CN110465337B - 芯片及其液流控制方法和应用 - Google Patents

芯片及其液流控制方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN110465337B
CN110465337B CN201810448646.4A CN201810448646A CN110465337B CN 110465337 B CN110465337 B CN 110465337B CN 201810448646 A CN201810448646 A CN 201810448646A CN 110465337 B CN110465337 B CN 110465337B
Authority
CN
China
Prior art keywords
flow
chip
sample liquid
liquid
reaction tank
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810448646.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110465337A (zh
Inventor
孙冰
石宁
徐伟
冯俊杰
张玉霞
姜杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Petroleum and Chemical Corp
Sinopec Safety Engineering Research Institute Co Ltd
Original Assignee
China Petroleum and Chemical Corp
Sinopec Safety Engineering Research Institute Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Petroleum and Chemical Corp, Sinopec Safety Engineering Research Institute Co Ltd filed Critical China Petroleum and Chemical Corp
Priority to CN201810448646.4A priority Critical patent/CN110465337B/zh
Publication of CN110465337A publication Critical patent/CN110465337A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110465337B publication Critical patent/CN110465337B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/50273—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means or forces applied to move the fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3577—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing liquids, e.g. polluted water
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/14—Process control and prevention of errors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)

Abstract

本发明涉及微芯片领域，公开了一种芯片及其液流控制方法和应用。该芯片包括流道(4)和反应池(1)，所述流道(4)的至少一端与所述反应池(1)连通，且所述流道(4)包括与所述反应池(1)连通的断流区(2)和与所述断流区(2)连通的可选的浸润区(3)，样品液体在所述反应池(1)上的接触角为θ1、在所述断流区(2)上的接触角为θ2时，满足条件θ2‑θ1>20°、0<θ1<90°以及90<θ2<180°。本发明的芯片具有通过控制反应池和流道区域与样品液体之间的接触角，从而可以在流道中特定的断流区形成样品液体液流的断流效果，从而精确控制保留在反应池中的液体体积。

Description

芯片及其液流控制方法和应用
技术领域
本发明涉及微芯片领域，具体地，涉及一种芯片及其液流控制方法和应用。
背景技术
近代仪器的发展方向之一为小型化、集成化、便携化。无论在生命科学、化学化工领域，还是环境保护领域，微全分析系统(microTAS)的出现已经带来了革命性的变化。微全分析的目的在于功能集成化，将原本需要在实验室内实现的样品制备、分离、纯化、反应、监测等复杂功能整合集中到微型分析设备甚至信用卡大小的芯片上，因此也被称为“芯片实验室”。
微全分析技术于上世纪90年代被Manz等提出，得益于微机电加工、生物化学等相关技术的发展，已经逐渐成为了分析化学的前沿技术。其具有一系列区别于传统技术的特点：1)有效传热传质且特征尺度小，因而处理速度快、效率高；2)试剂损耗小；3)设备尺寸小、重量轻、功能集成型高；4)大批量生产时单个设备成本低。这些优点使其迅速广泛应用于药物筛选、高通量测序、分子诊断、环保监测等领域。
微全分析芯片中各功能的实现依靠的是其中的液滴或液体的流动，因此必须由外界提供一定的驱动力，促使样品由外部进入芯片内部，并在芯片内部流经分离、反应、检测等各个模块。目前微全分析芯片的流体驱动技术主要分为两类，机械力驱动及非机械力驱动。前者依靠系统自身机械部件的运动驱动流体，包含注射泵等外部动力、Lab CD等离心力驱动、气动微泵、压电微泵等，后者系统本身不含运动的机械部件，包含电渗驱动、重力驱动、电水力驱动等。无论采用何种驱动力，在结束进样移除驱动力之后，液体由于表面张力作用，趋向于形成表面能较小的形状，就可能会形成回流等现象，导致反应池中液体的体积发生变化，影响实验结果。
目前针对此种现象的解决办法较少，已有的相关专利都为通过形变控制流道的开关，也即“微阀”的概念。如，CN203842597U一种具有可形变膜防回流的微流控芯片，CN106902904A用于微流控芯片的液体控制阀门装置及其微流控芯片以及CN106902905A用于微流控芯片液体控制防回流装置及其微流控芯片。上述方案除了需要控制液体流动的驱动力外，还需要通过手动按压或者气泵来控制材料形变达到开合流道的目的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的芯片加样中体积偏差和试剂损失的问题，提供一种芯片及其液流控制方法和应用，该芯片具有通过控制反应池和流道区域与样品液体之间的接触角，从而可以在流道中特定的断流区形成样品液体液流的断流效果，从而精确控制保留在反应池中的液体体积。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种芯片，所述芯片包括流道和反应池，所述流道的至少一端与所述反应池连通，且所述流道包括与所述反应池连通的断流区和与所述断流区连通的可选的浸润区，样品液体在所述反应池上的接触角为θ1、在所述断流区上的接触角为θ2时，满足条件θ2-θ1>20°、0<θ1<90°以及90<θ2<180°。
优选地，样品液体在所述反应池上的接触角为θ1、在所述断流区上的接触角为θ2时，满足条件θ2-θ1>30°，优选θ2-θ1>60°。
优选地，样品液体在所述浸润区上的接触角为θ3时，满足条件0<θ3<90°，优选θ2-θ3>30°；更优选地，θ3≥θ1。
优选地，所述反应池的截面积大于所述流道的截面积。
优选地，所述断流区的截面积小于所述浸润区的截面积。
优选地，所述流道和/或所述反应池经过表面改性。
更优选地，所述表面改性方法选自硅烷化、化学沉积、诱导接枝聚合、共价偶联、等离子体改性、涂覆改性材料中的一种或多种。
优选地，所述芯片的材质选自玻璃、石英、高分子聚合物和碳化硅中的一种或多种。
更优选地，所述高分子聚合物选自聚甲基丙烯酸甲酯、、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯和聚碳酸酯中的一种或多种。
本发明第二方面提供一种芯片的液流控制方法，该方法包括：驱动样品液体并将其通过上述的本发明的芯片的所述流道进入所述反应池，在所述反应池充满后，减少驱动样品液体使得所述样品液体在所述断流区断流，从而控制所述反应池中的液体体积。
优选地，通过对样品液体直接加压或利用驱动介质推动驱动样品液体。
优选地，所述样品液体的粘度为1000cP以下。
优选地，通过介质液体的流动驱动样品液体。
优选地，所述介质液体的粘度高于所述样品液体；更优选地，所述样品液体的粘度为500cP以下，更优选为200cP以下，进一步优选为150cP以下。
本发明第三方面提供一种水质多参量检测设备，该水质多参量检测设备包括上述本发明的芯片。
本发明还提供了上述的芯片、上述芯片的液流控制方法或者水质多参量检测设备在微全芯片检测领域的应用。
通过上述技术方案，本发明将需要样品液体长时间停留的反应池加工为与液体的亲和性强，并在流道与反应池连通位置的设置与液体的亲和性差的断流区，这样在停止驱动液体力时，液体优先在反应池与流道连接处断流而不会产生回流现象，从而防止液体回流导致体积变化，精确控制保留在反应池中的液体体积；另外本发明的芯片还可用于实现液滴的自发生成。
附图说明
图1是本发明的芯片的流道和反应池的结构示意图；
图2是本发明一种具体实施方式的芯片的断流过程示意图；
图3是本发明另一种具体实施方式的芯片的断流过程示意图；
图4是本发明另一种具体实施方式的芯片的断流过程示意图。
附图标记说明
1、反应池 2、断流区 3、浸润区
4、流道
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供的芯片，如图1-4所示，所述芯片包括流道4和反应池1，所述流道4的至少一端与所述反应池1连通，且所述流道4包括与所述反应池1连通的断流区2和与所述断流区2连通的可选的浸润区3，样品液体在所述反应池1上的接触角为θ1、在所述断流区2上的接触角为θ2时，满足条件θ2-θ1>20°、0<θ1<90°以及90<θ2<180°。
优选地，样品液体在所述反应池1上的接触角为θ1、在所述断流区2上的接触角为θ2时，满足条件θ2-θ1>30°，优选θ2-θ1>60°。
在本发明中，通过使样品液体在芯片的反应池1和断流区2具有不同高度接触角，可以使得样品液体被驱动而进入反应池1之后，更倾向于保留在反应池1中，由此在撤去外加驱动力后，反应池1中的样品液体与流道4中的样品液体在断流区2的位置发生分离，从而能够达到精确控制反应池1中保留的液体体积的目的。
作为上述的θ2-θ1，可以为30°、35°、40°、45°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°、90°、95°、100°、105°、110°、115°、120°、125°、130°、135°、140°等等。
在本发明中，所述流道4可以包括相互连接的断流区2和浸润区3，一些情况下，所述流道4可以仅包括断流区2。所述流道4的形状也没有特别的限定，可以为管状，也可以为设置在反应池上方的腔室。作为管状的流道4，可以具有半圆形、长方形等形状的横截面。
根据本发明的具体的实施方式，所述芯片可以为具有如下性质的芯片：
芯片(i)：所述反应池1和可选的浸润区3为亲水性，所述断流区2为疏水性；或者，
芯片(ii)：所述反应池1和可选的浸润区3为疏水性，所述断流区2为亲水性。
上述芯片(i)或(ii)可以根据样品液体进行具体选择，例如样品液体为亲水性时，选择上述芯片(i)；样品液体为疏水性时，选择上述芯片(ii)。
在本发明中，所述芯片的结构可以根据需要包括一个以上流道4和一个以上反应池1，为了加入样品液体，所述芯片可以进一步包括进样口。所述流道4和所述反应池1的位置关系没有特别的限定，例如可以将多个反应池4设置在进样口的周围，并通过流道4分别连通各个反应池4和进样口；也可以在流道4上进一步设置分支流道，并通过分支流道连通多个反应池4。
根据本发明的一个优选的实施方式，如图1-3所示，所述流道4位于所述反应池1的一侧，例如所述流道4与所述反应池1位于同一平面上或，或者略高于所述反应池1。
根据本发明的另一个优选的实施方式，如图4所示，所述流道4位于所述反应池1的上方，所述流道4为位于反应池1上方的覆盖所有反应池1的区块状空间。通过将流道4设置成区块状，样品液体可以在所述流道4的上方流动。此时，优选流道4下方除反应池1以外的部分均作为断流区2。通过将芯片设置为上述结构，可以使用阵列状排列的反应池1，从而在大量反应池1中同时完成断流。
在此情况下，所述反应池1的高度L和宽度D优选满足L≤2D，更优选L≤D。其中，所述反应池1的宽度为在所述流道下表面上的反应池1上端开口的最大长度，所述反应池1的高度为垂直于所述流道下表面的高度。通过如上设置所述反应池1，可以保证在介质液体驱动样品液体流动
为了保证在样品液体流动过程中，位于流道不同位置的反应池1中断流情况相同，优选在所述流道下表面上所述反应池1的上端开口为圆形、矩形、正多边形等形状。所述反应池整体可以为半球状、柱状等。
根据本发明，为了便于样品液体在流道内的输送，优选的情况下，样品液体在所述浸润区3上的接触角为θ3时，满足条件0<θ3<90°，优选θ2-θ3>30°；更优选地，θ3≥θ1。通过设置上述浸润区3，可以在不影响断流效果的情况下，用更小的驱动力完成样品液体的输送过程，尤其适用于流道长度更长的芯片。
作为上述的θ2-θ3，可以为30°、35°、40°、45°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°、90°、95°、100°、105°、110°、115°、120°、125°、130°、135°、140°等等。
根据本发明，为了更精确控制所述反应池1中保留的样品液体体积，优选地，所述反应池1的截面积大于所述流道4的截面积，更优选所述反应池1的截面积为所述流道4的截面积的2倍以上，进一步优选为4倍以上。通过设置相对于流道4更大的反应池1，可以更精确控制反应池1中保留的液体体积。在此，所述反应池1的截面积指的是垂直于流道4的长度方向(样品液体在流道内的流动方向)的最大横截面积，所述流道4的截面积指的是垂直于流道4的长度方向(样品液体在流道内的流动方向)的最小横截面积，例如反应池1为圆柱形时，所述反应池1的截面积以过其中轴的截面积计算。
根据本发明，所述断流区2的截面积小于所述浸润区3的截面积。所述断流区2的截面积和所述浸润区3的截面积与上述流道4的截面积相同的方式求得。
根据本发明的一个优选的实施方式，所述断流区2的宽度小于所述反应池1；所述断流区2的宽度小于所述浸润区3的宽度。
在本发明中，为了使上述反应池1、断流区2和浸润区3具有上述规定的接触角，可以采用具有上述接触角的不同材料制作芯片的相应区域，也可以采用现有的能够用于芯片表面处理的方法对其进行改性。从便于制作的观点考虑，所述流道4和/或所述反应池1经过表面改性。具体地，上述表面改性可以根据芯片的材料和样品液体的性质进行选择，可以对断流区2进行表面改性，从而增大其与样品液体的接触角；也可以对所述反应池1以及可选的浸润区3进行改性，从而减小其与样品液体的接触角；当然也可以同时对反应池1、断流区2和可选的浸润区3进行改性，只要达到上述规定的接触角范围即可。
所述表面改性方法没有特别的限定，只要能改变样品液体的接触角即可，可举出选自硅烷化、化学沉积、诱导接枝聚合、共价偶联、等离子体改性、涂覆改性材料中的一种或多种。其中针对玻璃芯片的亲油化处理，例如可以为硅烷化。作为硅烷化的方式，可以包括：等离子体活化表面后放在容器中与硅烷化试剂进行气相或者液相接触等。
根据本发明，所述芯片的材质没有特别的限定，例如可以选自玻璃、石英、高分子聚合物和碳化硅中的一种或多种。作为所述高分子聚合物，可举出聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
从便于进行表面改性的观点考虑，优选为玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷等。所述芯片的反应池1、断流区2和浸润区3的表面可以由不同的材质形成以具有适当的接触角；也可以配合上述表面处理形成适当的接触角。
根据本发明的芯片的液流控制方法，其中，该方法包括：驱动样品液体并将其通过上述的芯片的所述流道4进入所述反应池1，在所述反应池1充满后，减少(包括停止)驱动样品液体使得所述样品液体在所述断流区2断流，从而控制所述反应池1中的液体体积。
如上述，通过使用本发明的芯片，可以控制样品液体在进入芯片的反应池1后，在断流区2处断流，从而达到精确控制反应池1中保留的液体体积的目的。在本发明中，断流指的是连续流动的样品液体的液流断开，液体形成两部分的过程。
作为本发明中驱动样品液体的方法，没有特别的限定，可以使样品在芯片中流动从而进入反应池，并在断流区断流即可。
根据本发明的一个优选的实施方式，如图2-3所示，作为驱动样品液体的方法，可以对样品液体加压并注入所述芯片，例如可以采用泵、注射器等方式进行，也可以采用旋转所述芯片产生的离心力对所述样品液体进行加压。此时为了形成断流，作为“减少驱动样品液体”的方法，可以减小或者停止加压，待系统稳定后会在断流区断流。
为了使样品液体完成断流，优选控制样品液体的粘度。优选所述样品液体的粘度为1000cP以下，更优选为500cP以下，进一步优选为200cP以下，例如可以为0.1-1000cP，优选为1-1000cP。
根据本发明的另一个优选的实施方式，如图4所示，作为驱动样品液体的方法，也可以采用驱动介质驱动样品液体。例如在通入样品液体后，再通入驱动介质推动样品液体的流动；此时为了形成断流，作为“减少驱动样品液体”的方法，可以减少或者停止通入驱动介质(例如，减少驱动介质的流量和/或流速)。作为所述驱动介质，可以采用与样品液体不互溶的液体。例如，样品液体为水溶液时，可以采用矿物油、十四烷、环己烷等或者它们的混合物。作为所述驱动介质，也可以使用气体，只要不影响样品液体即可。例如，可以使用空气、氮气等。
在使用驱动介质驱动样品液体的情况下，为了使样品液体完成断流，需要控制驱动介质和样品液体的粘度。优选所述样品液体的粘度为500cP以下，更优选为200cP以下，进一步优选为150cP以下，例如可以为0.1-500cP，优选为0.2-150cP。优选所述介质液体的粘度高于样品液体，例如优选为1-1000cP。作为介质液体对样品液体的剪切速率，优选为1-1000μm/s，更优选为1-500μm/s。
在使用驱动介质驱动样品液体时，优选地，样品液体在所述反应池1的接触角为90°以下，优选为0°～60°，在断流区2的接触角为90°以上，优选为120°～180°，更优选地，样品液体在所述反应池1和断流区2的接触角之差越大越好，例如可以为30°、35°、40°、45°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°、90°、95°、100°、105°、110°、115°、120°、125°、130°、135°、140°。介质液体在所述反应池1的接触角为90°以上，优选为120°～180°，在断流区2的接触角为90°以下，优选为0°～60°，更优选地，介质液体在所述反应池1和断流区2的接触角之差越大越好，例如可以为30°、35°、40°、45°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°、90°、95°、100°、105°、110°、115°、120°、125°、130°、135°、140°。
本发明还提供一种水质多参量检测设备，该水质多参量检测设备包括上述本发明的芯片。
在本发明中，该水质多参量检测设备还可以包括一个以上检测部件。
根据本发明，所述检测部件没有特别的限定，可以用于芯片检测的各种检测部件，例如所述检测部件可以为色度检测部件、吸光度检测部件、荧光信号检测部件、拉曼信号检测部件和红外光谱检测部件中的一种或多种。其中优选为吸光度检测部件和/或荧光检测部件。
为了便于检测的进行，所述芯片能够以便于检测的任意方式固定在所述水质多参量检测设备中，例如可以固定、可旋转或者可滑动的方式。
根据本发明的一个优选的实施方式，所述检测部件由光源、分路光纤和光谱设备构成。所述光源用于产生进行测试所需波长的光，所述分路光纤用于同时检测多个反应池内光学信号，所述光谱设备用于收集产生的或经过吸收后的光信号。当需要对不同位置的反应池进行检测时，所述分路光纤可以将检测的入射光分为多路，从而快速完成检测。
根据本发明，为了实现功能集成，该水质多参量检测设备还可以包括信号采集部件、数据处理部件、数据输出部件和数据通信部件中的一种或多种。作为该水质多参量检测设备的一种优选实施方式，其包括数据处理部件、数据输出部件、数据传输部件。作为所述数据处理部件，可以是包括控制器、运算器和寄存器的中央处理器等；作为所述数据输出部件，可以包括具有图形输出功能的显示屏、触摸屏、语音输出等；作为所述数据传输部件，可以将原始数据上传至远程服务器进行远程处理，再将结果直接返回至指定终端，也可以将数据处理部件产生的处理后的信息远传至云端进行信息收集。
在本发明中，该水质多参量检测设备还可以进样部件，所述进样部件用于向所述芯片进样。所述进样部件可以使用现有的通常用于芯片进样的各种进样器，可以为手动或者自动，根据需要，所述进样部件上可以设置有用于对样品进行预处理的预处理部，或者控制进样量的刻度等。
本发明还提供了上述的芯片、上述芯片的液流控制方法或者水质多参量检测设备在微全芯片检测领域的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，接触角使用德国KRUSS公司的DSA25接触角仪通过外形图像分析法测得，剪切速率通过将流速换算得到，流量采用恒流泵控制。大气压等离子笔购自PE公司，牌号为Plasmawand。
实施例1
采用如图2所示结构的玻璃芯片，该芯片包括依次相互连通的进样口(图未示出)、流道4和反应池1，反应池1为圆柱形，底面直径为0.1mm，高度为1mm，流道4的截面为长方形，宽度为0.05mm，高度为1mm，长度为10mm，断流区2的长度为0.05mm。在使用掩模进行一次曝光时仅曝光断流区2，移除光胶后进行氢氟酸湿法刻蚀，再对流道和反应池外区域进行二次曝光并移除光胶，进行二氯二甲基气相硅烷化，最后再使用掩模对剩余区域进行三次曝光，移除光胶后再进行湿法刻蚀，最终即获得反应池和流道为亲水性，其余部分为疏水性的芯片。其中，氯化钠溶液(浓度为0.1mol/L，下同)在所述反应池1上的接触角θ1和浸润区3上的接触角θ3为36°、在所述断流区2上的接触角θ2为134°。
用注射器从进样口向芯片中注入氯化钠溶液，观察到反应池填满后直接撤去注射器，反应池仍保持充满状态，氯化钠溶液在反应池1连接流道4的区域断流。
重复上述实验三次，反应池1中的氯化钠溶液体积相等。
实施例2
采用如图3所示结构的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片，该芯片包括依次相互连通的进样口(图未示出)、流道4和反应池1，其尺寸同实施例1中的芯片。首先将芯片整体进行二氯二甲基硅烷气相硅烷化，使十四烷溶液(99质量％，下同)在得到的区域的接触角为146°，然后使用大气压等离子笔处理反应池1内部和预形成浸润区3的流道内部，使十四烷溶液在得到的区域的接触角为57°。也即得到的芯片中，十四烷溶液在所述反应池1上的接触角θ1和浸润区3上的接触角θ3为57°、在断流区2上的接触角θ2为146°。
用注射泵从进样口向芯片中注入十四烷溶液，反应池填满后直接撤去注射泵，反应池仍保持充满状态，十四烷溶液在反应池1连接流道4的区域附近断流。
重复上述实验三次，反应池1中的十四烷溶液体积相等。
实施例3
采用如图4所示意结构的玻璃芯片，该芯片包括位于一端的进样口、28个反应池1和位于整个反应池1区域上方的流道4，该芯片有相互扣合的下层基片和上层盖片构成，下层基片上形成有10μm长×10μm宽×20μm深的凹陷结构作为反应池1，上层盖片上形成有5000μm长×5000μm宽×1000μm深的区块状凹陷结构作为流道4，并形成有进样口。
得到亲疏水表面的方法同实施例1。
最终得到的芯片中，水在所述反应池1(下层基片的凹陷结构)上的接触角θ1为39°、在断流区2(与流道4对应的下层基片的凹陷结构以外的部分)上的接触角θ2为133°。
首先从进样口向芯片的流道4中以1μL/s的流速通入含有E.Coli DNA的1xPBS缓冲溶液(购自thermofisher，货号10010023，粘度为0.8864cP)，然后将矿物油：十四烷液体＝1：4(体积比)的混合溶液同样以1μL/s的流速(介质液体对样品液体的剪切速率为200μm/s)通入流道4，将E.Coli DNA溶液全部推出后，可在芯片表面上反应池1内形成溶液的小液滴。
液滴形成率(反应池中有液滴保留的比例)为100％。
实施例4
采用实施例3中的芯片。
首先在流道中以1μL/s的流速通入含有E.Coli DNA的缓冲溶液(同实施实例3)，然后将十四烷液体(粘度为2.18cP)以10μL/s的流速(介质液体对样品液体的剪切速率为2000μm/s)通入流道，将E.Coli DNA溶液全部推出后，可在芯片表面上反应池内形成溶液的小液滴。
液滴形成率(反应池中有液滴保留的比例)为80％。
对比例1
采用实施例3中的芯片，区别仅在于，最终得到的芯片中，不形成断流区2，即水在所述反应池1(下层基片的凹陷结构)以及下层基片的凹陷结构以外的部分上的接触角θ1均为39°。
采用与实施例3相同的方法形成液滴，液滴形成率(反应池中有液滴保留的比例)为5％。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种芯片，其特征在于，所述芯片包括流道（4）和反应池（1），所述流道（4）位于所述反应池（1）的上方，所述流道（4）的至少一端与所述反应池（1）连通，且所述流道（4）包括与所述反应池（1）连通的断流区（2），样品液体在所述反应池（1）上的接触角为θ1、在所述断流区（2）上的接触角为θ2时，满足条件0<θ1<60°以及120°<θ2<180°，所述反应池（1）的高度L和宽度D满足L≤2D，所述流道（4）下方除所述反应池（1）以外的部分均作为断流区（2），所述反应池（1）的截面积为所述流道（4）的截面积的2倍以上。
2.根据权利要求1所述的芯片，其中，所述流道（4）包括与所述断流区（2）连通的浸润区（3），样品液体在所述浸润区（3）上的接触角为θ3时，满足条件0<θ3<90°。
3.根据权利要求2所述的芯片，其中，所述断流区（2）的截面积小于所述浸润区（3）的截面积。
4.根据权利要求1所述的芯片，其中，所述流道（4）和/或所述反应池（1）经过表面改性。
5.根据权利要求4所述的芯片，其中，所述表面改性方法选自硅烷化、化学沉积、诱导接枝聚合、共价偶联、等离子体改性、涂覆改性材料中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的芯片，其中，所述芯片的材质选自玻璃、石英、高分子聚合物和碳化硅中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的芯片，其中，所述高分子聚合物选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚碳酸酯中的一种或多种。
8.一种芯片的液流控制方法，其特征在于，该方法包括：驱动样品液体并将其通过权利要求1-7中任意一项所述的芯片的所述流道（4）进入所述反应池（1），在所述反应池（1）充满后，减少驱动样品液体使得所述样品液体在所述断流区（2）断流，从而控制所述反应池（1）中的液体体积。
9.根据权利要求8所述的液流控制方法，其中，通过对样品液体直接加压或利用驱动介质推动驱动样品液体。
10.根据权利要求9所述的液流控制方法，其中，所述样品液体的粘度为1000cP以下。
11.根据权利要求8所述的液流控制方法，其中，通过介质液体的流动驱动样品液体。
12.根据权利要求11所述的液流控制方法，其中，所述介质液体的粘度高于所述样品液体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述样品液体的粘度为500cP以下。
14.一种水质多参量检测设备，其特征在于，该水质多参量检测设备包括权利要求1-7中任意一项所述的芯片。
15.权利要求1-7中任意一项所述的芯片、权利要求8-13中任意一项所述的芯片的液流控制方法或者权利要求14所述的水质多参量检测设备在微全芯片检测领域的应用。
CN201810448646.4A 2018-05-11 2018-05-11 芯片及其液流控制方法和应用 Active CN110465337B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810448646.4A CN110465337B (zh) 2018-05-11 2018-05-11 芯片及其液流控制方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810448646.4A CN110465337B (zh) 2018-05-11 2018-05-11 芯片及其液流控制方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110465337A CN110465337A (zh) 2019-11-19
CN110465337B true CN110465337B (zh) 2024-03-22

Family

ID=68504221

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810448646.4A Active CN110465337B (zh) 2018-05-11 2018-05-11 芯片及其液流控制方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110465337B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6130098A (en) * 1995-09-15 2000-10-10 The Regents Of The University Of Michigan Moving microdroplets
JP2005502031A (ja) * 2001-08-28 2005-01-20 ユィロス・アクチボラグ 保持するためのマイクロ流体マイクロキャビティおよび他のマイクロ流体構造体
JP2011169695A (ja) * 2010-02-17 2011-09-01 Sharp Corp 送液装置
CN102256690A (zh) * 2008-12-16 2011-11-23 皇家飞利浦电子股份有限公司 疏水阀
CN105689026A (zh) * 2014-11-24 2016-06-22 中国科学院化学研究所 一种微液滴及微阵列的分离制备方法
CN205886912U (zh) * 2016-04-27 2017-01-18 浙江工业大学 一种基于sers检测的液滴自驱动式微流控芯片
CN208642693U (zh) * 2018-05-11 2019-03-26 中国石油化工股份有限公司 芯片和水质多参量检测设备

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6130098A (en) * 1995-09-15 2000-10-10 The Regents Of The University Of Michigan Moving microdroplets
JP2005502031A (ja) * 2001-08-28 2005-01-20 ユィロス・アクチボラグ 保持するためのマイクロ流体マイクロキャビティおよび他のマイクロ流体構造体
CN102256690A (zh) * 2008-12-16 2011-11-23 皇家飞利浦电子股份有限公司 疏水阀
JP2011169695A (ja) * 2010-02-17 2011-09-01 Sharp Corp 送液装置
CN105689026A (zh) * 2014-11-24 2016-06-22 中国科学院化学研究所 一种微液滴及微阵列的分离制备方法
CN205886912U (zh) * 2016-04-27 2017-01-18 浙江工业大学 一种基于sers检测的液滴自驱动式微流控芯片
CN208642693U (zh) * 2018-05-11 2019-03-26 中国石油化工股份有限公司 芯片和水质多参量检测设备

Also Published As

Publication number Publication date
CN110465337A (zh) 2019-11-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2003438A2 (en) Apparatus for focusing a particle in sheath flow and method of manufacturing the same
KR100508326B1 (ko) 미세 유체 관로에서의 케스케이드식 유체 동압 집중 장치 및 방법
US9594071B2 (en) Device and method for laser analysis and separation (LAS) of particles
US20020166592A1 (en) Apparatus and method for small-volume fluid manipulation and transportation
US11911763B2 (en) Microfluidic device and methods
EP3461559A1 (en) Manual or electronic pipette driven well plate for nano-liter droplet storage and methods of using same
CN109746059B (zh) 微液滴生成系统
CN208642693U (zh) 芯片和水质多参量检测设备
CN111957360A (zh) 液滴微流控芯片及微液滴的制备方法
CN210510505U (zh) 虹吸阀装置、微流控结构及分析装置
CN114717100B (zh) 一种用于单细胞测序的微流控芯片及应用
US9080993B2 (en) Microdevice, microchip apparatus and analysis method utilizing the same
CN111760600B (zh) 一种微流控芯片及其制备方法与细胞分选方法
CN110465337B (zh) 芯片及其液流控制方法和应用
JP2005131634A (ja) 濾過装置の構成に有用なアンダードレイン
CN111389474B (zh) 一种用于样本分散的微流控芯片及其制备方法与应用
WO2019086018A1 (zh) 微液滴生成装置
CN113677425A (zh) 微流体装置和用于提供乳液液滴的方法
CN114260035B (zh) 一种多层包裹微流控芯片与细胞颗粒生成器
US20070199603A1 (en) Fluid handling apparatus
US11229912B2 (en) Particle separation
JP2005147840A (ja) マイクロフローデバイス用プラスチック基板
US11230692B2 (en) Particle separation and analysis
KR101337587B1 (ko) 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치 및 이를 이용한 미세채널 내부로의 미세입자 주입방법
CN106582901B (zh) 一种能自动调控溶液离子浓度的微流控器件、其制备及使用方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20240222

Address after: Yanan City, Shandong province Qingdao City three road 266071 No. 218

Applicant after: CHINA PETROLEUM & CHEMICAL Corp.

Country or region after: China

Applicant after: Sinopec Safety Engineering Research Institute Co.,Ltd.

Address before: Yanan City, Shandong province Qingdao City three road 266071 No. 218

Applicant before: CHINA PETROLEUM & CHEMICAL Corp.

Country or region before: China

Applicant before: SINOPEC Research Institute OF SAFETY ENGINEERING

TA01 Transfer of patent application right
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant