如下方法、措施中的一种或多种：

（1）实现液滴分选的通道制作时，沿液滴或液流运动方向，实现液滴分选的通道分叉结构中若干分支方向由水平向垂直过度，或由水平变为垂直；

（2）实现液滴分选的通道制作时，实现液滴分选的通道分叉方向与地球水平面呈一定夹角，分为如下几种情形：

用于密度小于周围液体的液滴的筛选时，该实现液滴分选的通道分叉结构的分支内液滴运动方向与重力矢量反向或夹角为钝角，即以水平面为参照，在液滴运动方向，通道分叉包含向上倾斜的部分，用于实现液滴借助浮力自动沿向上倾斜的通道分支“上浮”运动；

用于密度大于周围液体的液滴的筛选时，该实现液滴分选的通道分叉结构的分支内液滴运动方向与重力矢量同向或夹角为锐角，即以水平面为参照，在液滴运动方向，通道分叉包含向下倾斜的部分，即实现液滴借助重力自动沿向下倾斜的通道分支“下沉”运动；

（3）虽然实现液滴分选的通道在水平放置时，其通道分叉结构的分支在重力方向的投影为0，但使用时，该实现液滴分选的通道垂直、倾斜或翻转放置，通过这种方式实现：内部用于分选的通道分叉结构的分支在重力方向的投影不为零，从而借助重力或浮力的作用实现液滴按密度的区分进行分选。

10.根据权利要求1至权利要求8中任一权利要求项所述的微流控芯片，其特征在于：所述用于实现本发明的系统包括：进液池与进液接口中的一种或多种、成品池与出液接口中的一种或多种、废液池与废液接口中的一种或多种、加液池与加液接口中的一种或多种；检测区域由检测窗或检测孔中的一种或多种实现；注入使液滴密度发生变化的物质后，液滴的颜色发生变化，便于后续进行影像识别，也便于操作人员进行观察；系统包括具有智能逻辑运算处理能力的部件，该部件的类型包括：微控制器、微处理器、计算机、PLC中的一种或多种，用于实现所述的泵、阀、电场、磁场、超声波、液滴间用于驱动液滴的液体的相关的控制或驱动。