CN109225362A - 一种离心式液滴微流控芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离心式液滴微流控芯片，其包括：一基片以及一安装在该基片上的盖片，所述盖片包括：一油相储存腔；一水相储存腔；一与所述油相储存腔和所述水相储存腔相连的液滴生成结构；以及一与所述液滴生成结构相连并设有至少一个储油结构的液滴储存腔，所述储油结构具有至少一开口；其中，所述油相储存腔和水相储存腔距离所述离心轴的距离小于所述液滴储存腔距离所述离心轴的距离。本发明通过储油结构，调节降低了平均分散相分数，提高了液滴稳定性，保证了离心力芯片中液滴在储存及加热过程中不发生融合，使该芯片在生物、化学、医疗诊断等研究应用领域具有广泛的应用价值。

Description

一种离心式液滴微流控芯片
技术领域
本发明涉及一种微流控芯片，尤其涉及一种离心式液滴微流控芯片。
背景技术
在微流控技术领域，离心力驱动受到了广泛关注，主要是因为：(1)不需要外接泵，使得成本降低以及设备便携性提高；(2)可以在离心力微流控芯片上实现并行检测，大大提高了检测效率；(3)利用油水密度差，可以达到致密排布液滴的目的，有效提高结构的空间利用率与结果读取的简便性。
目前所研究的离心式液滴微流控芯片，如申请号为201710855088.9、201610069321.6等中国专利申请中公开的离心式液滴微流控芯片，均借助离心力生成液滴。然而，在实际过程中，在离心力作用下，(1)由于油水两相的密度差异，导致液滴储存腔中的油水相在离心过程中不断分层，液滴间的油相与表面活性剂损失越来越多(可类比：洗衣机脱水的过程)，并且随着液滴数目的增多，堆积在下层的液滴变形也越来越严重，液滴之间的油膜越来越薄，平均分散相分数增加，进而使得液滴的稳定性变差；(2)微流控芯片材料的亲油性与多孔性，会在一定程度上吸收油相；(3)由于化学反应或者医疗诊断(如聚合酶链式反应、环介导等温扩增反应)的需求，液滴往往需要经历一定程度的加热过程，温度的升高使得液滴自身能量升高，处于更加不稳定的状态；这些因素都会造成离心式微流控芯片中液滴的稳定性变差，最终有很大可能发生液滴间的融合，造成结果统计的不便与不准确，最终导致实验的失败。
因此，如何提供一种离心式微流控芯片，以保证液滴的稳定储存，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种离心式液滴微流控芯片，以保证液滴的稳定储存。
本发明所述的一种离心式液滴微流控芯片，其用于绕一离心轴做离心运动，该芯片包括：一基片以及一安装在该基片上的盖片，所述盖片包括：
一油相储存腔；
一水相储存腔；
一与所述油相储存腔和所述水相储存腔相连的液滴生成结构；以及
一与所述液滴生成结构相连并设有至少一个储油结构的液滴储存腔，所述储油结构有至少一开口，且当所述油相储存腔中油相的密度大于所述水相储存腔中水相的密度时，所述开口朝向所述离心轴敞开，当所述油相的密度小于所述水相的密度时，所述开口背向所述离心轴敞开；
其中，所述油相储存腔和水相储存腔距离所述离心轴的距离小于所述液滴储存腔距离所述离心轴的距离。
在上述的离心式液滴微流控芯片中，所述油相储存腔设有一油相进样口和一油相通气孔；所述水相储存腔设有一水相进样口和一水相通气孔；所述液滴储存腔设有一油相填充口、一油相排出口以及两个密封口。
在上述的离心式液滴微流控芯片中，所述储油结构包括：一具有所述开口的半圆环柱，或者一具有所述开口的U形柱。
在上述的离心式液滴微流控芯片中，所述储油结构包括：一矩形柱，其位于所述半圆环柱或U形柱的两侧边缘所在的平面上，且所述半圆环柱或U形柱的两侧边缘分别与所述矩形柱的与之相对的两侧边缘之间形成有通道。
在上述的离心式液滴微流控芯片中，所述液滴生成结构为T型结构或流动聚焦型结构。
在上述的离心式液滴微流控芯片中，所述油相储存腔和水相储存腔的容积为10μL-100μL。
在上述的离心式液滴微流控芯片中，所述储油结构的容积为2nL-0.2μL。
在上述的离心式液滴微流控芯片中，所述基片和盖片通过等离子体处理键合、热键合、超声键合或双面胶贴合工艺安装在一起。
在上述的离心式液滴微流控芯片中，所述芯片的材料为玻璃、硅、石英、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷之中的至少一种。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明利用集成在液滴储存腔中的储油结构，事先在其中填充油相；液滴在离心力作用下，不断在液滴储存腔中堆积，但是由于储油结构可以在离心运动中对液滴储存腔中的油相相对运动起到阻拦作用，因此液滴并不会进入储油结构内，由此并不影响原先保存在储油结构中的油相量。在离心式芯片的静止过程中，储油结构中的油相通过通道释放出来，使得储油结构周围的液滴间油膜增厚，平均分散相分数(用以表征液滴的拥挤程度，计算方法为分散相(即液滴)体积/区域总体积)减小，增加液滴的稳定性。
附图说明
图1是本发明一种离心式液滴微流控芯片的结构示意图；
图2是本发明中盖片的结构示意图；
图3a是本发明中液滴储存腔与储油结构的一种实施例的示意图；
图3b是本发明中液滴储存腔与储油结构的另一种实施例的示意图；
图4是本发明实施例中液滴生成结构示意图；
图5是本发明实施例中液滴产生结果示意图；
图6是本发明实施例中液滴静置后储油结构发挥作用的示意图；
图7是本发明实施例的明场结果示意图；
图8是本发明实施例的荧光结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1-3a、3b所示，本发明，即一种离心式液滴微流控芯片，其用于绕离心轴O做离心运动，该芯片包括：基片A和安装在基片A上的盖片B，其中，盖片B包括：
油相储存腔1，其具有：油相进样口8和油相通气孔9；
水相储存腔2，其具有：水相进样口10和水相通气孔11；
液滴生成结构7，其通过第一微流沟道5与油相储存腔1相连，并通过第二微流沟道6与水相储存腔2相连；以及
设有至少一个储油结构4的液滴储存腔3，其与液滴生成结构7相连，并且还具有：油相填充口12、油相排出口14以及两个分别用于实现油相填充口12、油相排出口14的密封的密封口13，其中，储油结构4具有至少一开口，且当油相储存腔1中油相的密度大于水相储存腔2中水相的密度时，该开口朝向离心轴O敞开，当油相的密度小于水相的密度时，该开口背向离心轴O敞开；
其中，油相储存腔1和水相储存腔2距离离心轴O的距离小于液滴储存腔3距离离心轴O的距离，从而使得油相和水相可以在离心力作用下存在远离离心轴O的运动趋势，从而生成液滴进入液滴储存腔3。
在本实施例中，多个储油结构4可以交错排列，且各储油结构4之间之间的间距保持一致，从而可以使整个液滴储存腔3中的液滴最终分散效果相当，并且交错排列有利于一开始油相在液滴储存腔3中由于表面张力而自发浸润。
如图3a所示，在本实施例中，每个储油结构4包括：具有开口的半圆环柱41以及矩形柱42，其中，矩形柱42位于半圆环柱41的两侧边缘所在的平面上，且半圆环柱41的两侧边缘分别与矩形柱42的与之相对的两侧边缘之间形成有通道40。如图3b所示，在另一个实施例中，每个储油结构4可以包括：具有开口的U形柱41’；当然，该实施例中也可以包括如图3a中所示的矩形柱。需要注意的是：(1)储油结构的形状并不仅限于半圆环柱或者U形柱，在此基础上将储油结构简单变形(如，椭圆环柱，三角形环柱，梯形环柱等)均在本发明的保护范围内；(2)在储油结构中增加矩形柱是为了在芯片做离心运动时液滴不会进入储油结构而影响储油效率，但是如果将储油结构做的足够深，那么进入的液滴将不会对储存的油相量有较大影响，因此矩形柱的存在可视储油结构的大小与形状而定，并不是必须的。
在本实施例中，油相储存腔1和水相储存腔2的容积为10μL-100μL；液滴生成结构7可以为常用的液滴生成结构，如：T型结构、流动聚焦型结构等；储油结构4的容积为2nL-0.2μL。
在本实施例中，基片A与盖片B通过微流控常用技术，如等离子体处理键合、热键合、超声键合以及双面胶贴合等工艺组装而成。另外，本发明的离心式液滴微流控芯片的材料为玻璃、硅、石英、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷之中的至少一种。
本发明的工作原理如下：
在实验前预先通过油相填充口12在液滴储存腔3中填充油相，且油相在填充满液滴储存腔3之后从油相排出口14溢出(另外，通过油相排出口14可以填充液滴储存腔3的左下角而防止油相填充不充分；而在后续的离心过程中，油相填充口12可同时作为液滴储存腔3的通气孔，平衡内外大气压，以确保芯片内液体的正常流动)；当芯片绕离心轴O旋转时，在离心力所产生的压强差的作用下，油相储存腔1中的油相和水相储存腔2中的水相汇聚在液滴生成结构7中产生液滴，并在离心力作用下，液滴不断流入液滴储存腔3中堆积，然而，在此过程中，假设油相的密度小于水相的密度，那么由于储油结构4的开口背对离心轴O敞开，因此，液滴不会进入储油结构4中，从而不会影响原先保存在储油结构4中的油相量；当芯片停止旋转后，储油结构4中的油相通过开口释放出来，从而使得储油结构4周围的液滴间油膜增厚，平均分散相分数减小，进而提高了液滴的稳定性。
下面通过本发明离心式液滴微流控芯片检测支原体的实验，对本发明进行进一步说明。
1、芯片制作
(1)制备具有微结构的硅片模具：根据设计的芯片结构，利用AutoCAD软件绘制出所需的图形，制作胶片掩膜版；以四寸单晶硅片为衬底，通过光刻，刻蚀出高度为30微米的第一、第二微流沟道5、6、液滴生成结构7与包含储油结构4的液滴储存腔3等第一层结构，然后通过双层光刻，进一步刻蚀出高度为2mm的油相储存腔1、水相储存腔2，从而得到整体芯片的硅片模具；其中，液滴储存腔3(如图3)的长×宽×高尺寸为6000μm×9000μm×30μm，理论上可以容纳直径为30μm的液滴约60000个；并且每个储油结构4(如图3a)由半圆环柱41(柱宽为50μm，高度为30μm，内圆半径为400μm)和矩形柱42(柱宽为50μm，高度为30μm，长度为700μm)组成，且半圆环柱41和矩形柱42之间形成2个宽度为50μm的通道40(通道40背对离心轴O敞开)，每个储油结构4的上下间距为550μm，左右间距为350μm，且左右列之间呈交错排列。
(2)在硅片模具上制备PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅烷)盖片：①在硅片表面沉积一层有机物：将硅片模具和装有10μL氟硅烷的敞口离心管置于真空干燥箱中，抽真空至0.8psi到1psi范围的负压，使氟硅烷汽化，模具在氟硅烷蒸汽中静置5-6小时；在通风处，将干燥箱打开，通风1小时后，将硅片取出。这一步的目的是在硅片表面沉积一层有机物，便于后续离心式液滴微流控芯片的制作；②在硅片模具上浇注PDMS，加热固化，剥离PDMS并打孔：按照重量比10：1分别称量PDMS预聚物和固化剂，然后混合并搅拌均匀，置于真空干燥箱中抽真空，静置30min；待PDMS基本没有气泡后，将其浇注在硅片模具上，静置30min，然后，将其放入烘箱加热2小时；该烘箱温度设定在55℃到90℃之间，优选为65℃；最后将固化好的PDMS层从模具上剥离下来；使用打孔机在油相进样口8、油相通气孔9、水相进样口10、水相通气孔11、油相填充口12、油相排出口14、密封口13处对该PDMS层打孔。
(3)玻璃基片A和PDMS盖片B和贴合在一起：将玻璃基片A和PDMS盖片B放入等离子清洗机中清洗45s，玻璃基片A和PDMS盖片B同时置于空气等离子体中发生改性，取出后迅速贴合在一起，实现不可逆的封接，至此完成了离心式液滴微流控芯片的制作。
需要注意的是，此处芯片制备工艺仅是说明性的，还应该理解：本发明的还可以通过其他注塑或微加工工艺制备。
2、配置LAMP(Loop-mediated isothermal amplification，环介导等温扩增反应)反应液
使用上海易色医疗科技有限公司的《一步法恒温支原体检测试剂盒》进行配置：将溶液1和溶液3从-20℃冰箱中取出，室温融化后，开盖之前，甩动溶液1的离心管将管壁溶液甩到管底，而溶液3必须高速离心(5000rpm，离心1分钟)一下，吹吸均匀后(注：溶液1和溶液3都必须吹吸均匀)，按表1进行反应体系的配制：
表1：恒温反应体系的配制
项目 添加体积
溶液1 23μL
溶液2 1μL
溶液3 0.18μL
将上述配制好的恒温反应体系，吹打均匀后，再加入1μL阳性支原体DNA。
3、样品进样与液滴生成
在注入样品与油相之前，需要先通过液滴储存腔3中的油相填充口12，预先对液滴储存腔3进行填充油相，油相排出口14的存在可以保证液滴储存腔3和储油结构4中都充满油相。
随后，将配置好的LAMP反应液放入水相进样口10，矿物油放入油相进样口8，将芯片固定在离心平台，调整转速1500转/分钟，利用液滴生成结构7开始产生液滴(如图4)。
待液滴充满液滴储存腔3(如图5)，即可停止离心，并且利用液滴储存腔3的油相填充口12、油相排出口14，注入石蜡油，当石蜡油从相邻的密封口13中漫出少许即相当于完成了对液滴储存腔3的密封。同理，对水相储存腔2与油相储存腔1进行相同的密封处理，保证整个芯片的密封效果。
室温静置芯片10分钟，储油结构4中的油相自发地充分释放出来(如图6)，补充液滴间损失的油相和表面活性剂，降低了平均分散相分数，提高液滴的稳定性之后，再将芯片放入原位仪进行反应。
4、结果观察
LAMP反应结束后，取出芯片直接置于显微镜下观察结果(如图7、8)。从图片中可以看出得到密封的液滴的均一性较高，且在显微镜视野下一次可以分析多个液滴。
尽管LAMP是本实施例中所使用的扩增方法，但是应该理解，使用引物的任何扩增方法都可能是合适的。这类合适的过程包括聚合酶链反应(PCR)；链置换扩增(SDA)；核酸序列基扩增(NASBA)；级联滚环扩增(CRCA)；DNA的环介导等温扩增(LAMP)；核酸的等温和嵌合体(chimeric)引物起始扩增(ICAN)；基于靶的依赖解旋酶的扩增(HDA)；转录介导扩增(TMA)等。因此，当使用术语LAMP时，应该理解包括其他替代性扩增方法。应该理解，可能需要相应地调整规程。
综上所述，本发明通过储油结构，调节降低了平均分散相分数，提高了液滴稳定性，保证了离心力芯片中液滴在储存及加热过程中不发生融合，还可以在一定程度上恢复液滴的形变，提高液滴的辨识度，方便实验结果的统计，提高统计结果的准确性，使该芯片在生物、化学、医疗诊断等研究应用领域具有广泛的应用价值。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种离心式液滴微流控芯片，其用于绕一离心轴做离心运动，该芯片包括：一基片以及一安装在该基片上的盖片，其特征在于，所述盖片包括：
一油相储存腔；
一水相储存腔；
一与所述油相储存腔和所述水相储存腔相连的液滴生成结构；以及
一与所述液滴生成结构相连并设有至少一个储油结构的液滴储存腔，所述储油结构具有至少一开口，且当所述油相储存腔中油相的密度大于所述水相储存腔中水相的密度时，所述开口朝向所述离心轴敞开，当所述油相的密度小于所述水相的密度时，所述开口背向所述离心轴敞开；
其中，所述油相储存腔和水相储存腔距离所述离心轴的距离小于所述液滴储存腔距离所述离心轴的距离。
2.根据权利要求1所述的离心式液滴微流控芯片，其特征在于，所述油相储存腔设有一油相进样口和一油相通气孔；所述水相储存腔设有一水相进样口和一水相通气孔；所述液滴储存腔设有一油相填充口、一油相排出口以及两个密封口。
3.根据权利要求1所述的离心式液滴微流控芯片，其特征在于，所述储油结构包括：一具有所述开口的半圆环柱，或者一具有所述开口的U形柱。
4.根据权利要求3所述的离心式液滴微流控芯片，其特征在于，所述储油结构包括：一矩形柱，其位于所述半圆环柱或U形柱的两侧边缘所在的平面上，且所述半圆环柱或U形柱的两侧边缘分别与所述矩形柱的与之相对的两侧边缘之间形成有通道。
5.根据权利要求1所述的离心式液滴微流控芯片，其特征在于，所述液滴生成结构为T型结构或流动聚焦型结构。
6.根据权利要求1所述的离心式液滴微流控芯片，其特征在于，所述油相储存腔和水相储存腔的容积为10μL-100μL。
7.根据权利要求1所述的离心式液滴微流控芯片，其特征在于，所述储油结构的容积为2nL-0.2μL。
8.根据权利要求1所述的离心式液滴微流控芯片，其特征在于，所述基片和盖片通过等离子体处理键合、热键合、超声键合或双面胶贴合工艺安装在一起。
9.根据权利要求1所述的离心式液滴微流控芯片，其特征在于，所述芯片的材料为玻璃、硅、石英、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷之中的至少一种。
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