CN108273576A - 可调节乳液形成的微流控芯片系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可调节乳液形成的微流控芯片系统，包括微流控芯片及设置于芯片外的控制机构，所述微流控芯片上设置有上料孔及液滴收集孔，所述上料孔由油孔及样品孔组成，油孔与样品孔均通过相应管道与液滴收集孔联通，所述油孔与所述样品孔的入口端分别设置有压力调节装置。本发明的有益效果体现在：能够对进入油孔和样品孔内的液体进行单独控制，从而调节和控制形成的液滴的大小；对管道进行两两单独分组控制，进行选择性通道的启闭，不会造成能源和耗材的浪费；通过添加过滤机构，避免了芯片管道内部的堵塞。采用本系统可以控制油水比例为1：1~6:1，在需要生产同样液滴数的情况下，大大节省了用油量。
Description
技术领域
本发明属于高通量分析系统，尤其涉及一种可调节乳液形成的微流控芯片系统。
背景技术
油-水两相生成的微乳液已经应用于高通量的分析系统，其应用范围有不断扩大的趋势。比如将乳液形成用于聚合酶链式反应（PCR）结合，在液滴里进行核酸靶分子的单拷贝的放大，从而实现对靶的单分子的存在和具体基因序列的检测。美国公司10X Genomics应用乳液PCR的方法并结合GemCode技术来生成长链DNA，从而实现了长链DNA序列测序或单细胞测序，已经被业界公认是进行长链DNA测序和单细胞测序的最好技术之一。而能够把油-水两相按设计的比例混合生成大小可控、均一稳定的微乳液滴的乳液形成系统也成为了实现上述应用的关键设备。
现有的微乳液滴的乳液形成系统采用Biorad的微流控芯片，通过加载在液滴收集的孔上的负压提供动力生成液滴，具体是，油相和样品在负压下分别从装油的油孔和装样品的样品孔进入微流控管道，最后流向液滴收集的孔。但以上系统受到了微流控管道阻力的限制，油相试剂和样品的使用比例基本固定，生成液滴的大小也基本固定。同时，Biorad的乳液生成微流控芯片有8个通道（可以同时进行8个样品的乳液制备），这也导致了采用该芯片系统必须同时做8个通道，当用户在有小于8个样品的情况下，也必须将油或缓冲液填充好剩余的通道，从而造成了通道使用上资源的浪费。此外Biorad的微流控芯片如果是使用未经过滤的样品时容易造成管道的堵塞，这增加了操作步骤，间接的提高了加工成本。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种可调节乳液形成的微流控芯片系统。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
可调节乳液形成的微流控芯片系统，包括微流控芯片及设置于芯片外的控制机构，所述微流控芯片上设置有上料孔及液滴收集孔，所述上料孔由油孔及样品孔组成，所述油孔与样品孔均通过相应管道与液滴收集孔联通，所述油孔与所述样品孔的入口端分别设置有压力调节装置。
优选地，所述微流控芯片上还设置有过滤机构，所述过滤机构设置于所述样品孔与所述油孔的管道入口处。
优选地，所述过滤机构由若干凸起并列成网状设置，且相邻凸起之间的间距为5μm~50μm。
优选地，所述凸起为圆柱形，相邻凸起的圆心距为30μm ~100μm，所述凸起的直径为30μm ~100μm。
优选地，所述上料孔设置有四组，每组上料孔包括两个油孔及两个样品孔，所述上料孔上分别设置有油孔压力控制阀及样品孔压力控制阀。
优选地，所述压力调节装置压力调节范围为0 psi~10psi。
优选地，与所述液滴收集孔连接的管道直径为50μm ~300μm。
优选地，所述凸起截面为四边形或多边形。
优选地，所述压力调节装置压力调节范围为0 psi ~8psi。
优选地，与所述液滴收集孔连接的管道直径为100μm ~300μm。
本发明的有益效果体现在：1、能够对进入油孔和样品孔内的液体进行单独控制，从而调节和控制形成的液滴的大小；
2、对管道进行两两单独分组控制，进行选择性通道的启闭，不会造成能源的浪费；
3、通过添加过滤机构，避免了芯片管道内部的堵塞。
4、可以对通过控制油和样品孔内液体比例，进行在1:1~6:1范围内调节，实现在生产同样液滴数的情况下，可大大节省用油量。
附图说明
图1：本发明微流控芯片结构示意图。
图2：本发明的过滤机构结构示意图。
图3：本发明实施例一的液滴生成图。
图4：本发明实施例二的液滴生成图。
图5：本发明实施例三的液滴生成图。
图6：本发明实施例四的液滴生成图。
图7：本发明实施例五的液滴生成图。
图8：本发明实施例六的液滴生成图。
图9：本发明实施例七的液滴生成图。
具体实施方式
本发明揭示了一种可调节乳液形成的微流控芯片系统，结合图1-图2所示，包括微流控芯片及设置于芯片外的控制机构，所述微流控芯片上设置有上料孔及液滴收集孔。所述上料孔由油孔11及样品孔12组成，所述油孔11与样品孔12均通过相应管道与液滴收集孔联通，所述油孔与所述样品孔的入口端分别设置有压力调节装置。由于本发明中的微流控芯片使用环境及作用，所述压力调节装置压力调节范围为0 psi ~10psi。
本发明中，所述上料孔及液滴收集孔在平面上平行排布，所述上料孔设置有四组，每组上料孔包括两个油孔及两个样品孔，油孔和样品孔上分别设置有油孔压力控制阀及样品孔压力控制阀。相应的液滴收集孔设置有8个，分别为第一液滴收集孔1、第二液滴收集孔2、第三液滴收集孔3、第四液滴收集孔4、第五液滴收集孔5、第六液滴收集孔6、第七液滴收集孔7、第八液滴收集孔8，其中相邻的滴液收集孔依次两两为一组。本发明中，油孔压力调节阀分别为A、C、E、G。所述样品孔压力调节阀分别为B、D、F、H。油孔压力调节阀中的压力来自于压力源a，样品孔压力调节阀中的压力来自于压力源b。油孔压力调节阀A、样品孔压力调节阀B控制调节第一液滴收集孔1和第二液滴收集孔2。当用户有小于8个样品的时候，用户只需打开需要的阀门来产生液滴，不会对不用的通道产生浪费。比如，用户有两个样品，则只需要在微流控芯片上加载两个通道（第一液滴收集孔1和第二液滴收集孔2的通道）的样品和油，在产生液滴的操作中，打开油孔压力调节阀A、样品孔压力调节阀B。微流控芯片的后的通道以后还可以继续使用。
为了防止样品或油中的颗粒或纤维杂质进入微流孔的管道内将其堵塞，所述微流控芯片上还设置有过滤机构，所述过滤机构设置于所述样品孔与所述油孔的管道入口处。具体的，所述过滤机构由若干凸起并列成网状设置，且相邻凸起之间的间距为5μm~50μm。本发明中，所述凸起为圆柱形，当然也可以采用方形，菱形等其他形状。具体的间距及凸起直径大小根据需要过滤的颗粒大小以及加工工艺来确定。考虑到芯片生产的可行性，所述凸起的直径为30μm~100μm。相邻凸起13、14的圆心距为30μm~100μm。以上过滤机构可以有效地过滤掉30um以上的杂质。通过减小凸起之间的间距，也可以过滤更小尺寸的杂质。当微流控管道宽度设计在50um以上时，不会因为样品或油相试剂里的杂质造成管道的堵塞。通过该过滤机构也增加了实验的成功率和可重复性。
为更好的验证油滴用量体积与压力调节之间的关系，本发明进行了相关的验证测试，本发明进行了两组实验，每组实验中分别包括两个实施例。一组实验改变了油孔的输入压力，保持样品孔的压力不变；另一组实验是改变样品孔的压力，保持油孔的压力。在这两组实验中，分别如表1所示，对油孔内液体和样品孔内液体的比例以及液滴的大小进行测量，液滴生成图如图3~图6所示。表1中的液滴大小是在微流控管道中测量的，受微流控管道尺寸的限制（微流控管道的宽度和深度小于液滴的直径），液滴不是呈现球状，本测试中测量的液滴尺寸是也在管道方向拉伸变形后的长度，并不是液滴自由状态下的球体直径。油和样品孔内液滴的比例为通过测量样品孔内液滴的长度和油段的长度求算的比例。
表1；压力与油水相比例列表。
| 实施例 | 油相压力（psi） | 样品压力（psi） | 平均液滴直径尺寸(um) | 油与样品液体比例 |
| 1 | 3 | 2.5 | 164.75 | 3.0:1 |
| 2 | 3 | 3.0 | 168.63 | 2.2:1 |
| 3 | 4.5 | 3.0 | 141.18 | 3.6:1 |
| 4 | 4.5 | 4.5 | 144.76 | 2.0:1 |
以上实验结果表明，在被测试的微流控芯片设计中，液滴的大小对样品孔的输入压力（即样品的流速）并不敏感，调节样品孔的压力只是调节了水和液滴的比例。而油相的输入压力变化（油相的流速）可以同时调节液滴的大小和油与样品段液体的比例。如图3~图6所示，油与样品段液体长度比越大，液滴间的间距越大，液滴的体积越小。为更好的进行检测，将不同条件下产生的液滴收集，并将液滴放在一个自由的空间进行液滴大小的测量，观察测量结果如图7~图9所示，图7是在油相压力4.5psi，样品压力3.0psi条件下生成的液滴尺寸，该液滴的平均直径尺寸为100μm；图8是在油相压力3.5psi，样品压力2.5psi条件下生成的液滴尺寸，该液滴的平均直径尺寸为115μm；图9是在油相压力2.0psi，样品压力3.0psi条件下生成的液滴尺寸，该液滴的平均直径尺寸为130μm。结果表明，所示液滴之间的间距和油水压力比成正比例。
通过对油相和样品段输入的压力，使用本发明中的微流控芯片可以将油和液滴的比例调节到2:1，和市场上同类产品相比，在产生相同的液滴数的情况下，采用本发明中微流控芯片的用油量显著减少（市场上的标准的油和液滴比是3:1）, 具体实例来说： 在标准的基于乳液滴的PCR反应实验中，水相样品的用量为20微升，市场上竞争产品的需要用70微升油相试剂来生成乳液滴，本发明中所阐述的微流控芯片实现的多通道乳液生成系统只需要40微升油相试剂来生成同样数量的乳液滴。用油量减少了超过三分之一，给用户减少了测试样品的成品,所以此发明有很高的经济价值。
当然本发明尚有多种具体的实施方式，在此就不一一列举。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.可调节乳液形成的微流控芯片系统，其特征在于：包括微流控芯片及设置于芯片外的控制机构，所述微流控芯片上设置有上料孔及液滴收集孔，所述上料孔由油孔及样品孔组成，所述油孔与样品孔均通过相应管道与液滴收集孔联通，所述油孔与所述样品孔的入口端分别设置有压力调节装置。
2.如权利要求1所述的可调节乳液形成的微流控芯片系统，其特征在于：所述微流控芯片上还设置有过滤机构，所述过滤机构设置于所述样品孔与所述油孔的管道入口处。
3.如权利要求2所述的可调节乳液形成的微流控芯片系统，其特征在于：所述过滤机构由若干凸起并列成网状设置，且相邻凸起之间的间距为5μm ~50μm。
4.如权利要求3所述的可调节乳液形成的微流控芯片系统，其特征在于：所述凸起为圆柱形，相邻凸起的圆心距为30μm ~100μm，所述凸起的直径为30μm ~100μm。
5.如权利要求4所述的可调节乳液形成的微流控芯片系统，其特征在于：所述上料孔设置有四组，每组上料孔包括两个油孔及两个样品孔，所述上料孔上分别设置有油孔压力控制阀及样品孔压力控制阀。
6.如权利要求5所述的可调节乳液形成的微流控芯片系统，其特征在于：所述压力调节装置压力调节范围为0 psi ~10psi。
7.如权利要求6所述的可调节乳液形成的微流控芯片系统，其特征在于：与所述液滴收集孔连接的管道直径为50μm ~300μm。
8.如权利要求3所述的可调节乳液形成的微流控芯片系统，其特征在于：所述凸起截面为四边形或多边形。
9.如权利要求6所述的可调节乳液形成的微流控芯片系统，其特征在于：所述压力调节装置压力调节范围为0 psi ~8psi。
10.如权利要求7所述的可调节乳液形成的微流控芯片系统，其特征在于：与所述液滴收集孔连接的管道直径为100μm ~300μm。
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