CN109833921A - 一种基于微流控技术的高通量可控双水相液滴的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微流控技术的高通量可控双水相液滴的制备方法。该方法包括微流控芯片的制备、双水相体系配制、液滴的调控与制备等。本发明利用可以自发相分离的双水相体系，将集成了泵阀系统的“十字”型流液滴芯片进行并列排布，实现了高通量产生液滴的目标，并通过调节两相流速、泵阀开关周期等稳定、可控地形成液滴。该技术有望在蛋白质分离、细胞分区化培养、DNA萃取等生物学应用中发挥作用。

Description

一种基于微流控技术的高通量可控双水相液滴的制备方法

技术领域

本发明属于微流控技术、材料化学领域，特别其涉及一种基于微流控技术的高通量可控双水相液滴的制备方法。

背景技术

微流控液滴操控技术是微流控技术的一个重要分支，它可以利用流体间不相容的性质来获得单分散液滴，并对其进行捕获、分选、分裂、融合等操控。微流控液滴具有较小的体积和较大的比表面积，可以高效地完成物质交换、化学反应等。因此，该技术已经在小分子检测、单细胞分析、药物传输、微颗粒合成、组织工程等领域得到了广泛的应用。

然而，传统的微流控液滴技术都是基于油水双乳相体系来产生液滴地，其中会使用到有机试剂和各类离子或非离子表面活性剂，这些物质不仅降低了体系的生物相容性，在后续的操作中将其清除也带来了更多操作，这就使得该技术在生物医学领域中的应用受到了局限。近年来，纯水溶液构成的双水相体系被引入到微流控液滴领域，并得到了初步的发展。双水相的相分离原理是，当两种不同性质的高分子溶质在水溶液中的浓度超过一定阈值后，两相水溶液的物理化学性质也会随之发生改变，当占主导的界面分离能会大于体系混合的吉布斯自由能时，体系会自发产生相分离。双水相体系原本是用于生物质的萃取，因此具有很好的生物相容性。双水相的构成可以是两种性质不同的高分子溶液(如PEG和葡聚糖)或者一种高分子溶液和一种盐溶液(如PEG和磷酸盐)，其中两种高分子溶液构成的体系具有更好的生物相容性。目前较为常用且相分离效果较好的体系由PEG和葡聚糖组成。但是双水相体系也存在着明显得弊端，由于两个水相间的表面能要远小于油水体系，双水相液滴的产生，尤其是高效可控地产生就成为了这一体系在微流控液滴技术中广泛应用的阻碍。本发明利用集成了泵阀体系的多单元并列微流控芯片，成功实现了高通量可控的双水相液滴的制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微流控芯片泵阀集成系统，用于高效可控产生均一双水相液滴的新方法。

一种气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片，该芯片为上下两层结构，上层为分流芯片，由气体入口，分散相入口，分散相分流通道，分散相分流出口，连续相入口、连续相分流通道和连续相分流出口组成；其中气体入口为独立结构；分散相入口通过分散相分流通道与分散相分流出口相连；连续相入口通过连续相分流通道与连续相分流出口相连。

下层为功能芯片，由气体入口，气体分流通道，气体通道，气动泵阀，分散相入口，分散相通道，连续相入口，连续相通道，主通道和液滴出口组成。其中气体入口通过气体分流通道和气体通道与气动泵阀；分散相入口通过分散相通道和主通道与液滴出口相连；连续相入口通过连续相通道和主通道与液滴出口相连。

上层芯片通过几个重合的部分与下层芯片相连，其中上层气体入口与下层气体入口重合；分散相分流出口分散相入口重合；连续相分流出口与连续相入口重合。

芯片中的三个流体按照以下顺序流动：分散相液体由分散相入口进入芯片，先后经分散相分流通道、分散相分流出口、分散相入口、分散相通道和主通道到达液滴出口；连续相液体由连续相入口进入芯片，先后经过连续相分流通道、连续相分流出口、连续相入口、连续相通道和主通道到达液滴出口。气体由上层气体入口进入芯片，先后经过下层气体入口、气体分流通道和气体通道到达气动泵阀，其中的气体驱动泵阀侧壁发生弹性形变。

所述芯片的上层芯片所有通道高度和宽度均为：100-300μm；下层芯片主通道宽度100-300μm，长1-2cm。泵阀与分散相通道间距40-60μm，泵阀间的分散相通道宽40-60μm，所有通道高度均为100-300μm；

一种气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片的制备方法，所述芯片基于传统的“十字”型微流控液滴芯片，集成气动泵阀系统制成。分散相通道与连续相通道汇聚到主通道处形成“十字”交叉口；气动泵阀的位置在“十字”交叉口上游的分散相通道两侧，通过泵阀充气与静息两种状态周期性挤压分散相通道，从而使分散相间断性地进入连续相中，稳定高效地形成双水相液滴。

本发明一种基于微流控技术的高通量可控双水相液滴的制备方法，采用上述气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片，包括下列步骤：

(1)双水相体系的配制：选用双水相体系为PEG-葡聚糖的组合；所述PEG分子量范围：1000-20000Da、浓度范围：2.5-50％；葡聚糖分子量范围：70k-500kDa、浓度范围：2.5-20％；

(2)液滴的调控与制备：将葡聚糖作为分散相，PEG作为连续相或PEG作为分散相，葡聚糖作为连续相；通过改变分散相流速、连续相流速和泵阀开关的周期来改变通道中形成液滴的尺寸大小和液滴间距；分散相流速范围：0.01-1μl/min、连续相流速范围：0.5-5μl/min、泵阀开关时间0.05-0.5s；

为了提高产生液滴的效率，采用了多个平行单元并列存在的设计方式，经过前期分流通道的分流作用，每个结构单元可以同时工作，产生双水相液滴，并列单元的个数2-20个。

所形成的双水相液滴尺寸非常均一，可调节直径范围30-300μm；有望应用于蛋白质分离、细胞分区化培养、DNA萃取等生物学应用中。

本发明利用可以自发相分离的双水相体系，在一个集成了泵阀系统的多结构单元并列排布的“十字”型流液滴芯片中，通过调节两相流速、泵阀开关周期等稳定、可控、高效地形成液滴。该技术有望在蛋白质分离、细胞分区化培养、DNA萃取等生物学应用中发挥作用。

附图说明

图1是八单元并列高通量“十字”型双水相液滴芯片示意图，其中：a上层分流芯片；b下层功能芯片；c两层芯片结合总图。

其中：1为气体入口；2分散相入口；3分散相分流通道；4分散相分流出口；5连续相入口；6连续相分流通道；7连续相分流出口；8为气体入口(与a中气体入口1重合)，9气体分流通道；10气体通道；11气动泵阀；12分散相入口(与a中分散相分流出口4重合)；13分散相通道；14连续相入口(与a中连续相分流出口7重合)；15连续相通道；16主通道；17液滴出口。

图2是实施例1中制备双水相液滴的数据图，其中：a每个单元中液滴产生的明场图片；b对每个单元中产生液滴的直径统计柱状图。

具体实施方式

先根据实际需要，设计和加工尺寸及并列单元数适宜的微流控液滴芯片；然后选择需要的双水相组成体系，包括种类、浓度、分子量等；最后利用分散相流速、连续相流速和泵阀开关频率可以调控液滴参数。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片，如图1所示，上层为分流芯片，由气体入口1，分散相入口2，分散相分流通道3，分散相分流通道3(3层分支结构)，分散相分流出口4，连续相入口5，连续相分流通道6(4层分支结构)和连续相分流出口7组成。其中气体入口1为独立结构；分散相入口2通过分散相分流通道3与分散相分流出口4相连；连续相入口5通过连续相分流通道6与连续相分流出口7相连。下层为功能芯片，由气体入口8，气体分流通道9(3层分支结构)，气体通道10，气动泵阀11，分散相入口12，分散相通道13，连续相入口14，连续相通道15，主通道16和液滴出口17组成。其中气体入口8通过气体分流通道9和气体通道10与气动泵阀11；分散相入口12通过分散相通道13和主通道16与液滴出口17相连；连续相入口14通过连续相通道15和主通道16与液滴出口17相连。

上层芯片通过几个重合的部分与下层芯片相连，其中气体入口1与气体入口8重合；分散相分流出口4分散相入口12重合；连续相分流出口7与连续相入口14重合。

芯片中的三个流体按照以下顺序流动：分散相液体由分散相入口2进入芯片，先后经分散相分流通道3、分散相分流出口4、分散相入口12、分散相通道13和主通道16到达液滴出口17；连续相液体由连续相入口5进入芯片，先后经过连续相分流通道6、连续相分流出口7、连续相入口14、连续相通道15和主通道16到达液滴出口17。气体由气体入口1进入芯片，先后经过气体入口8、气体分流通道9和气体通道10到达气动泵阀11，其中的气体驱动泵阀侧壁发生弹性形变。

为了提高产生液滴的效率，采用了多个平行单元并列存在的设计方式，经过前期分流通道的分流作用，每个结构单元可以同时工作，产生双水相液滴，并列单元的个数8个，示意图见图1。

上层芯片所有通道高度和宽度均为：100μm；下层芯片主通道宽度200μm，长1-2cm。泵阀与分散相通道间距50μm，泵阀间的分散相通道宽40μm，所有通道高度均为180μm。

实施例1

一种基于微流控技术的高通量可控双水相液滴的制备方法，采用上述气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片，包括下列步骤：

(1)双水相体系的配制：选用双水相体系为PEG-葡聚糖的组合；所述PEG分子量：20000Da、浓度：17％；葡聚糖分子量：500kDa、浓度：15％；

(2)液滴的调控与制备：将葡聚糖作为分散相，PEG作为连续相；通过改变分散相流速、连续相流速和泵阀开关的周期来改变通道中形成液滴的尺寸大小和液滴间距；每个结构单元中分散相流速：0.1μl/min、连续相流速：1μl/min、泵阀开关时间0.4s。制备液滴的单元实物图与每个单元液滴直径的统计见图2，各单元中以及单元之间的液滴尺寸都非常均一，单元1-8中液滴尺寸依次为：85.58±2.57μm,84.52±2.68μm，84.66±2.62μm,84.35±2.05μm,83.75±1.89μm,86.45±2.70μm,86.81±2.93μm,86.25±3.06μm。

实施例2

一种基于微流控技术的高通量可控双水相液滴的制备方法，采用上述气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片，包括下列步骤：

(1)双水相体系的配制：选用双水相体系为PEG-葡聚糖的组合；所述PEG分子量：1000Da、浓度：10％；葡聚糖分子量：70kDa、浓度：10％；

(2)液滴的调控与制备：将葡聚糖作为分散相，PEG作为连续相；通过改变分散相流速、连续相流速和泵阀开关的周期来改变通道中形成液滴的尺寸大小和液滴间距；每个结构单元中分散相流速：0.05μl/min、连续相流速：0.5μl/min、泵阀开关时间0.2s。制备液滴的单元实物图与每个单元液滴直径的统计见图2，各单元中以及单元之间的液滴尺寸都非常均一，单元1-8中液滴尺寸依次为：45.38±3.27μm,43.10±4.13μm，42.64±4.26μm,43.45±3.95μm,41.07±3.53μm,46.88±4.59μm,47.10±4.91μm,45.93±4.04μm。

实施例3

一种基于微流控技术的高通量可控双水相液滴的制备方法，采用上述气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片，包括下列步骤：

(1)双水相体系的配制：选用双水相体系为PEG-葡聚糖的组合；所述PEG分子量：20000Da、浓度：50％；葡聚糖分子量：500kDa、浓度：20％；

(2)液滴的调控与制备：将葡聚糖作为分散相，PEG作为连续相；通过改变分散相流速、连续相流速和泵阀开关的周期来改变通道中形成液滴的尺寸大小和液滴间距；每个结构单元中分散相流速：0.5μl/min、连续相流速：4μl/min、泵阀开关时间1s。制备液滴的单元实物图与每个单元液滴直径的统计见图2，各单元中以及单元之间的液滴尺寸都非常均一，单元1-8中液滴尺寸依次为：164.56±4.87μm,164.01±3.98μm，165.35±4.76μm,164.20±3.95μm,163.58±3.02μm,166.69±4.37μm,166.58±4.64μm,165.86±4.21μm。

Claims (8)

1.一种气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片，其特征在于该芯片为上下两层结构，上层为分流芯片，由气体入口(1)，分散相入口(2)，分散相分流通道(3)，分散相分流出口(4)，连续相入口(5)、连续相分流通道(6)和连续相分流出口(7)组成；其中气体入口(1)为独立结构；分散相入口(2)通过分散相分流通道(3)与分散相分流出口(4)相连；连续相入口(5)通过连续相分流通道(6)与连续相分流出口(7)相连；

下层为功能芯片，由气体入口(8)，气体分流通道(9)，气体通道(10)，气动泵阀(11)，分散相入口(12)，分散相通道(13)，连续相入口(14)，连续相通道(15)，主通道(16)和液滴出口(17)组成；其中气体入口(8)通过气体分流通道(9)和气体通道(10)与气动泵阀(11)；分散相入口(12)通过分散相通道(13)和主通道(16)与液滴出口(17)相连；连续相入口(14)通过连续相通道(15)和主通道(16)与液滴出口(17)相连；

上层芯片通过几个重合的部分与下层芯片相连，其中气体入口(1)与气体入口(8)重合；分散相分流出口(4)分散相入口(12)重合；连续相分流出口(7)与连续相入口(14)重合。

2.根据权利要求1所述的一种气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片，其特征在于：分散相分流通道(3)、连续相分流通道(6)、气体分流通道(9)均具有2-5层分支结构。

3.根据权利要求1所述的一种气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片，其特征在于：芯片中的三个流体按照以下顺序流动：

分散相液体由分散相入口(2)进入芯片，先后经分散相分流通道(3)、分散相分流出口(4)、分散相入口(12)、分散相通道(13)和主通道(16)到达液滴出口(17)；

连续相液体由连续相入口(5)进入芯片，先后经过连续相分流通道(6)、连续相分流出口(7)、连续相入口(14)、连续相通道(15)和主通道(16)到达液滴出口(17)；

气体由气体入口(1)进入芯片，先后经过气体入口(8)、气体分流通道(9)和气体通道(10)到达气动泵阀(11)，其中的气体驱动泵阀侧壁发生弹性形变。

4.根据权利要求1所述的一种气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片，其特征在于：上层芯片所有通道高度和宽度均为：100-300μm；下层芯片主通道宽度100-300μm，长1-2cm；泵阀与分散相通道间距40-60μm，泵阀间的分散相通道宽40-60μm，所有通道高度均为100-300μm。

5.根据权利要求1所述的一种气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片的制备方法，其特征在于该方法为：利用常规软光刻的方法，首先在单晶硅片或无尘玻璃片上制备出SU-8光刻胶的模板，然后将PDMS预聚体倾倒在SU-8光刻胶模板上，经80℃加热1-3小时的交联聚合后，制备出PDMS芯片；

基于传统的“十字”型微流控液滴芯片，集成了气动泵阀系统而制成；其中分散相通道13与连续相通道15汇聚到主通道处形成“十字”交叉口；气动泵阀11的位置在“十字”交叉口上游的分散相通道13两侧，通过泵阀充气与静息两种状态周期性挤压分散相通道，从而使分散相间断性地进入连续相中，稳定高效地形成双水相液滴。

6.一种基于微流控技术的高通量可控双水相液滴的制备方法，其特征在于：采用上述气动阀辅助的高通量双水相液滴芯片，包括下列步骤：

(1)双水相体系的配制：选用双水相体系为PEG-葡聚糖的组合；所述PEG分子量范围：1000-20000Da、浓度范围：2.5-50％；葡聚糖分子量范围：70k-500kDa、浓度范围：2.5-20％；

(2)液滴的调控与制备：将葡聚糖作为分散相，PEG作为连续相或者将PEG作为分散相，葡聚糖作为连续相；分散相液体由分散相入口2进入芯片，连续相液体由连续相入口5进入芯片，通过改变分散相流速、连续相流速和泵阀开关的周期来改变通道中形成液滴的尺寸大小和液滴间距；

分散相流速范围：0.01-1μl/min、连续相流速范围：0.5-5μl/min、泵阀开关时间0.05-1s。

7.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的高通量可控双水相液滴的制备方法，其特征在于：为了提高产生液滴的效率，采用了多个平行的液滴生成单元；并列存在的设计方式，经过前期分流通道的分流作用，每个液滴生成单元可以同时工作，产生双水相液滴，并列的液滴生成单元个数为2-20个。

8.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的高通量可控双水相液滴的制备方法，其特征在于：形成的双水相液滴尺寸非常均一，可调节直径范围30-300μm；有望应用于蛋白质分离、细胞分区化培养、DNA萃取等生物学应用中。