CN109746061A - 微液滴生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微液滴生成装置，所述微液滴生成装置包括水平方向布置的二个连续相管道和一个垂直方向布置的离散相管道，每个所述连续相管道依次包括均一连续相主管道、逐渐变窄的连续相缓冲管道和均一连续相微液滴生成管道，所述离散相管道依次包括均一离散相主管道、离散相缓冲管道和均一离散相微液滴生成管道。该装置减少两相液体中的气泡在主管道与流动聚焦管道的十字结构之间堆积，从而可靠生成均一的微米量级微液滴。
Description
技术领域
本发明涉及微液滴数字PCR技术领域，具体涉及一种微液滴生成装置。
背景技术
微液滴数字PCR技术(droplet digital PCR，ddPCR)是一种基于单分子PCR的核酸绝对定量分析技术。微液滴数字PCR技术以其高灵敏度、高准确性的优势正成为业界下一个革命性技术。近几年来，随着微纳米制造技术和微流体技术(micro-nanofabrication andmicrofluidics)的发展，微液滴数字PCR技术遇到了突破技术瓶颈的最佳契机。该技术借助微流控芯片，生成直径为数微米到数百微米的液滴；微液滴包裹单分子或单细胞，达到反应与检测全封闭，全集成。微液滴数字PCR系统工作原理是：首先通过特殊的微液滴生成仪将待测样品均分到大量纳升级(直径为数微米到数百微米)的“油包水”微液滴中，微液滴的数量在百万级别。由于微液滴数量足够多，微液滴之间被油层相互隔离，因此每个微液滴相当于一个“微型反应器”，微液滴中只含有待测样品的DNA单分子；然后，针对这些微液滴分别进行PCR扩增反应，并通过微液滴分析仪逐个对液滴的荧光信号进行检测，有荧光信号的微滴判读为1，没有荧光信号的微滴判读为0。最后，根据泊松分布原理及阳性微滴的个数与比例即可得出待测样品的目标DNA分子数目，实现对核酸样本的绝对定量。
微液滴PCR技术的一个核心器件是微液滴生成装置。为了满足临床检验的需求，微液滴生成装置需要具备以下特点：可靠生成均一的微米量级“油包水”和/或“水包油”微液滴。如图1所示，微液滴生成结构设计可以分成三种形式：同轴流动、交叉流动和流动聚焦。三种结构中，流动聚焦式流道最为复杂，但其有效几何结构可以通过离散相(“水相”样品)和连续相(“油相”样品)的流量进行调节,因而在控制液滴大小上有很大的灵活性。流动聚焦式流道的液滴生成频率可以达到每秒上千，液滴尺寸20微米以下。
一个典型流动聚焦式流道中的“油包水”微液滴生成过程如图2所示：“油相”样品在外界气压作用下，从水平方向流入微米级别管道；“水相”样品在外界气压作用下，从垂直方向流入微米级别管道。两种不相溶的液体在“十字”微流体结构处交汇。由于“油相”样品和“水相”样品的液体表面张力差和外加压力所产生的剪切力，“水相”样品在十字结构处被“油相”样品从连续相分割为离散的微液滴。微液滴为“油包水”的形式，外部是“油相”样品。
微液滴的尺寸一般小于100微米，因此流动聚焦管道的宽度与微液滴尺寸相当，也在100微米左右。实际应用中，两相液体从进样口到流动聚焦管道的十字结构，还需要流经一段主管道。主管道的宽度一般远大于100微米(例如200微米～500微米)，目的是降低流体运动的流阻。主管道与流动聚焦管道的十字结构由于尺寸不匹配，二者之间会有一段缓冲流道。两相溶液中存在的气泡经常堆积在微流道的间隙，影响微液滴的正常形成。优化设计的缓冲管道，减小气泡对液滴生成的影响，是可靠生成均一的微米量级“油包水”和/或“水包油”微液滴的关键因素。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种优化的微液滴生成装置，该装置减少两相液体中的气泡在主管道与流动聚焦管道的十字结构之间堆积，从而可靠生成均一的微米量级“油包水”和/或“水包油”微液滴。
在一种实施方式中，本发明提供一种微液滴生成装置，所述微液滴生成装置包括水平方向布置的二个连续相管道和一个垂直方向布置的离散相管道，每个所述连续相管道依次包括均一连续相主管道、逐渐变窄的连续相缓冲管道和均一连续相微液滴生成管道，所述离散相管道依次包括均一离散相主管道、离散相缓冲管道和均一离散相液滴生成管道；所述连续相微液滴生成管道和所述离散相液滴生成管道形成十字交叉结构用于微液滴的生成；所述连续相主管道宽度是连续相微液滴生成管道宽度的至少1.5倍和所述离散相主管道宽度是所述离散相液滴生成管道的至少1.5倍。均一连续相主管道、均一微液滴生成管道、均一离散相主管道和均一离散相液滴生成管道主要是指管道横截面尺寸大小一致，当然也可以选择使用不均一管道，只是加工工艺更复杂，效果也较差。
在一种实施方式中，所述连续相缓冲管道为一段连续相缓冲管道，和/或所述离散相缓冲管道为一段离散相缓冲管道。也就是说，连续相缓冲管道和离散相缓冲管道为一段，这样加工更方便，成本更低；当然，也可以选择将连续相缓冲管道和离散相缓冲管道分别设为多段进行缓冲，这样加工更复杂，控制起来难度更高。
在一种实施方式中，所述连续相主管道宽度和/或所述离散相主管道宽度大于100μm，例如为100、150、200、250、300、350、400、500、550、600、700、800、900、1000μm等等，优选为150-500μm；和所述连续相微液滴生成管道宽度和/或所述离散相液滴生成管道宽度小于100μm，例如为5、10、20、30、40、50、60、70、80、90和100μm等等；优选为10-100μm。
在一种实施方式中，连接的所述连续相缓冲管道的外壁和所述连续相微液滴生成管道的外壁之间形成外夹角为钝角；和连接的所述离散相缓冲管道的外壁和所述离散相微液滴生成管道的外壁之间形成外夹角为钝角。如果上述角度等于或者小于90度，可能会有气体残留在边缘死体积。原因是由于气体易压缩，这种气体残留会导致液滴生成不稳定。
在一种实施方式中，连接的所述连续相缓冲管道的外壁和所述连续相微液滴生成管道的外壁之间形成外夹角角度介于120-150度；和连接的所述离散相缓冲管道的外壁和所述离散相微液滴生成管道的外壁之间形成外夹角角度介于120-150度。在这个角度范围液滴生成更稳定和更利于装置脱模加工。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是三种微液滴生成结构原理示意图；
图2是“十字结构”的微液滴生成装置示意图；和
图3是图3本发明微液滴生成装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术领域人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
如图3所示为本发明的微液滴生成装置结构示意图，该微液滴生成装置包括水平方向布置的二个油相管道1和一个垂直方向布置的水相管道2，每个所述油相管道1依次包括油相主管道11、油相缓冲管道12和油相微液滴生成管道13，水相管道2依次包括水相主管道21、水相缓冲管道22和水相液滴生成管道23；油相微液滴生成管道13和水相液滴生成管道23形成十字交叉结构用于微液滴的生成。油相主管道11宽度是油相微液滴生成管道宽度13至少二倍和水相主管21道宽度是水相液滴生成管道23的至少1.5倍，可以是1.5、2、3、4、5、6、7、8、9、10倍等等。
两路“油相”样品在外界气压作用下，从水平方向流入微米级别油相主管道11；一路“水相”样品在外界气压作用下，从垂直方向流入微米级别水相主管道21。
十字结构的尺寸决定了微液滴的尺寸大小。油相样品和水相样品分别进入油相微液滴生成管道13和水相液滴生成管道23组成的十字结构之前，油相主管道11和水相主管道21的尺寸大于油相微液滴生成管道13和水相液滴生成管道23的尺寸。在一种实施方式中，油相微液滴生成管道13和水相液滴生成管道23宽度为70微米，油相主管道11和水相主管道21宽度为200微米。在一种实施方式中，油相微液滴生成管道13和水相液滴生成管道23宽度为50微米，油相主管道11和水相主管道21宽度为500微米。在一种实施方式中，油相微液滴生成管道13和水相液滴生成管道23宽度为100微米，油相主管道11和水相主管道21宽度为600微米。根据实际需要，油相主管道11和水相主管道21宽度可以相同，也可以不同；和油相微液滴生成管道13和水相液滴生成管道23宽度可以相同，也可以不同。
油相主管道11和油相微液滴生成管道13之间设置油相缓冲管道12，水相管道2包括水相主管道21和水相液滴生成管道23之间设置的水相缓冲管道22。油相缓冲管道12和水相缓冲管道22截面上是梯形形状，油相缓冲管道12的外壁和油相微液滴生成管道13外壁之间形成外夹角角度为钝角；同样，水相缓冲管道22外壁和水相微液滴生成管道23外壁之间形成外夹角角度为钝角。如果上述角度等于或者小于90度，可能会有气体残留在边缘死体积。原因是由于气体易压缩，这种气体残留会导致液滴生成不稳定。此外上述等于或者小于90度，不利于芯片脱模加工。从上述两个因素考虑，上述角度优选为120-150度，在这个角度范围液滴生成更稳定和更利于装置脱模加工。
在一种实施方式中，油相缓冲管道12和水相缓冲管道22都是一段的，便于进行管道的加工。当然，根据需要也可以将上述缓冲管道分成多段。
两种不相溶的液体在油相微液滴生成管道13和水相液滴生成管道23组成的十字结构处交汇。由于“油相”样品和“水相”样品的液体表面张力差和外加压力所产生的剪切力，“水相”样品在十字结构处被“油相”样品从油相分割为离散的微液滴。
应该理解到披露的本发明不仅仅限于描述的特定的方法、方案和物质，因为这些均可变化。还应理解这里所用的术语仅仅是为了描述特定的实施方式方案的目的，而不是意欲限制本发明的范围，本发明的范围仅受限于所附的权利要求。
本领域的技术人员还将认识到，或者能够确认使用不超过常规实验，在本文中所述的本发明的具体的实施方案的许多等价物。这些等价物也包含在所附的权利要求中。
Claims (5)
1.一种微液滴生成装置，其特征在于：所述微液滴生成装置包括水平方向布置的二个连续相管道和一个垂直方向布置的离散相管道，每个所述连续相管道依次包括均一连续相主管道、逐渐变窄的连续相缓冲管道和均一连续相微液滴生成管道，所述离散相管道依次包括均一离散相主管道、离散相缓冲管道和均一离散相液滴生成管道；所述连续相微液滴生成管道和所述离散相液滴生成管道形成十字交叉结构用于微液滴的生成；所述连续相主管道宽度是连续相微液滴生成管道宽度的至少1.5倍和所述离散相主管道宽度是所述离散相液滴生成管道的至少1.5倍。
2.根据权利要求1所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述连续相缓冲管道为一段连续相缓冲管道，和/或所述离散相缓冲管道为一段离散相缓冲管道。
3.根据权利要求1所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述连续相主管道宽度和/或所述离散相主管道宽度大于100μm，优选为150-500μm；和所述连续相微液滴生成管道宽度和/或所述离散相液滴生成管道宽度小于100μm，优选为10-100μm。
4.根据权利要求1所述的微液滴生成装置，其特征在于：连接的所述连续相缓冲管道的外壁和所述连续相微液滴生成管道的外壁之间形成外夹角为钝角；和连接的所述离散相缓冲管道的外壁和所述离散相微液滴生成管道的外壁之间形成外夹角为钝角。
5.根据权利要求4所述的微液滴生成装置，其特征在于：连接的所述连续相缓冲管道的外壁和所述连续相微液滴生成管道的外壁之间形成外夹角角度介于120-150度；和连接的所述离散相缓冲管道的外壁和所述离散相微液滴生成管道的外壁之间形成外夹角角度介于120-150度。
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