CN107583692A - 液滴微流控芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液滴微流控芯片，包括芯片基底，以及与芯片基底依次压合封接的芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片；所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层上还均对应设有液滴通道，所述液滴通道的相对两端分别设有液滴入口和液滴出口；所述芯片通道层上还设有液滴生成组件、液滴检测/分选组件，所述液滴生成组件管道连接于所述液滴通道的液滴入口，所述液滴检测/分选组件管道连接于所述液滴通道的液滴出口。该芯片上集成有液滴的生成、储存、反应、分选多功能，具有较高集成度和较小的面积，可在高筛选效率与自动化水平下完成液滴高通量分选实验。本发明还提供了该芯片的制备方法，适用于大规模、简单地制备得到该芯片。
Description
技术领域
本发明涉及液滴微流控芯片技术领域，尤其涉及一种液滴微流控芯片及其制备方法。
背景技术
液滴微流控芯片是微流控芯片领域快速发展起来的一种全新的操控微小体积液体的技术。在微流道的作用下，互不相容的液体能形成一系列微液滴，每个相互隔离、互不干扰的液滴可以作为一个微反应器，完成相关生化反应和检测。因此，液滴微流控技术具有液滴体积微小、样品消耗少、操控灵活(液滴生成、融合、分裂、标记、分选等)、液滴内传质迅速、检测/分选频率高等特点，尤其是应用于高通量筛选时，可极大改善筛选的规模、速度和成本，显著提升高通量筛选技术的实用性。
目前，用于高通量分选的液滴微流控芯片，大多功能单一，导致实验流程复杂、分选重复性偏低；也有一些集成多种功能单元的微流控芯片，但其结构通常较复杂，加工难度高、成本高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种液滴微流控芯片及其制备方法，采用快速加工及双面胶粘接键合工艺在同一芯片集成有液滴生成单元、液滴储存与反应单元、液滴检测与分选单元，可在同一芯片上、同一流程内完成常规液滴高通量分选实验，提高筛选效率与自动化水平，该芯片的制备方法简便、快速、成本低廉，适合批量化生产。
第一方面，本发明提供了一种液滴微流控芯片，包括芯片基底，以及与芯片基底依次压合封接的芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片；
所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层上的对应位置还均设有液滴通道，每个所述液滴通道的相对两端分别设有液滴入口和液滴出口；所述芯片通道层上还设有液滴生成组件、液滴检测/分选组件，所述液滴生成组件管道连接于所述液滴通道的液滴入口，所述液滴检测/分选组件管道连接于所述液滴通道的液滴出口；
所述芯片基底用于所述芯片通道层中各通道的封闭，所述芯片粘接层用于粘接所述液滴储存层和芯片盖片，所述液滴储存层上的液滴通道用于液滴的储存/反应；其中，所述液滴储存层的厚度大于所述芯片粘接层以及所述芯片通道层的厚度；所述芯片粘接层和所述芯片通道层的材质为双面胶。
所述“对应位置设有”是指，当把所述液滴微流控芯片的各层层叠对准后，相同的部件(如液滴通道、油相入口、水相试剂入口等)的投影在竖直方面是完全重合的。所述芯片通道层上的液滴通道、所述液滴储存层上的液滴通道、所述芯片粘接层上的上的液滴通道是独立存在，互不干扰的。
本申请中，所述芯片粘接层和液滴储存层的结构基本相同(均含有液滴通道)，但两者的材质、厚度有所不同。
其中，所述芯片粘接层的材质为压敏型或紫外光固化型双面胶。具体地，压敏型双面胶可以列举PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)双面胶等，紫外光固化型双面胶可以列举环氧丙烯酸酯类双面胶等。
优选地，所述芯片粘接层的厚度为0.05-0.2mm。芯片粘接层主要用于粘接芯片盖片和液滴储存层。可以采用激光雕刻法或刀片雕刻法加工出具有液滴通道的芯片粘接层，其中，在芯片粘接层的厚度方向上，液滴通道贯通所述芯片粘接层。
其中，所述液滴储存层的材质为硬质高分子聚合物(PMMA，PC，COC，PS等)。
优选地，所述液滴储存层的厚度为0.5-2.5mm。所述液滴储存层主要用于液滴的储存、反应等，尤其是在所述芯片通道层上的液滴通道被液滴充满后，液滴借助其重力和浮力的作用，上升至厚度较厚的液滴储存层的液滴通道中而实现液滴的大规模储存、反应等。类似地，也可以采用激光雕刻法或刀片雕刻法加工出具有液滴通道的液滴储存层。其中，液滴通道也贯通所述液滴储存层的厚度方向。
优选地，所述芯片通道层的材质为压敏型或紫外光固化型双面胶。芯片通道层主要用于液滴的生成、检测、分选等。所述芯片通道层的厚度即通道深度视所需液滴大小而定，一般可为0.05-0.5mm。
进一步优选地，所述液滴储存层的厚度为所述芯片通道层厚度的(40-50)倍。
本申请中，所述芯片基底的材质可为玻璃或硬质高分子聚合物(PMMA，PC，COC，PS等)。芯片基底为一完整的平板，其主要用于芯片通道封闭。
优选地，所述芯片基底的厚度为0.5-1.5mm。
本申请中，所述芯片盖片的材质可为玻璃或硬质高分子聚合物(例如PMMA，PC，COC，PS等)。
优选地，所述芯片盖片的厚度为0.5-1.5mm。芯片盖片主要用于芯片通道封闭及各种试剂的加入或其他液体排出，芯片盖片为一带孔的平板。
优选地，所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片上均分别对应设置有油相入口、水相试剂入口。
优选地，所述液滴生成组件包括油相引入通道和水相引入通道，所述油相引入通道与所述水相引入通道的一端相交汇，且均与所述液滴通道相连通，所述油相引入流道和所述水相引入通道的另一端分别设有所述油相入口和所述水相试剂入口。在所述油相引入通道与水相引入通道的交汇处，生成油包水或水包油型的液滴。
优选地，所述油相引入通道中油相的密度大于纯水密度。其密度优选为1.01-2.0g/cm3。
可选地，所述液滴通道为弯曲型通道。具体来说，可以为S型宽通道。
可选地，所述液滴通道可以包括串联的多个心形液池。多个心形液池之间可以呈S性弯曲排列。此时，所述液滴储存层上的液滴通道可以增大其储存液滴的储存空间等。液滴通道的结构并不限于此，还可设计成其他形状的液池，以满足不同的液滴检测、分选需要。
本发明中，所述液滴生成组件可以为T型通道结构、十字交叉型流动聚焦结构等，但不限于此。所述液滴生成组件可以产生一种液滴，也可以产生多种液滴。
本发明中，所述水相引入通道所对应的所述水相试剂入口可以有多个，例如1个，2个或3个等。(分支为多个子通道)，通过控制不同水相试剂入口注入的水相试剂的时间，可以控制在不同时间点生成包含不同水相成份的液滴。
在本发明一实施方式中，所述水相引入通道包括2个或3个水相试剂引入子通道，多个所述水相试剂引入子通道相交汇，且多个所述水相试剂引入子通道的交汇处靠近所述水相引入通道与油相引入通道的交汇处。此时，若所述油相引入通道为直线型通道，整体的“水相引入通道”与油相引入通道、液滴液通道之间的连通相当于采用T型通道结构。
本发明另一实施方式中，所述油相引入通道在所述油相入口处分为第一分流道和第二分流道，所述第一分流道与所述第二分流道汇聚于所述油相引入通道与所述水相引入通道的交汇处。此时，油相引入通道与水相引入通道、出液通道之间的连通相当于采用十字交叉型的流动聚集结构。
此时，若所述水相引入通道所对应多个水相试剂入口，进一步地：所述水相引入通道在远离所述油相引入通道与水相引入通道的交汇处分支为第一水相试剂引入子通道和第二水相试剂引入子通道，所述第一水相试剂引入子通道和第二水相试剂引入子通道各具有一个水相试剂入口。此种情况下，即，所述第一水相试剂引入子通道和第二水相试剂引入子通道的交汇点与所述油相引入通道与水相引入通道的交汇点不重合。
本发明另一实施方式中，所述液滴生成组件为包括两种液滴生成部分的流动聚焦结构。
进一步地，所述水相引入通道包括间隔设置的第一水相引入通道和第二水相引入通道，所述第一水相引入通道和第二水相引入通道的一端分别与所述油相引入通道交汇于第一汇合口和第二汇合口，所述第一汇合口和第二汇合口分别与所述液滴通道相连通。所述第一汇合口和第二汇合口处分别用于生成包裹不同水相的液滴。此时，所述液滴通道远离所述液滴出口的一端呈“Y”型(或称T型)。所述液滴通道远离所述液滴出口的一端分支成两个子通道。
所述油相引入通道在所述油相入口处分为第一分流道和第二分流道，所述第一分流道分支为第三分流道和第四分流道，所述第二分流道分支为第五分流道和第六分流道，所述第三分流道、第四分流道与所述第一水相引入通道汇聚于所述第一汇合口，所述五分流道、第六分流道与所述第一水相引入通道汇聚于所述第二汇合口。
进一步地，所述第一水相引入通道在远离所述第一汇合口处分支为第一水相试剂引入子通道和第二水相试剂引入子通道，所述第一水相试剂引入子通道和第二水相试剂引入子通道各具有一个水相试剂入口。此种情况下，即，所述第一水相试剂引入子通道和第二水相试剂引入子通道的交汇点与所述第一汇合口(油相引入通道与所述第一水相引入通道的交汇点)不重合。
优选地，所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片上均分别对应设置有废液排出口，至少一个调节相入口，所述调节相用于调节液滴间距。
优选地，所述液滴检测/分选组件包括调节相引入通道、主通道、至少一对微电极通道，在靠近在所述液滴出口处，所述调节相引入通道的一端与所述液滴通道相交汇，并与所述主通道相连通，所述调节相引入通道的另一端设有所述调节相入口。每一对微电极通道中的2个微电极通道是紧挨着的，但它们之间并不连通。所述微电极通道是为了容纳电极，以便两个微电极之间产生的电场对液滴进行介电分选。
本发明一实施例中，每个所述微电极通道为折线形，每个所述微电极通道具有一拐点，所述拐点正对所述主通道的节点。
本发明一实施方式中，所述主通道具有第一节点，所述主通道在所述第一节点处分支出第一侧管道，所述第一侧管道的游离端为废液排出口；所述微电极通道设置在所述主通道的外部，并靠近所述第一节点处；所述微电极通道中的微电极用于介电分选流经所述主通道中的液滴，所述第一侧管道用于排出经所述微电极分选后的废液。
显然地，所述主通道的宽度并不是一直不变的。当所述主通道只有一个节点时，所述主通道在所述第一节点处分支成所述第一侧管道和分选液滴收集通道，所述分选液滴收集通道(可以看成是主通道的一部分)用于收集经所述第一节点处的所述微电极分选后的分选液滴。优选地，所述分选液滴收集通道的宽度小于所述第一侧管道的宽度，这样不需要的废弃液滴大部分更倾向于流向宽度较大的第一侧管道，提高液滴的分选效率。
此时，所述芯片通道层、液滴储存单元层、芯片粘接层和芯片盖片上还均分别对应设置有一个分选液滴出口、一个废液排出口、4个电极线入口，一次分选需要采用一对(两个)微电极，每个微电极通道对应2个电极线入口。
在本发明另一实施方式中，所述主通道具有第一节点和第二节点，所述主通道在所述第一节点处分支出第一侧管道，所述主通道在所述第二节点处分支出第二侧管道和分选液滴收集通道，在靠近所述第一节点、第二节点处的所述主通道的外部分别设置有一对微电极通道；所述第一侧管道用于排出经所述第一节点处的所述微电极分选后的废液，所述第二侧管道用于排出经所述第二节点处的所述微电极分选后的废液，所述分选液滴收集通道用于收集经所述第二节点处的所述微电极分选后的分选液滴。与此对应的是，微电极通道要有4个，相应地，芯片通道层、液滴储存单元层、芯片粘接层和芯片盖片上还均分别对应设置有2个废液排出口、1个分选液滴出口和8个电极线入口。
此时，所述主通道的宽度也不是一直不变的。自调节相引入通道与液滴通道的所述交汇点到所述第一节点之间的主通道的宽度是最大的，从所述第一节点到第二节点之间的主通道的宽度小于所述第一侧通道的宽度；所述分选液滴收集通道(可以看成是主通道的一部分)的宽度小于所述第二侧通道的宽度。
在本发明其他实施方式中，所述主通道还可以具有大于2个的节点，在每一个节点处，液滴均可接受微电极的分选。具体的结构不再进行介绍。
其中，当液滴为油包水型的液滴时，所述调节相为一油相试剂，可以与所述油相引入通道中油相相同；当液滴为水包油型的液滴时，所述调节相为一水相试剂，其可以与所述水相引入通道中的水相试剂相同。调节相主要用于调节从液滴通道中流出的液滴的间距，使待分选的液滴以较大地间隔通过所述主通道的节点处，以便更好地被电极分选开来。
本发明第一方面提供的所述液滴微流控芯片，包括依次压合封接的芯片基底、芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片，其中，所述液滴储存层、芯片粘接层上对应设有液滴通道，所述芯片通道层上设有液滴通道，以及与液滴通道管道连通的液滴生成组件、液滴检测/分选组件，厚度较大的所述液滴储存层上的液滴通道可在液滴充满所述芯片通道层的液滴通道时储存液滴，这样在一个芯片上就集成有液滴的生成、储存、反应、检测/分选功能，使芯片具有较高集成度的同时，还具有较小的面积，可在高筛选效率与自动化水平下完成液滴高通量分选实验。此外，双面胶材质的所述芯片粘接层和芯片通道层还能起到粘结上下层的作用。
第二方面，本发明提供了一种液滴微流控芯片的制备方法，尤其适用于本发明第一方面提供的所述液滴微流控芯片，具体地，包括以下步骤：
提供芯片基底、芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片，在所述液滴储存层、芯片粘接层上分别加工出液滴通道，所述液滴通道的相对两端分别设有液滴入口和液滴出口；
在所述芯片通道层上加工出液滴生成组件、液滴检测/分选组件以及所述液滴通道，使所述液滴生成组件管道连接于所述液滴通道的入口，所述液滴检测/分选组件管道连接于所述液滴通道的出口；
将所述芯片基底及加工后的所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片依次层叠放置，对准后进行压合封接，之后静置3-10h，得到所述液滴微流控芯片。
本发明中，所述液滴微流控芯片的各层结构可以采用计算机画图软件分别设计。
本发明中，在所述压合封接之后静置3-10h，可使得中间层的芯片通道层、芯片粘接层发挥最大的粘接强度。
优选地，所述液滴生成组件、液滴检测/分选组件以及液滴通道可采用激光雕刻或刀片雕刻等加工法制得。
优选地，在将所述芯片基底及加工后的所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片依次层叠放置之前，还包括：
对所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层的各通道进行表面处理，所述表面处理包括亲水化处理或疏水化处理。
具体来说，所述亲水化处理可采用氧等离子体来处理，但不限于此。所述疏水化处理可采用疏水硅烷化试剂(如氟代烷基硅烷)来进行，但不限于此。
优选地，所述液滴检测/分选组件包括至少一对微电极通道，每一个所述微电极通道的两端均具有电极线入口，在所述静置之后，还包括：
向所述微电极通道末端的电极线入口(也可称为微电极通道末端的液池)中插入电极线，向所述微电极通道中注入熔化的低熔点合金，固化后，在所述微电极通道中形成所述微电极。
进一步地，所述低熔点合金包括铟、铋、锡的合金等。
本发明第二方面提供的所述液滴微流控芯片的制备方法中，采用双面胶作为所述芯片粘接层和所述芯片通道层的材质，可以在芯片基底、芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片依次层叠之后起到粘接上下层的作用，这样可免去采用其他粘接剂来对芯片各层进行封接闭合，此外，对芯片的各层采用激光雕刻等快速加工工艺在芯片的液滴储存层、芯片粘接层上加工出液滴通道，在芯片通道层上加工出液滴通道、液滴生成组件、液滴检测/分选组件，采用同一工艺流程内完成集成有液滴生成、储存、反应、检测/分选功能的同一芯片的制造，该芯片的制备方法简便、快速、成本低廉，适合批量化生产。制得的芯片在用于完成常规液滴高通量分选实验时，可提高筛选效率与自动化水平。
本发明的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。
附图说明
为更清楚地阐述本发明的构造特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。
图1是本发明一实施例中液滴微流控芯片的结构示意图；
图2是图1中芯片通道层的放大图；
图3为本发明另一实施例中液滴微流控芯片的俯视图；
图4为本发明另一实施例中液滴微流控芯片的俯视图；
图5为本发明另一实施例中液滴微流控芯片的俯视图；
图6为本发明另一实施例中液滴微流控芯片的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例及相应附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
请一并参阅图1-图2，本发明一实施例提供了一种液滴微流控芯片100，用于液滴高通量分选。如图1所示，液滴微流控芯片100包括芯片基底1，以及与芯片基底1依次压合封接的芯片通道层2、液滴储存层3、芯片粘接层4和芯片盖片5。
芯片通道层2、液滴储存层3、芯片粘接层4上的对应位置还均设置有液滴通道20，芯片通道层2、液滴储存层3、芯片粘接层4上的每个液滴通道20的相对两端分别设有液滴入口201和液滴出口202；所述芯片通道层2上还设有液滴生成组件20、液滴检测/分选组件30，所述液滴生成组件20管道连接于所述液滴通道30的液滴入口201，所述液滴检测/分选组件30管道连接于所述液滴通道20的液滴出口202。所述“对应设置”是指，当把所述液滴微流控芯片200的各层进行层叠对准后，相同的部件(如液滴通道20等)的投影在竖直方面是完全重合的。压合封接后的完整芯片的俯视图与芯片通道层2的俯视图一样。
芯片粘接层4和液滴储存层3的结构基本相同(均含有液滴通道)，但两者的材质、厚度有所不同。其中，液滴储存层3的厚度大于芯片粘接层4以及芯片通道层2的厚度。芯片粘接层4和所述芯片通道层2的材质为双面胶。
优选地，所述芯片粘接层4的材质为压敏型或紫外光固化型双面胶。芯片粘接层4的厚度优选为0.05-0.2mm。芯片粘接层4主要用于粘接芯片盖片5和液滴储存层3。可以采用激光雕刻法或刀片雕刻法加工出具有液滴通道20的芯片粘接层4，其中，在芯片粘接层4的厚度方向上，液滴通道20贯通所述芯片粘接层4。
液滴储存层3的材质为硬质高分子聚合物，优选为透明的高分子聚合物。例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(简称PC)，环烯烃类共聚物(COC)，聚苯乙烯(PS)等。液滴储存层3的厚度优选为0.5-2.5mm。液滴储存层3主要用于液滴的储存、反应等，尤其是在所述芯片通道层2上的液滴通道20被液滴充满后，液滴借助其重力和浮力的作用，上升至厚度较厚的液滴储存层3的液滴通道20中而实现液滴的大规模储存、反应等。类似地，也可以采用激光雕刻法或刀片雕刻法加工出具有液滴通道20的液滴储存层3。滴储存层3上液滴通道20也贯通所述液滴储存层3的厚度方向。
优选地，芯片通道层2的材质为压敏型或紫外光固化型双面胶。芯片通道层2主要用于液滴的生成、检测、分选等。芯片通道层2的厚度即通道深度视所需液滴大小而定，一般可为0.05-0.5mm。
进一步优选地，所述液滴储存层3的厚度为芯片通道层2的厚度的(40-50)倍。
所述芯片基底1的材质可为玻璃或硬质高分子聚合物(例如PMMA，PC，COC，PS等)。芯片基底1为一完整的平板，其主要用于芯片中各通道的封闭。优选地，所述芯片基底的厚度为0.5-1.5mm。
芯片盖片5的材质可为玻璃或硬质高分子聚合物(例如PMMA，PC，COC，PS等)。优选地，所述芯片盖片5的厚度为0.5-1.5mm。芯片盖片5主要用于各种试剂的加入或其他液体排出以及芯片粘接层4上通道的封闭，芯片盖片为一带孔的平板。
下面以液滴微流控芯片100用于油包水型液滴的高通量分选来进行说明。图2是图1中芯片通道层2的俯视图，如图2所示，芯片通道层2、液滴储存层3、芯片粘接层4和芯片盖片5上均分别对应设置有油相入口110、水相试剂入口120、调节相入口310、电极线入口330、废液排出口3210、分选液滴出口3220。相应地，液滴储存层3、芯片粘接层4和芯片盖片5上也均分别对应设置有这些口。
下面先介绍液滴生成组件10的构造。具体地，所述液滴生成组件10包括油相引入通道11和水相引入通道12，所述油相引入通道11与水相引入通道12的一端相交汇，且均与所述液滴通道20相连通，油相引入流道10的另一端设有油相入口，水相引入通道12的另一端水相试剂入口。图1中的交汇处也可看成是液滴通道20的液滴入口201。其中，油相引入通道11是油相试剂的流动通道。水相引入通道12是水相样品/试剂的流动通道，样品包括但不限于细胞或核酸，试剂包括但不限于是细胞标记试剂，如各种荧光试剂。在所述油相引入通道11与水相引入通道12的交汇处，油相试剂与水相样品/试剂交汇、混合并形成油包水型液滴。
本申请中，所述油相引入通道11中油相的密度大于纯水密度。优选地，其密度为1.01-2.0g/cm3。进一步优选为1.01-1.2g/cm3、1.6-1.95g/cm3。油相引入通道11中通入的可以是FC40电子氟化液(氟代烃油)或全氟化胺油。
如图1所示，本实施例中的液滴生成组件10为十字交叉型流动聚焦结构，其可在线生成双液相组份(两种水相)的液滴。油相引入通道11在油相入口处分支为第一分流道111和第二分流道112，第一分流道111与第二分流道112汇聚于所示油相引入通道11与水相引入通道12的交汇处。在其他实施例中，油相引入通道11也可以不分叉(如图3)。
水相引入通道12具有2个水相试剂入口120，水相引入通道12在远离所述交汇处分支为2个水相试剂引入子通道，这2个水相试剂引入子通道各具有一个水相试剂入口120。此种情况下，这2个水相试剂引入子通道的交汇点与所述油相引入通道11与水相引入通道12的交汇点不重合。在本发明其他实施例中，该水相引入通道12也可以不分叉，只具有一个水相试剂入口120，这样就会生成一种液相组份的液滴。
在其他实施例中，所述液滴生成组件10的各个流道及流道口的形状并不限于图1中所示。
下面再介绍液滴检测/分选组件30的构造。所述液滴检测/分选组件30包括调节相引入通道31、主通道32和一对微电极通道33，在靠近在所述液滴出口202处，所述调节相引入通道31的一端与所述液滴通道20相交汇，并与所述主通道32相连通，所述调节相引入通道31的另一端设有所述调节相入口310。所述调节相用于调节液滴间距，调节相主要用于调节从液滴通道中流出的液滴的间距，使待分选的液滴以较大地间隔通过所述主通道的节点处，以便更好地被电极分选开来。本实施例中由于生成的是油包水型的液滴，该调节相也为一油相，该调节相优选与油相引入通道11中的油相试剂相同。举例来说，如果油相入口110处和调节相引入通道31中可以都通入氟代烃油。如果本发明实施例的芯片是用于水包油型液滴的分选，此时，油相引入通道和水相试剂通道中通入的物质就要进行调换，调节相也为一水相试剂，其可以与水相试剂通道中的成分相同(如果是一表面活性试剂的水溶液时。两者组成可以相同，但浓度可以不同)。
所述主通道32具有第一节点(图中未加标号)，所述主通道32在所述第一节点处分支出第一侧管道321和分选液滴收集通道322(可以看成是主通道的一部分)，第一侧管道321的游离端为废液排出口3210，分选液滴收集通道322的游离端为分选液滴出口3220。
每一对微电极通道中的2个微电极通道33是紧挨着的，这2个微电极通道33均设置在所述主通道32的外部，并靠近所述第一节点处，但它们之间并不连通。所述微电极通道33是为了容纳电极，以便两个微电极之间产生的电场对流经所述主通道32中的液滴进行介电分选。本实施例中，每个所述微电极通道33为折线形，每个所述微电极通道具有一拐点，所述拐点正对所述主通道32的节点。
所述第一侧管道321用于排出经所述微电极分选后的废液，所述分选液滴收集通道322用于收集经所述第一节点处的微电极分选后的分选液滴。优选地，所述分选液滴收集通道322的宽度小于第一侧管道321的宽度，这样不需要的废弃液滴大部分更倾向于流向宽度较大的第一侧管道321，提高液滴的分选效率。
在本发明其他实施例中，所述主通道32可以具有2个以上的节点，在每个节点处均可对主通道32中的液滴进行一次分选。
以下将结合本发明液滴微流控芯片的结构，详细介绍液滴的生成、储存、反应、分选等过程，以突出本实施例的技术效果。
按图1的视角放置所述液滴微流控芯片100，油相试剂经芯片盖片5上的油相入口110进入芯片通道层2上的油相引入通道11，两种水相试剂(例如细胞样品溶液和标记试剂)分别经芯片盖片5上的水相试剂入口120进入芯片通道层2上的水相引入通道12，交汇混合后，再在水相引入通道12与油相引入通道11的交汇处与油相试剂相遇，油相试剂将对这两种水相试剂进行“剪切”，形成无数个油包水型的液滴，相当于形成多个微反应室。生成的液滴逐渐流入液滴通道20，并逐渐充满芯片通道层2上的液滴通道，液滴在液滴通道内流动并在液滴内进行独立的反应。由于油相引入通道11中油相的密度一般大于水相样品/试剂的密度，因此，生成的液滴在充满芯片通道层2上的液滴通道20后，在重力和浮力的作用下，会自动上浮，并进入厚度较厚的液滴储存层3的液滴通道20中，而实现液滴的大规模储存。
下面介绍液滴的分选，反应后液滴经芯片通道层2上的液滴通道20的出口流出，并在靠近液滴出口处，调节油相经芯片盖片5上的调节相出口注入到调节相引入通道31，并与流出液滴相混合，一起进入主通道32，这样进入主通道32中的液滴之间就以适当的间距被调节相隔开，这样更便于被设置在主通道32的节点外的一对电极进行介电分选，被分选后的目标液滴进入分选液滴收集通道32，并经分选液滴出口3220从芯片盖片5被收集起来，而不需要的废弃液滴就进入第一侧管道321，并经废液排出口3210从芯片盖片5排出。
以下将结合上述本实施例液滴微流控芯片的结构，介绍其制备工艺。本实施例所述液滴微流控芯片的制备方法包括以下步骤：
S101，采用计算机画图软件分别设计液滴微流控芯片的各层结构；
S102，采用激光雕刻或刀片雕刻法在芯片盖片上加工出油相入口、水相试剂入口、调节相入口、电极线入口、废液排出口、分选液滴出口；
采用激光雕刻或刀片雕刻法在所述液滴储存层、芯片粘接层上分别加工出液滴通道以及与芯片盖片相对应的各个孔；
采用激光雕刻或刀片雕刻法在所述芯片通道层上加工出所述液滴生成组件、液滴检测/分选组件以及液滴通道以及与芯片盖片相对应的各个孔；
S103，将上述所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层的各流道进行表面处理，除了芯片通道层上的水相引入通道进行亲水化处理外，其他通道均进行疏水化处理；
S104，将芯片基底及加工后的所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片自下向上依次层叠放置，对准后进行压合封接，静置3-10h以获得最大粘接强度；
S105，从芯片盖片的微电极线入口(也可称为“微电极通道的液池”)插入电极线，并向所述芯片通道层的微电极通道中注入熔化的低熔点合金，待固化后，在所述微电极通道中形成所述微电极，完成所述液滴微流控芯片的制备。
其中，在S103步骤中，亲水处理是采用氧离子体来处理；在进行疏水处理前，最好先采用等离子体或电晕进行活化，之后再注入疏水硅烷化试剂(如氟代烷基硅烷，例如全氟十二烷基三氯硅烷等)来进行疏水处理。当然地，带芯片各通道的亲水或疏水化表面处理方式并不限于这里所列举的。
在S105步骤中，低熔点合金可以为铟、铋、锡的合金等。
上述均以所述液滴微流控芯片应用于油包水型的液滴进行介绍，类似地，如果上述构造的液滴是应用到水包油型的液滴时，相应的油相通道，水相试剂通道通入的试剂，通道的表面处理方式要进行更换。
图3为本发明另一实施例中液滴微流控芯片的俯视图，其整体与图1-2所示的液滴微流控芯片类似，下面对它们的不同之处进行介绍。
如图3所示，所述液滴生成组件10为T型通道液滴生成结构，其可在线生成三个液相组份的液滴。不同组份在液滴生成前相互分离，从而有效控制其混合及反应时间等实验条件，可用于含有多种液相成份(2-3种)液滴体系的生成及高通量筛选。
所述液滴生成组件10中油相引入通道11为直线型通道，水相引入通道包括3个水相试剂引入子通道，每个水相试剂引入子通道均具有一个水相试剂入口120，这3个水相试剂引入子通道交汇于一处，之后再与油相引入通道11相交汇，生成包含三个液相组份的油包水型液滴。整体的“水相引入通道”与油相引入通道11、液滴通道之间的连通相当于采用T型通道结构。
图4为本发明另一实施例中液滴微流控芯片的俯视图，其整体与图1-2所示的液滴微流控芯片类似，下面对它们的不同之处进行介绍。
如图4所示，所述液滴生成组件10为包含双液滴生成部分的流动聚焦结构，可实现两种不同液滴的同时生成、反应、检测及分选，提高筛选效率。
具体地，所述液滴生成组件10包括油相引入通道11和2个间隔设置的第一水相引入通道12和第二水相引入通道12’，所述第一水相引入通道12和第二水相引入通道12’的一端分别与所述油相引入通道11交汇于第一汇合口和第二汇合口，所述第一汇合口和第二汇合口分别与所述液滴通道20相连通。在这2个汇合口处，第一水相引入通道12与油相引入通道11、液滴通道之间构成十字交叉型结构，第二水相引入通道12’与油相引入通道11、液滴通道之间构成十字交叉型结构。所述第一汇合口和第二汇合口处分别用于生成包裹不同水相的液滴。所述液滴通道此时呈“Y”型。所述液滴通道20在远离液滴出口的一端分叉成两个子通道，这两个子通道分别与第一汇合口和第二汇合口分别相连通。在所述第一汇合口和第二汇合口处产生的包裹不同水相的两种液滴均经所述液滴通道20的分叉口进入液滴通道20。
再进一步地，所述第一水相引入通道12和第二水相引入通道12’均具有2个子通道。其中，所述第一水相引入通道12在远离所述第一汇合口处分支为第一水相试剂引入子通道和第二水相试剂引入子通道，所述第一水相试剂引入子通道和第二水相试剂引入子通道各具有一个水相试剂入口。此种情况下，即，所述第一水相试剂引入子通道和第二水相试剂引入子通道的交汇点与所述第一汇合口(油相引入通道与所述第一水相引入通道的交汇点)不重合。
图5为本发明另一实施例中液滴微流控芯片的俯视图，其整体与图1-2所示的液滴微流控芯片类似，下面对它们的不同之处进行介绍。
如图5所示，所述液滴通道20可以包括串联的多个心形液池，多个心形液池呈S性弯曲排列。此时，该液滴微流控芯片的液滴储存层上的液滴通道20可以增大其储存液滴的储存空间等。液滴通道的结构并不限于此，还可设计成其他形状的液池，以满足不同的液滴检测、分选需要。
图6为本发明另一实施例中液滴微流控芯片的俯视图，其整体与图1-2所示的液滴微流控芯片类似，下面对它们的不同之处进行介绍。
如图6所示，所述液滴分选单元30为串联的二级分选结构，第一级分选出来的液滴可进行再次分选，从而实现多参数依次筛选过程，可应用于不同需求的高通量筛选体系。
具体来说，所述液滴检测/分选组件30包括第一调节相引入通道31、主通道32，第二调节相引入通道31’和4个(两对)微电极通道33，在靠近在所述液滴通道20的液滴出口处，所述第一调节相引入通道31的一端与所述液滴通道20相交汇，并与所述主通道32相连通，所述第一调节相引入通道31的另一端设有所述第一调节相入口310。所述主通道32具有第一节点和第二节点(图未示出标号)，所述主通道32在所述第一节点处分支出第一侧管道321，所述主通道32在所述第二节点处分支出第二侧管道323和分选液滴收集通道324。第二调节相引入通道31’的一端与位于所述第一节点和第二节点之间的主通道相交汇，所述第二调节相引入通道31’的另一端设有所述第二调节相入口310’。第一调节相引入通道31中的第一调节相是为了调节进行第一次分选前的液滴间距，第二调节相也是为了调节进行第二次分选前的液滴间距。当整个液滴微流控芯片是用于分选油包水型的液滴时，这两种调节相为不互溶的两种油相试剂。
在靠近所述第一节点处的所述主通道32的外部设置有一对微电极通道33，在靠近所述第二节点处的所述主通道32的外部设置有另外一对微电极通道33，每一对微电极通道中的2个微电极通道33是紧挨着的，用于分别容纳两个微电极。每个所述微电极通道33为折线形，每个所述微电极通道具有一拐点，该拐点正对主通道32的节点。
所述第一侧管道321用于排出经所述第一节点处的一对微电极分选后的废液，所述第二侧管道323用于排出经所述第二节点处的另一对微电极分选后的废液，所述分选液滴收集通道324用于收集经所述第二节点处的所述微电极分选后的分选液滴。相应地，所述液滴微流控芯片的芯片通道层、液滴储存单元层、芯片粘接层和芯片盖片上还均分别对应设置有2个废液排出口(3210、3230、1个分选液滴出口3240和8个电极线入口。
此时，图6中，所述主通道32的宽度也不是一直不变的。自第一调节相引入通道31与液滴通道20的所述交汇点到所述第一节点之间的主通道32的宽度是最大的，从所述第一节点到第二节点之间的主通道的宽度小于所述第一侧通道321的宽度，这样第一次分选时不需要的废弃液滴更倾向于流向宽度较大的第一侧管道321；所述分选液滴收集通道(可以看成是主通道的一部分)的宽度小于所述第二侧通道323的宽度，这样主通道中的液滴在被第二次分选时，废弃液滴更倾向于流向宽度较大的第一侧管道323，提高液滴的分选效率。
在本发明其他实例中，所述主通道还可以具有2个以上的节点，在每一个节点处，液滴均可接受微电极的分选。具体的结构不再进行介绍。
需要说明的是，根据上述说明书的揭示和和阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些等同修改和变更也应当在本发明的权利要求的保护范围之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种液滴微流控芯片，其特征在于，包括芯片基底，以及与芯片基底依次压合封接的芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片；
所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层上的对应位置均设有液滴通道，每个所述液滴通道的相对两端分别设有液滴入口和液滴出口；所述芯片通道层上还设有液滴生成组件、液滴检测/分选组件，所述液滴生成组件管道连接于所述液滴通道的液滴入口，所述液滴检测/分选组件管道连接于所述液滴通道的液滴出口；
所述芯片基底用于封闭所述芯片通道层中的各通道，所述芯片粘接层用于粘接所述液滴储存层和芯片盖片，所述液滴储存层上的液滴通道用于液滴的储存/反应；其中，所述液滴储存层的厚度大于所述芯片粘接层的厚度以及大于所述芯片通道层的厚度；所述芯片粘接层和所述芯片通道层的材质为双面胶。
2.根据权利要求1所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述液滴储存层的厚度为0.5-2.5mm；所述液滴储存层的材质为硬质高分子聚合物。
3.根据权利要求1所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述芯片粘接层的厚度为0.05-0.2mm。
4.根据权利要求1所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述芯片粘接层的材质为压敏型或紫外光固化型双面胶，所述芯片通道层的材质为压敏型或紫外光固化型双面胶。
5.根据权利要求1所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述芯片盖片的厚度为0.5-1.5mm；所述芯片基底的厚度为0.5-1.5mm。
6.根据权利要求1所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片上均分别对应设置有油相入口、水相试剂入口；
所述液滴生成组件包括油相引入通道和水相引入通道，所述油相引入通道与所述水相引入通道的一端相交汇，且均与所述液滴通道相连通，所述油相引入流道和所述水相引入通道的另一端分别设有所述油相入口和所述水相试剂入口。
7.根据权利要求1所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片上均分别对应设置有废液排出口，至少一个调节相入口，所述调节相用于调节液滴间距；
所述液滴检测/分选组件包括调节相引入通道、主通道、至少一对微电极通道，在靠近在所述液滴出口处，所述调节相引入通道的一端与所述液滴通道相交汇，并与所述主通道相连通，所述调节相引入通道的另一端设有所述调节相入口；
所述主通道具有第一节点，所述主通道在所述第一节点处分支出第一侧管道，所述第一侧管道的游离端为废液排出出口；所述微电极通道设置在所述主通道的外部，并靠近所述第一节点处；所述微电极通道中的微电极用于介电分选流经所述主通道中的液滴，所述第一侧管道用于排出经所述微电极分选后的废液。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的液滴微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供芯片基底、芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片，在所述液滴储存层、芯片粘接层上分别加工出液滴通道，所述液滴通道的相对两端分别设有液滴入口和液滴出口；
在所述芯片通道层上加工出液滴生成组件、液滴检测/分选组件以及所述液滴通道，使所述液滴生成组件管道连接于所述液滴通道的入口，所述液滴检测/分选组件管道连接于所述液滴通道的出口；
将所述芯片基底及加工后的所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片依次层叠放置，对准后进行压合封接，之后静置3-10h，得到液滴微流控芯片。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在将所述芯片基底及加工后的所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层和芯片盖片依次层叠放置之前，还包括：
对所述芯片通道层、液滴储存层、芯片粘接层的各通道进行表面处理，所述表面处理包括亲水化处理或疏水化处理。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述液滴检测/分选组件包括至少一对微电极通道，在所述静置之后，还包括：
向所述微电极通道末端的液池中插入电极线，并向所述微电极通道中注入熔化的低熔点合金，固化后，在所述微电极通道中形成所述微电极。
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