CN108525715B - 微流道结构、微流控芯片和用于液滴定量包裹微球的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种微流道结构、微流控芯片和用于液滴定量包裹微球的方法，本发明公开了一种微流道结构，包括：气泡单元、微球聚焦单元和液滴单元，气相入口通入气相，连续相入口通往连续相，气相受到连续相非对称突扩流场的作用，气相被连续相剪切形成单分散气泡，由于气液两相表面张力远大于液液两相表面张力，微球悬浮液在与单分散气泡汇合时被剪切形成单分散的液滴，通过控制气相、连续相和样品液的流量，实现液滴定量包裹微球。该微流道结构简单，易于批量生产，由于气体与液体之间的表面张力大，使得液滴的生成更加便捷，扩宽了流体的选择范围，解决了现有的微流道结构和微球定量包裹的方法难以生成液滴的技术问题。

Description

微流道结构、微流控芯片和用于液滴定量包裹微球的方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种微流道结构、微流控芯片和用于液滴定量包裹微球的方法。

背景技术

微流控是一项在微小尺度下利用微尺度下流体的流动性质，控制流体流动的技术，使用各种主动或者被动的操作技术控制流体在芯片内部处于层流和低雷诺数的状态进而达到精确操控样品的目的。这种技术能够把材料、化学和生物等领域中所涉及到的一系列流程如样品制备、化学反应、分离、检测集成到只有几个平方厘米甚至更小的芯片上完成。

微流控技术生成液滴的方法可分为主动式和被动式两大类，主动式方法通过施加气压、电场等外力方法改变液体的自然流动特巧来产生微液滴，然而这种方法设备成本高，操作复杂，且外场作用力对微球的生物活性有不良影响；被动式方法通过改变微通道的几何形状与液相的流动特性控制液相流动产生微液滴，操作简单、无污染、制作成本低。

目前微流控技术中，采用被动迪恩流是聚焦微球最为有效的方式之一，这种方法能够将在微流道上紊乱分布的微球聚焦成等间距排布的队列，请参阅图1，为现有技术中涡旋聚焦弯道的结构及微球聚焦示意图。

将聚焦成等间距排布的微球队列包裹入单分散液滴，能够实现对微球定量包裹，但是被动式方法对连续相和分散相流体的表面张力有要求，若选用的两相流体间的表面张力过小，则难以生成液滴，为了实现微粒在液滴中定量包裹，若将液滴生成处的流动条件与前聚焦部分匹配，则限制了液滴的生成条件。

因此，提供一种微流道结构，使其能够在被动式液滴生成方法的基础上，有效地实现微粒在液滴中定量包裹，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种微流道结构、微流控芯片和用于液滴定量包裹微球的方法，解决了现有的微流道结构难以生成液滴的技术问题。

本发明公开了一种微流道结构，包括：气泡单元、微球聚焦单元和液滴单元；

所述气泡单元包括：气相入口、气相流道、连续相入口、连续相流道和两相流道；

所述气相流道第一端与所述气相入口连通，所述气相流道第二端与所述连续相流道第二端连通，且所述气相流道第二端与所述连续相第二端汇合于所述两相流道第一端；

所述连续相入口与所述连续相第一端连通；

所述微球聚焦单元包括：样品液入口和涡旋聚焦弯道；

所述涡旋聚焦弯道第一端与所述样品液入口连通；

所述液滴单元包括：四相流道和四相出口；

所述四相流道第一端与所述四相出口连接；

所述两相流道第二端与所述涡旋聚焦弯道第二端汇合于所述四相流道第二端。

优选地，所述两相流道、所述涡旋聚焦弯道和所述四相流道的横截面形状相同。

优选地，所述两相流道、所述涡旋聚焦弯道和所述四相流道的高度均为50μm～200μm，且所述高度一致。

优选地，所述两相流道长度为0.8cm～1cm。

优选地，所述涡旋聚焦弯道的总长度为200mm～1000mm；

相邻所述涡旋聚焦弯道的两流道的间距为200μm～400μm。

优选地，所述涡旋聚焦弯道的宽度为100μm～200μm；

所述涡旋聚焦弯道的小弯道的曲率半径为30mm～40mm。

本发明还公开了一种微流控芯片，其特征在于，包括：芯片本体和上述微流道结构；

所述样品液入口、所述气相入口、所述连续相入口和所述四相出口均开设在所述芯片本体的上表面。

优选地，所述芯片本体包括：基板和盖板；

所述基板上表面设置有所述微流道结构；

所述盖板覆盖在所述基板的上表面，且所述样品液入口、所述气相入口、所述连续相入口和所述四相出口设置于所述盖板上。

本发明还提供了一种用于液滴定量包裹微球的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101：控制气相与连续相的流量，使得所述气相在所述气相与所述连续相汇合时被剪切成单分散气泡；

S102：控制样品液流量，使得微球悬浮液在所述单个分散气泡与所述微球悬浮液的汇合处被剪切成单分散液滴。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明的微流道结构和用于液滴定量包裹微球的方法，在被动式液滴生成方法的基础上，气相入口通入气相，连续相入口通入连续相，气相受到连续相非对称突扩流场的作用，气相被连续相剪切形成间分散气泡，由于气液两相界面张力远远大于液液两相的界面张力，因此，用单分散气泡剪切分散相流体的方法更容易形成单分散液滴，而且扩宽了流体的选择范围。经过迪恩流聚焦的微球队列间距值均一致高，且通过调节气相和连续相流量，可精确控制生成的气泡和液滴的大小，实现精准可控微球包裹。在微球聚焦单元中，整个操作过程中均是通过流体力学原理对微球进行操纵聚焦，不会对微球的生理活性和功能状态等产生不利影响，有助于提高检测的准确性，另外，涡旋聚焦弯道可实现每秒钟输出数百颗等间距排布的微球，单位时间微球的产量高。本发明的微流控芯片，整个芯片面积仅为几立方厘米，所需试剂仅为微升级别，试剂消耗量小。本发明微流道结构和微流控芯片的结构简单，易于批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有技术中涡旋聚焦弯道的结构及微球聚焦示意图；

图2为本发明实施例提供的微流道结构示意图；

图3为本发明实施例提供的单分散气泡和定量包裹微球单分散液滴的生成原理示意图；

图4为本发明实施例提供的微流控芯片结构示意图；

图5为本发明实施例提供的用于液滴定量包裹微球的方法的流程示意图；

其中，附图标记如下：

100、气泡单元；101、气相入口；102、连续相入口；103、气相流道；104、连续相流道；105、两相流道；200、微球聚焦单元；201、样品液入口；202、涡旋聚焦弯道；300、液滴单元；301、四相流道；302、四相出口；41、气相；42、连续相；43、气泡；44、微球队列；45、单分散液滴；51、第一输送泵；52、第二输送泵；53、第三输送泵；54、提取装置；55、基板；56、盖板。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种微流道结构、微流控芯片和用于液滴定量包裹微球的方法，解决了现有的微流道结构难以生成液滴的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，本发明实施例提供的微流道结构示意图。

本发明实施例提供了一种微流道结构，包括：气泡单元100、微球聚焦单元200和液滴单元300；

气泡单元100包括：气相入口101、气相流道103、连续相入口102、连续相流道104和两相流道105，气相流道103第一端与气相入口101连通，气相流道103第二端与连续相流道104第二端连通，且气相流道103第二端与连续相流道104第二端汇合于两相流道105第一端，连续相入口102与连续相42第一端连通。

气相入口101用于外接惰性气体，连续相入口102用于外接油液体。

两相流道105为气液两相流道105。

需要说明的是，连续相流道104第二端和气相流道103第二端需要以一定角度汇合于两相流道105第一端，使得气相41和连续相42在同一位点汇合时，气相41能受到连续相42非对称突扩流场的作用，气相41在汇合点下游被剪切形成单分散气泡43进入两相流道105。

本发明实施例中，连续相流道104与气相流道103呈90°相交。

微球聚焦单元200包括：样品液入口201和涡旋聚焦弯道202，涡旋聚焦弯道202第一端与样品液入口201连通。

样品液入口201用于外接微球悬浮液，为了保持微球悬浮液浓度均匀，可以对微球悬浮液持续采用磁力搅拌或振荡的方法。

需要说明的是，微球在涡旋聚焦弯道202中受到惯性升力和迪恩拖曳力的共同作用，在微流道内的固定位置形成等间距排列的直线微球队列44微球聚焦单元200为现有技术，此处不做赘述。

液滴单元300包括：四相流道301和四相出口302，四相流道301第一端与四相出口302连接，两相流道105第二端与涡旋聚焦弯道202第二端汇合于四相流道301第二端。

需要说明的是，现有技术中，连续相42和分散相均为液体，而液液两相表面张力过小，难以生成液滴。而本发明中，连续相42为液体，分散相为分别为气相41入口101的气体和微球悬浮液，两相流道105第二端与涡旋聚焦弯道202第二端呈一定角度汇合于四相流道301第二端，使得微球队列44悬浮液和气泡43经过涡旋聚焦弯道202和两相流道105在同一位点汇合时，由于气液两相表面张力远大于液液两相表面张力，微球悬浮液在汇合点下游侧被剪切形成单分散的液滴，由于微球队列44是等间距排布的，故每个单分散液滴45中包裹的微球数是一致的。其中，微球悬浮液为液固两相。该微流道结构，使其能够在被动式液滴生成方法的基础上，扩大连续相42溶液的选择范围和分散相实验流量范围。

本发明实施例中，气相流道103、两相流道105和四相流道301连接呈一条直线，涡旋聚焦弯道202与四相流道301呈90°相交。

本发明实施例中，所有的流道高度一致。

以上是对本发明实施例提供的一种微流道结构一个实施例进行的详细的描述，以下对本发明实施例提供的一种微流道结构的另一个实施例进行详细的描述。

两相流道105、涡旋聚焦弯道202和四相流道301的横截面形状相同。

三种流道的横截面的形状可以为矩形、圆形或椭圆形，此处对三种流道的横截面不做具体限定。

进一步地，两相流道105、涡旋聚焦弯道202和四相流道301的高度均为50μm～200μm，且高度一致。

进一步地，两相流道105长度为0.8cm～1cm。

进一步地，连续相流道104的宽度为50μm～100μm。

进一步地，涡旋聚焦弯道202的总长度为200mm～1000mm；

相邻涡旋聚焦弯道202的两流道的间距为200μm～400μm。

进一步地，涡旋聚焦弯道202的宽度为100μm～200μm；

涡旋聚焦弯道202的小弯道的曲率半径为30mm～40mm。

其中，涡旋流道的宽度是一致的，流道宽度指的就是任意处垂直于流道弯曲方向切线处上的流道横截面上的宽度。

以上是对本发明实施例提供的一种微流道结构的一个实施例进行地详细的描述，以下对本发明实施例提供的一种微流控芯片的一个实施例进行详细的描述。

请参阅图4，本发明实施例提供的微流控芯片结构示意图。

本发明实施例提供了一种微流控芯片，包括：芯片本体和微流道结构，微流道结构设置在芯片本体内，样品液入口201、气相入口101、连续相入口102以及四相出口302均开设在芯片本体的上表面。

为了保证上述微流控芯片装置的各入口及出口压力的连贯及一致，从而获得稳定的聚焦效果，在本发明实施例中，微流控芯片还包括输送装置和提取装置54，输送装置包括与气相入口101连通的第一输送泵51，连续相入口102连通的第二输送泵52以及与样品液入口201连通的第三输送泵53，提取装置54与四相出口302连通，通过上述的输送装置和提取装置54能够以恒定的速度输入或提取微流控芯片中的流体，从而使微流控芯片中的流体的压力及流速保持恒定。

以上是对本发明实施例提供的一种微流控芯片的一个实施例进行详细的描述，以下对本发明实施例提供的一种微流控芯片的一个实施例进行详细的描述。

芯片本体包括：基板55和盖板56，基板55上表面设置有微流道结构，盖板56覆盖在基板55的上表面，样品液入口201、气相入口101、连续相入口102以及四相出口302设置于盖板56上。

以上是对本发明实施例提供的一种微流控的一个实施例进行地详细地描述，以下对本发明实施例提供的一种用于液滴定量包裹微球的方法的一个实施例进行详细地描述。

请参阅图3，本发明实施例提供的单分散气泡43和定量包裹微球单分散液滴45的生成原理示意图。

请参阅图5，本发明实施例提供的用于液滴定量包裹微球的方法的流程示意图。

本发明实施例提供了一种用于液滴定量包裹微球的方法，包括以下步骤：

S101：控制气相41与连续相42的流量，使得气相41在气相41与连续相42汇合时被剪切成单分散气泡43；

S102：控制样品液流量，使得微球悬浮液在单个分散气泡43与微球悬浮液的汇合处被剪切成单分散液滴45。

需要说明的是，单分散液滴45经由四相流道301下游的四相出口302，通过收集装置收集所制备的单分散液滴45和单分散气泡43，对收集装置中的四相流体抽真空或者将四相流体静置一定时间，使气泡43和液体实现分离。

本发明实施例中，气相41选自氮气或惰性气体，连续相42为油液体，例如，气相41为氮气，连续相42为石蜡。

为了保证单分散气泡43生成效果，气相41与连续相42流量比值范围为0.2～2.0。

为了保证聚焦效果，应当保证样品液中的微球粒径与涡旋流道之比不大于0.4，且样品液中颗粒粒径分布范围应小于颗粒平均粒径的10％。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种微流道结构，其特征在于，包括：气泡单元、微球聚焦单元和液滴单元；

所述气泡单元包括：气相入口、气相流道、连续相入口、连续相流道和两相流道；

所述气相流道第一端与所述气相入口连通，所述气相流道第二端与所述连续相流道第二端连通，且所述气相流道第二端与所述连续相流道第二端汇合于所述两相流道第一端；

所述连续相入口与所述连续相第一端连通；

所述微球聚焦单元包括：样品液入口和涡旋聚焦弯道；

所述涡旋聚焦弯道第一端与所述样品液入口连通；

所述液滴单元包括：四相流道和四相出口；

所述四相流道第一端与所述四相出口连接；

所述两相流道第二端与所述涡旋聚焦弯道第二端汇合于所述四相流道第二端；

所述两相流道、所述涡旋聚焦弯道和所述四相流道的横截面形状相同；

所述连续相流道与气相流道呈90°相交；

所述气相流道、所述两相流道和所述四相流道连接呈一条直线，所述涡旋聚焦弯道与所述四相流道呈90°相交；

两相流道、涡旋聚焦弯道和四相流道的高度一致；

气相流道中气相与连续相流道中连续相流量比值范围为0.2～2.0。

2.根据权利要求1所述的微流道结构，其特征在于，所述两相流道、所述涡旋聚焦弯道和所述四相流道的高度均为50μm~200μm。

3.根据权利要求1所述的微流道结构，其特征在于，所述两相流道长度为0.8 cm ~1cm。

4.根据权利要求1所述的微流道结构，其特征在于，所述连续相流道的宽度为50μm~100μm。

5.根据权利要求1所述的微流道结构，其特征在于，所述涡旋聚焦弯道的总长度为200mm~1000mm；

相邻所述涡旋聚焦弯道的两流道的间距为200μm~400μm。

6.根据权利要求1所述的微流道结构，其特征在于，所述涡旋聚焦弯道的宽度为100μm~200μm；

所述涡旋聚焦弯道的小弯道的曲率半径为30mm~40mm。

7.一种微流控芯片，其特征在于，包括：芯片本体和权利要求1至6任意一项所述的微流道结构；

所述样品液入口、所述气相入口、所述连续相入口和所述四相出口均开设在所述芯片本体的上表面。

8.根据权利要求7所述的微流控芯片，其特征在于，所述芯片本体包括：基板和盖板；

所述基板上表面设置有所述微流道结构；

所述盖板覆盖在所述基板的上表面，且所述样品液入口、所述气相入口、所述连续相入口和所述四相出口开设于所述盖板上。

9.一种权利要求7或8所述的微流控芯片应用于液滴定量包裹微球的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101：控制气相与连续相的流量，使得所述气相在所述气相与所述连续相汇合时被剪切成单分散气泡；

S102：控制样品液流量，使得微球悬浮液在所述单分散气泡与所述微球悬浮液的汇合处被剪切成单分散液滴。