CN109999933B - 一种离心式液滴发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心式液滴发生装置，包括离心盘，所述离心盘上设置有：液滴生成部以及至少一组功能单元，所述液滴生成部设置在所述离心盘中心，所述功能单元环绕所述液滴生成部；所述功能单元包括呈平面螺旋线形的液滴拦截部,和设置在所述液滴拦截部上的液滴收集部。通过离心碰撞产生液滴，可以快速、低成本的形成液滴；通过螺旋线式的液滴拦截部可以将产生的液滴引入液滴收集部中，在液滴收集部设置不同直径的依次排布的多个液滴过滤口，逐级过滤液滴，确保收集的液滴直径均一。

Description

一种离心式液滴发生装置

技术领域

本发明涉及生物学和分析化学及医学检测技术领域，其涉及一种离心式液滴发生装置。

背景技术

微液滴具有体积小、通量高、大小均一、内部稳定、可操控等优点，被广泛应用于生物、化学检测分析、医疗诊断、材料合成等领域。微流控芯片有尺寸小、试剂消耗量少、高通量、易集成等特点，适用于微体系的研究和分析工作，使基于微流控芯片的微液滴技术应用到单细胞研究与分析有着巨大的优势和前景。

而目前所研究的液滴微流控芯片，专利CN201710429242.6中微液滴的形成依赖于平面微流控芯片，平面微流控芯片生成液滴需要连接两个以上的泵，操作复杂，设备大型,上述泵和芯片接触，存在交叉污染可能性；专利CN201510338390.8中样本分散依赖于硅片上微孔的加工，此方式成本较高，对微孔一致性要求较高，且耗材除了芯片以外，还包括了涂覆工具；专利CN201710855088.9中未对不同直径的液滴进行过滤与分离，无法得到直径均一的液滴。

鉴于上述液滴微流控芯片实践的困难与缺陷，亟需提供一种液滴发生装置解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种离心式液滴发生装置，通过离心碰撞产生液滴，再通过逐级过滤实现快速、低成本的液滴形成方式和直径均一液滴的收集，且交叉污染可能性极低。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种离心式液滴发生装置，包括离心盘，所述离心盘上设置有：液滴生成部以及至少一组功能单元，所述液滴生成部设置在所述离心盘中心，所述功能单元环绕所述液滴生成部；

所述功能单元包括呈平面螺旋线形的液滴拦截部，和设置在所述液滴拦截部上的液滴收集部。

优选地，所述液滴生成部为圆形区域，所述液滴生成部具有疏水表面，所述疏水表面的接触角在80°以上。

优选地，所述平面螺旋线形的液滴拦截部的中心点与所述离心盘的中心点重合，且液滴拦截部沿着平面螺旋线方向逐渐远离中心点，所述液滴收集部位于所述液滴拦截部远离中心点的一端。

更优选地，相邻的功能单元之间，所述液滴拦截部远离中心点的一端与相邻的液滴拦截部靠近中心点的一端有固定角度的重合，以确保所述液滴收集部不直接面对所述液滴生成部。

优选地，所述液滴收集部包括多个宽度不同的液滴过滤口，且所述液滴过滤口沿着平面螺旋线远离中心点的方向按照宽度从小到大的顺序依次排列。

更优选地，所述液滴过滤口包括收集槽、溢流槽、废液槽、排气管道和排气口。

进一步优选地，所述收集槽的高度稍大于液滴的直径，以确保收集的液滴保持单层分布。

优选地，所述离心式液滴发生装置还包括废液收集部，所述废液收集部设置在所述离心盘外周。

优选地，所述离心式液滴发生装置还包括加热模块，所述加热模块的数量与所述功能单元的数量相对应，且所述加热模块位于所述离心盘下方与所述液滴收集部相对应位置，所述加热模块的面积稍大于所述液滴收集部。

优选地，所述离心式液滴发生装置还包括检测模块，且所述检测模块位于所述离心盘上方与所述液滴收集部相对应位置，所述检测模块的检测面积稍大于所述液滴收集部。

本发明的有益效果为：

1)本发明的离心式液滴发生装置通过离心碰撞产生液滴，可以快速、低成本的形成液滴；

2)本发明的离心式液滴发生装置通过螺旋线式的液滴拦截部可以将产生的液滴引入液滴收集部中，在液滴收集部设置不同宽度的依次排布的多个液滴过滤口，逐级过滤液滴，确保收集的液滴直径均一；

3)本发明的离心式液滴发生装置通过离心盘和加热模块的相对位移，实现不同温区的快速切换，避免升降温过程；

4)本发明的离心式液滴发生装置将液滴分散在多个收集槽中，再对各个收集槽逐个检测，避免对收集槽或者成像系统的高精度移动的需求，以及避免了复杂的算法的要求。

附图说明

图1为本发明离心式液滴发生装置的结构示意图；

图2为本发明中液滴生成部产生液滴的示意图；

图3为本发明中单个液滴被液滴拦截部拦截后的运动过程的示意图；

图4为本发明中液滴收集部与相邻的液滴拦截部有固定角度的重合的示意图；

图5为本发明中液滴过滤口的示意图；

图6为本发明另一实施例中离心式液滴发生装置的结构示意图；

图7本发明中加热模块示意图。

其中，液滴生成部1，液滴拦截部2，液滴收集部3，收集槽31，溢流槽32，废液槽33，排气管道34，排气口35，废液收集部4，离心盘5，离心机6，点样装置7，加热模块8，检测模块9。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1所示，本发明提供的离心式液滴发生装置，包括离心盘5，所述离心盘5上设置有：液滴生成部1以及至少一组功能单元，所述液滴生成部1设置在所述离心盘5中心，所述功能单元环绕所述液滴生成部1；所述功能单元包括呈平面螺旋线形的液滴拦截部2，和设置在所述液滴拦截部2上的液滴收集部3。

所述液滴生成部1用于产生液滴，其产生液滴的机理是基于离心盘5提供的离心力。图2为本发明中液滴生成部1产生液滴的示意图。在离心力的带动下，液相溶液和液滴生成部1发生碰撞，液相溶液形成无数个小液滴，上述小液滴在碰撞作用下尺寸并不均一，液滴形成之后，在离心力作用下，向离心盘5四周运动。

具体的，离心盘5可以固定于离心机上，通过一定的控制程序可以给予离心盘5转速、加减速和转向的调节，此为本领域常规操作，在本发明中不再赘述，也不做特别限定。

离心盘5材质包括了玻璃、硅片、石英或者常见的聚合物材料。聚合物材料包括了聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚氨酯、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃共聚物(COC)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、氟塑料。芯片材质可以使上述材料中的一种或者几种。

离心盘5加工方法根据材质和结构，可以选取光刻、数控、浇注、注塑、激光雕刻、等离子刻蚀、湿法刻蚀等不同方法中的一种或者几种。

在液滴产生时，液滴生成部1中需要有液相溶液。所述液相溶液可以是装置运行前预先加入液滴生成部1中，也可以是装置运行时持续加入液滴生成部1中。一般的，需要通过点样装置将液相溶液加入液滴生成部1中，点样装置包括移液枪等具有可更换移液耗材的设备，为本领域常规操作手段,可以避免了交叉污染问题。在本发明中不再赘述，也不做特别限定。

液相溶液包括水相和油相，水相和油相为领域内常见的各种液体。例如，当用于PCR检测时，其中水相包含待测样本、引物、酶等数字PCR必须的物质，油相可以是以氟油为主的各种性能稳定的油相。根据需求可以在水相或者油相中添加表面活性剂，以此增加液滴的稳定性。

本实施例中，所述液滴生成部1为圆形区域，所述液滴生成部1具有疏水表面，所述疏水表面的接触角在80°以上。

液滴生成部1为圆形区域，其直径大小可以根据离心盘5的大小或者根据后续需要进行的步骤而设计，例如是，液滴生成部1为直径0.5-10cm的圆形区域。

液滴生成部1高度和离心盘5高度一致，或者稍高于离心盘5，以便于液滴生成后向离心盘5四周运动。

液滴生成部1需要进行疏水处理，处理后接触角在80°以上，接触角越大，越有利于液滴形成和运动。疏水处理方式常规采用硅烷化试剂(氟硅烷等)等本领域常见试剂，通过气相沉积、超声雾化、浸没处理等手段，在本发明中不再赘述，也不做特别限定。

根据本发明的一些实施例，所述至少一组功能单元的数量为3个以上。

在一些实施例中，所述功能单元的数量为3个-100个。例如，所述功能单元的数量为3个或4个或5个或6个或7个或8个或9个或10个或20个或50个或100个。

本实施例中，所述功能单元的数量为3个。

本实施例中，所述平面螺旋线形的液滴拦截部2的中心点与所述离心盘5的中心点重合，且液滴拦截部2沿着平面螺旋线方向逐渐远离中心点，所述液滴收集部3位于所述液滴拦截部2远离中心点的一端。

液滴形成之后，在离心力作用下，向离心盘5四周运动，然后被环绕所述液滴生成部1的功能单元拦截，更具体的，液滴与液滴拦截部2接触而被拦截。图3为单个液滴被液滴拦截部2拦截后的运动过程的示意图，由于液滴拦截部2为螺旋线结构，液滴在离心力作用下，沿着液滴拦截部2，呈平面螺旋线运动轨迹向远离中心点位置移动，到达液滴收集部3。

平面螺旋线旋向(顺时针或逆时针方向)和液滴形成时离心芯片转动方向一致，起始半径值、角度、节距、结束半径值等参数可根据实际情况设定。本实施例中平面螺旋线旋向为逆时针，液滴形成时离心芯片转动方向为逆时针。

本实施例中，相邻的功能单元之间，所述液滴拦截部2远离中心点的一端即液滴收集部3与相邻的液滴拦截部2靠近中心点的一端有固定角度的重合，以确保所述液滴收集部3不直接面对所述液滴生成部1。

图4为相邻的液滴拦截部2有固定角度的重合的示意图，该固定角度为α，由于液滴收集部3不直接面对液滴生成部1，液滴生成部1产生的液滴向四周运动时则不会直接进入液滴收集部3，而是必须经过液滴拦截部2拦截后，沿着液滴拦截部2的螺旋线方向进入到液滴收集部3。其中，固定角度α的大小即相邻的液滴拦截部2的重合部分需要根据实际的液滴收集部3的大小或者根据实际加工能力进行设置，只要确保液滴收集部3不直接面对液滴生成部1即可。

本实施例中，所述液滴收集部3包括多个宽度不同的液滴过滤口，且所述液滴过滤口沿着平面螺旋线远离中心点的方向按照宽度从小到大的顺序依次排列。

本发明液滴产生过程中由于碰撞，其直径并不均一，为了收集直径均一的微液滴，需要对产生的所有液滴进行过滤和收集。本发明通过设置多个宽度不同的液滴过滤口以进行液滴过滤和收集。

具体的，可根据需要设置n个液滴过滤口(其中n≥3)，n越大，相邻液滴过滤口宽度差别越小，过滤收集得到的液滴直径分布越小、越均一。

例如，若W代表每个液滴过滤口的宽度，则W_第一_过滤口<W_{第二过滤口}<W_{第三过滤口}<……<W_{第n过滤口}。其中，第一液滴过滤口最靠近中心点，第n液滴过滤口最远离中心点，即液滴过滤口越靠近中心点，其宽度越小。可见，当直径不均一的液滴沿着液滴拦截部2到达液滴收集部3，需要依次通过各液滴过滤口，当液滴的直径小于W_{第一过滤口}时，则该液滴进入到第一液滴过滤口，其余液滴继续往前经过其他的过滤口，当有液滴的直径小于W_{第二过滤口}时，则该液滴进入到第二液滴过滤口，以此类推，直至所有的液滴被收集完进入到相应的液滴过滤口，或者所有的液滴过滤口被填满。

图5为液滴过滤口的示意图，示例性的，A为第一液滴过滤口，B为第二液滴过滤口，C为第三液滴过滤口。本实施例中，所述液滴过滤口包括收集槽31、溢流槽32、废液槽33、排气管道34和排气口35(图5中只标示出了第二液滴过滤口的收集槽、溢流槽、废液槽、排气管道、排气口，第一液滴过滤口的收集槽、溢流槽、废液槽、排气管道、排气口未标示，第三液滴过滤口的收集槽、溢流槽、废液槽、排气管道、排气口图中未画出)。

具体的，直径小于某一液滴过滤口宽度的液滴进入该液滴过滤口后则进入其收集槽31中。若液滴为水相，则在收集槽31中需要预先加入油相，水相进入后存于油相中，多余的油相通过溢流槽32流入废液槽33中，空气通过排气管道34进入排气口35并排出。

本实施例中，所述收集槽31的高度稍大于液滴的直径，以确保收集的液滴保持单层分布。

具体的，当采取视觉检测方式时，需要检测某一直径范围的液滴，称为目标液滴，其对应的收集槽31称为目标收集槽31，目标收集槽31的高度和目标液滴直径基本一致，例如目标液滴直径在10-100μm，则收集槽31的高度在8-120μm，确保收集的液滴保持单层分布，不影响检测。

作为本发明的进一步改进，本实施例的离心式液滴发生装置还包括废液收集部4，所述废液收集部4设置在所述离心盘5外周。

所述废液收集部4用于拦截未被功能单元收集而溢出的废液，并将废液储存于废液收集部4，以避免废液脱离离心盘5或污染其他实验设备。

本实施例中，废液收集部4为设置在离心盘5最外缘的坝状结构，以更好的拦截和储存收集的废液。

本发明的离心式液滴发生装置可以应用于任何需要形成大量微液滴的领域，例如数字PCR领域、单细胞包裹领域、高通量蛋白结晶领域等。

实施例2

作为本发明的进一步改进，本实施例的离心式液滴发生装置与实施例1的区别在于还包括加热模块8，所述加热模块8的数量与所述功能单元的数量相对应，且所述加热模块8位于所述离心盘5下方与所述液滴收集部3相对应位置，所述加热模块8的面积稍大于所述液滴收集部3。

作为本发明的另一进一步改进，本实施例的离心式液滴发生装置与实施例1的区别在于还包括检测模块9，且所述检测模块9位于所述离心盘5上方与所述液滴收集部3相对应位置，所述检测模块9的检测面积稍大于所述液滴收集部3。

本发明的离心式液滴发生装置可以应用于任何需要形成大量微液滴的领域，而当应用于数字PCR，加热模块8可以为数字PCR的扩增提供温度控制，检测模块9可以检测数字PCR产品。本实施例中，以数字PCR操作为例，详述本发明操作过程和注意事项。

本实施例中离心式液滴发生装置如图6所示。具体的，离心盘5安装在固定于离心机6上以产生离心力，点样装置7在离心盘5上方液滴生成部1相对应位置，加热模块8位于离心盘5下方与液滴收集部3相对应位置，检测模块9位于离心盘5上方与液滴收集部3相对应位置。

本实施例中离心盘5的运动方向和液滴拦截部2螺旋线的旋向是一致的。为描述方便，本实施例中液滴拦截部2螺旋线旋向为逆时针，因此液滴形成时离心盘5的运动方向为逆时针。

本实施例中，预先将油相加入到液滴收集部3中，加入之后，通过胶黏等方式密封。油相的作用是存在于液滴之间，可以避免液滴发生融合和破裂。

具体的，将2-30μL量的油相加入到液滴收集部3中，更具体的，是加入到目标液滴收集槽31中，本实施例中可以是以氟油为主的各种性能稳定的油相。根据需求可以在油相中添加表面活性剂，以此增加液滴的稳定性。

点样装置7将2-20μL的水相持续滴入到液滴生成部1中，此时离心盘5保持一定的转速。点样装置7尖端和离心盘5的距离在0.5-10mm之间，离心盘5转速在200-1500rpm之间，参数的选择取决于液滴生成部1高度、水相的性质、水相和液滴生成部1之间的接触角等参数。

水相和液滴生成部1发生碰撞，在离心力的带动下，水相形成无数个尺寸并不均一的小液滴，液滴形成之后，在离心力作用下，向四周运动，和液滴拦截部2发生接触并被拦截，沿着液滴拦截部2的螺旋线向远离中心点方向移动，直至到达液滴收集部3。

由于在数字PCR实际应用过程，并不是所有直径范围的液滴都符合要求，而只需要关注特定直径范围的液滴，即为目标液滴。本实施例中，在液滴收集部3共设置3个液滴过滤口，其中，W_{第一过滤口}<W_{第二过滤口}<W_{第三过滤口}，第一液滴过滤口作用为过滤掉直径较小的液滴，第二液滴过滤口的作用为收集特定直径范围的目标液滴，第三液滴过滤口作用为收集直径大于目标液滴的所有液滴。进一步的，由于液滴运动过程中受到离心力和螺旋线作用，会产生形变，因此第二液滴过滤口的宽度需要稍小于目标液滴直径，通常W_{第二过滤口}小于目标液滴直径0.5-5μm。目标液滴进入第二液滴过滤口后被收集于相应的收集槽31中，当收集足够数量的液滴后完成液滴的收集过程。液滴随机形成，由于液滴形成数量较多，在10000-300000个之间，其形成过程与收集过程服从泊松分布，因此各个液滴收集部3中，液滴数量基本一致。

目标液滴完成收集后，需要对其进行扩增。加热模块8位于离心盘5下方与液滴收集部3相对应位置，以对收集的液滴进行扩增。本发明中加热模块8由帕尔贴组成，为数字PCR的扩增提供温度控制。

常规数字PCR需要对装有液滴的收集槽31进行循环升降温，涉及到升降温过程，时间较长。本发明中，采取离心盘5和加热模块8相对移动的方式，可以大大缩短时间。

如图7所示，为本发明加热模块8示意图。加热模块8包括三个温区，分别为变性温区、退火温区、延伸温区，分别对应变性、退火、延伸三个阶段所需要的温度，通过转动离心盘5或者加热模块8，实现不同功能单元的收集槽31在不同的温区上移动，完成整体温度循环，避免传统只使用单一温区，需要升降温而引起的时间较长问题。

加热模块8的数量与所述功能单元的数量相对应是指一个加热模块8可以对应3组功能单元，则当有n个加热模块8时，功能单元的数量可以对应为3n组。由于加热模块8包括3个温区，将功能单元的数量设置为加热模块8数量的3倍，可以确保每一温区均与其中一个功能单元相对应，在转动离心盘5或者加热模块8时，各个功能单元中装有目标液滴的收集槽31依次通过变性温区、退火温区、延伸温区。

进一步的，加热模块8位于所述离心盘5下方与液滴收集部3相对应位置是指加热模块8的某一温区位于液滴收集部3中的收集槽31的下方，更具体的，某一温区位于收集有目标液滴的收集槽31下方，以确保对目标液滴进行扩增。

进一步的，加热模块8的面积稍大于所述液滴收集部3是指加热模块8的某一温区的面积稍大于液滴收集部3中的收集槽31，更具体的，某一温区的面积稍大于收集有目标液滴的收集槽31的面积，以确保对目标液滴进行扩增。

目标液滴完成扩增后，需要对其进行检测。本发明中通过检测模块9对目标液滴进行视觉检测，本发明的检测模块9其结构与原理为本领域常规技术手段，在此不再进行赘述。

具体的，当完成一个功能单元中的目标液滴的检测后，通过旋转离心盘，使下一功能单元位于检测模块下方，完成下一功能单元的检测，以此类推，直至完成所有功能单元的检测。

进一步的，检测模块9位于所述离心盘5上方与所述液滴收集部3相对应位置是指检测模块9位于液滴收集部3中的收集槽31的上方，更具体的，检测模块9位于收集有目标液滴的收集槽31上方，以确保对目标液滴进行检测。

进一步的，检测模块9的面积稍大于所述液滴收集部3是指检测模块9的检测面积稍大于液滴收集部3中的收集槽31，更具体的，检测模块9的检测面积稍大于收集有目标液滴的收集槽31的面积，以确保对目标液滴进行检测。

目前对于微流控芯片式商业化数字PCR产品通常有两种检测方式，一种逐个液滴检测其荧光信号，一种是采用视觉方式，对大量液滴进行拍照并提取图像。其中第一种不涉及到液滴转移，避免了交叉污染和液滴破裂。第二种由于液滴数量通常在2万个以上，面积较大，现有的光学系统和成像系统，不能够一次完成大量液滴的检测，因此需要对芯片或者成像系统进行移动，单次拍摄一部分液滴，然而这种方式会带来极大的图像处理难度，以及液滴直径小而带来的拍摄和算法误差。大量液滴分部在微流控芯片中，然而受光源准直和成像系统的感光面积等因素的影响，出现检测过程中大量液滴单次只能拍摄其中一部分，需要进行多次拍摄，从而引起误差。移动芯片或者成像系统时，移动的位移误差也会对检测带来影响，而要通过算法消除上述影响是非常困难的。

本发明将大量液滴均匀分布在不同的收集槽31中进行扩增和检测，可以控制单个收集槽31的面积，

确保单个收集槽31的面积在现有的成像系统单次感光面积以内(目标液滴所位于的收集槽31的形状和尺寸根据成像系统要求进行选择)，以确保单次可完成收集槽31内液滴的拍摄，因此可以消除图像拼接带来的误差和处理量，提高了本发明数字PCR的精度。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种离心式液滴发生装置，包括离心盘，其特征在于，所述离心盘上设置有：液滴生成部以及至少一组功能单元，所述液滴生成部设置在所述离心盘中心，所述功能单元环绕所述液滴生成部；

所述液滴生成部为圆形区域，所述液滴生成部具有疏水表面，所述疏水表面的接触角在80°以上；

所述功能单元包括呈平面螺旋线形的液滴拦截部，和设置在所述液滴拦截部上的液滴收集部；所述平面螺旋线形的液滴拦截部的中心点与所述离心盘的中心点重合，且液滴拦截部沿着平面螺旋线方向逐渐远离中心点，所述液滴收集部位于所述液滴拦截部远离中心点的一端；

相邻的功能单元之间，所述液滴拦截部远离中心点的一端与相邻的液滴拦截部靠近中心点的一端有固定角度的重合，以确保所述液滴收集部不直接面对所述液滴生成部。

2.根据权利要求1所述的离心式液滴发生装置，其特征在于，所述液滴收集部包括多个口径不同的液滴过滤口，且所述液滴过滤口沿着平面螺旋线远离中心点的方向按照口径从小到大的顺序依次排列。

3.根据权利要求2所述的离心式液滴发生装置，其特征在于，所述液滴过滤口包括收集槽、溢流槽、废液槽、排气管道和排气口。

4.根据权利要求3所述的离心式液滴发生装置，其特征在于，所述收集槽的高度稍大于液滴的直径，以确保收集的液滴保持单层分布。

5.根据权利要求1所述的离心式液滴发生装置，其特征在于,所述离心式液滴发生装置还包括废液收集部，所述废液收集部设置在所述离心盘外周。

6.根据权利要求1所述的离心式液滴发生装置，其特征在于，所述离心式液滴发生装置还包括加热模块，所述加热模块的数量与所述功能单元的数量相对应，且所述加热模块位于所述离心盘下方与所述液滴收集部相对应位置。

7.根据权利要求1所述的离心式液滴发生装置，其特征在于，所述离心式液滴发生装置还包括检测模块，所述检测模块位于所述离心盘上方与所述液滴收集部相对应位置，所述检测模块的检测面积稍大于所述液滴收集部。