CN110579616B - 一种微液滴处理装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微液滴处理装置，其包括：进样系统、微流控芯片系统、控温系统、液滴识别系统、液滴检测系统以及控制系统，其中，进样系统，其用于向微液滴处理装置进样水相和油相，其中，该进样系统至少包括：进样系统I和进样系统II，进样系统I用于向微液滴处理装置中进样油相，进样系统II用于向微液滴处理装置中进样水相；微流控芯片系统，其包括：基板、形成在基板内的管道、以及第一检测窗和第二检测窗；控温系统，其包括：温度传感器、以及控温构件；液滴识别系统，其包括：激光光源和光电传感器；液滴检测系统，其包括：光纤光谱仪、及卤素光源；以及控制系统，其用于对微液滴处理装置中的各系统进行控制。

Description

一种微液滴处理装置及其使用方法
技术领域
本发明属于微流控领域，特别涉及一种微液滴处理装置及其使用方法，具体来说该微液滴处理装置可以是一种微生物液滴培养装置。
背景技术
微流控芯片技术被广泛应用到生物、化学、医学分析等过程中的样品制备、反应、分离、检测等工作中，是飞速发展的前沿技术和研究最为活跃的领域之一。处理样品溶液的微流控芯片对灭菌和进样的稳定性有很高的要求，微流控芯片的样品注入需要缓慢，如pL-nL/s级别，液滴微流控对进样的稳定性更高，轻微的波动就会影响到液滴的稳定性和均一性。
传统的微生物选育一般采用平板涂布培养获得单菌落，再用摇瓶规模发酵培养验证。由于普通的微生物经过初筛、复筛等流程，到确认满足生产需要，一般要经过几个月到几年的时间，采用这种选育方法，筛选周期长。其次，采用传统选育方法，摇瓶水平发酵培养及评价过程，需要足够的人力和实验空间、培养空间，筛选效率往往只能达到101～2/每批次，造成筛选通量低；再次，诱变筛选工作的成功与否和筛选数量密切相关，如要获得目标性状突变株，需要大量的筛选样品量，使研发人员的工作量非常大。最后，传统选育方法，建立在固体培养或者大体积液体培养的基础上，造成了培养、检测用物料和资源消耗较多，实验成本高。
为了解决上述问题，发展了微孔板培养筛选技术和微流控技术。微孔板筛选技术将培养体系从摇瓶水平的50～100毫升降低到几毫升至几十微升，可以同步实现24、48、96乃至384、1536等多个样品的培养，再配合相应的自动化监测设备，实现某些过程参数的在线监测。为了提高微孔板的筛选效率，围绕多孔板体系开发了包括自动化单克隆挑选设备、自动灭菌培养基制备设备、自动培养基分装系统、自动细菌平板稀释仪等在内的专业配套设备，大大提高了工作效率。
微流控技术是上世纪九十年代在分析化学领域发展起来的，它是基于微管道网络结构，实现微量样品的制备、进样、反应、分离、检测于一体的微型分析实验装备。微流控技术具有极高的效率，由于结构微小，易在芯片上一次集成上百个微生物培养单元，可节省大量的培养基；采用软件集成操作，可在芯片上模拟整个实验流程操作。
专利文献CN 103983794A于2014年公开了一种微流控芯片，一种微流控芯片，包括检测窗(检测孔)、电极、含有分叉结构的通道、进液池(或进液接口)、成品池(或出液接口)、废液池(或废液接口)等，进液池(或进液接口)、成品池(或出液接口)、废液池(或废液接口)分别与通道物理连接，检测窗(或检测孔)位于通道附近，电极固定在接近分叉处的通道两侧，从结构上解决了微流控中对液滴位置的识别、液滴体积的控制、液滴单个样品的切分、液滴内多个样品的分离、液滴参数筛选五个重要问题，实现了微流控技术的物质载体，但是不能实现检测功能，也不能在线控制微生物液滴的培养与筛选。
专利文献CN 104007091A于2014年公开了一种基于液滴微流控芯片的高通量检测系统，主要包括液滴微流控芯片系统、光路系统、数据采集分析系统构成；其中液滴微流控芯片系统将待检测微生物包埋形成独立单液滴微反应小室，通过光路系统进行单液滴微反应小室内微生物样品的激光诱导荧光检测信号传输，并由数据采集分析系统通过计算机软件对采集得到的信号进行检测分析，能实现包括大肠杆菌、谷氨酸棒杆菌和酿酒酵母不同类型工业微生物生产相关目标酶和代谢物高效的筛选，但是也不能实现微生物的在线培养。
由于微生物的选育是一个特殊的生物过程，需要先接种培养，再进行检测评价，最后才能选出目标微生物。因此，需要一种能够替代传统接种、摇瓶培养和传统检测的新装置，实现微生物微体积、高通量长时间连续培养、实时在线检测，并且通过生长性能、性状进行微生物选育的装备。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种微液滴处理装置，该装置可以用于微生物液滴的培养。该装置可以实现通过微流控芯片装载数百个体积在0.5～10μL含有微生物的微液滴，通过在线连续培养、检测和分选，完成微生物选育。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
1.一种微液滴处理装置，其包括：进样系统、微流控芯片系统、控温系统、液滴识别系统、液滴检测系统以及控制系统，其中，
进样系统，其用于向微液滴处理装置进样水相和油相，该进样系统至少包括：进样系统I和进样系统II，所述进样系统I用于向微液滴处理装置中进样油相，进样系统II用于向微液滴处理装置中进样水相；
微流控芯片系统，其包括：基板、形成在基板内的管道、以及第一检测窗和第二检测窗；
控温系统，其包括：温度传感器、以及控温构件；
液滴识别系统，其包括：激光光源和光电传感器；
液滴检测系统，其包括：光纤光谱仪、及卤素光源；以及
控制系统，其用于对微液滴处理装置中的各系统进行控制。
2.根据项1所述的装置，其中，
所述液滴识别系统利用光电传感器与激光光源对通过微流控芯片系统的第一检测窗的水相样品液滴进行识别；
所述液滴检测系统利用光纤光谱仪与卤素光源对通过微流控芯片系统的第二检测窗的水相样品液滴的光谱信号进行检测。
3.根据项1或2所述的装置，其中，
所述进样系统至少分别包括两个进样系统I和一个进样系统II。
4.根据项3所述的装置，其中，
所述进样系统包括三个进样系统I和三个进样系统II。
5.根据项3或4所述的装置，其中
所述进样系统I包括液体容器以及动力源，
所述进样系统II包括液体容器、动力源以及缓冲瓶，
所述动力源为注射泵、蠕动泵、隔膜泵和/或柱塞泵，优选为注射泵，
所述液体容器，其容纳与待进样的样品溶液不相溶且不可压缩的液体，
所述动力源，其驱动所述液体经由输入管进入缓冲瓶，
所述缓冲瓶，所述缓冲瓶容纳所述样品溶液，当动力源驱动时，所述液体经由输入管进入缓冲瓶从而推动样品溶液经由输出管进入所述微流控芯片系统，所述液体容器、动力源和缓冲瓶经由毛细管道连通。
6.根据项1～5中任一项所述的装置，其中，
微流控芯片系统，其包括：
基板；以及
形成在所述基板内的第一管道、第二管道以及第三管道，
其中，所述第一管道，其两端分别包括第一连接口和第二连接口，
第二管道，其一端包括第三连接口，另一端与第一管道连通，
第三管道，其一端包括第四连接口，另一端与第一管道连通，
第一管道和第二管道的第一连通部位位于第三管道和第一管道的第二连通部位的在液滴移动方向的上游，且第一连通部位和第二连通部位之间的距离为500μm～2000μm，优选750μm～1800μm，优选为1000μm～1500μm，
形成在第一管道上的第一检测窗和第二检测窗，
第一检测窗和第二检测窗为形成在第一管道上的透明区域，以及
与第一管道、第二管道以及第三管道密封连接的毛细管道。
7.根据项6所述的装置，其中，
所述第一管道在第一连通部位的上游分支为第一管道a、第一管道b、第一管道c以及第一管道d，
其中第一检测窗和第二检测窗形成在第一管道a上，
通过第一管道a、第一管道b、第一管道c以及第一管道d上的第一连接口和第二连接口密封连接毛细管道，
通过第二管道以及第三管道分别通过第三连接口和第四连接口密封连接毛细管道。
8.根据项6或7所述的装置，其中，
所述基板和第一管道、第二管道和第三管道由自玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)形成，优选由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成，
所述毛细管道为硬质管，以及，进一步优选所述毛细管道为聚四氟乙烯管(PTFE管)、全氟丙基全氟乙烯基醚与聚四氟乙烯的共聚物管(PFA管)、聚醚醚酮管(PEEK管)、聚碳酸酯管(PC管)、聚苯乙烯管(PS管)中的任一种，
进一步优选第一管道，第二管道，第三管道以及所述毛细管道的横截面积的范围为2.5×10-3mm2～4mm2，优选为0.01～3mm2，进一步优选为0.1～2.5mm2，进一步优选为0.25～1mm2。
9.根据项1～8中任一项所述的装置，其中，进样系统和微流控芯片系统通过毛细管道、连接口连接后形成密封的闭环控制结构。
10、根据项1所述的装置，其中，
进样系统、微流控芯片系统、液滴识别系统、以及液滴检测系统均设置在一个箱体内，
所述箱体内的温度由控温系统控制，
进一步优选所述箱体内的温度控制在10℃～50℃的范围，温度波动范围控制在±0.5℃以内。
11、根据项10所述的装置，其中，所述箱体还包括灭菌装置，优选所述灭菌装置为紫外灯。
12.根据项1～11中任一项所述的装置，其中，
所述控制系统包括：控制器和PC机显示控制系统；
所述控制器分别连接进样系统、控温系统、液滴识别系统、液滴检测系统，通过控制系统中的数字电路进行控制；
所述PC机显示控制系统对进样系统、微流控芯片系统、控温系统、液滴识别系统、液滴检测系统的信息进行显示、储存与分析。
本发明涉及一种微生物液滴培养装置，其包括进样系统、微流控芯片系统、控温系统、液滴识别及检测系统、控制系统组成，其特征在于：
进样系统，由进样系统I和进样系统II组成，所述进样系统I进油相和进样系统II进水相；
微流控芯片系统，由基板、形成于基板上的微通道、检测窗；
培养系统，由连接在微流控芯片上的管路组成；
控温系统，包括温度传感器、控温构件组成；
液滴识别和检测系统，包括光纤光谱仪、光电传感器、激光光源、卤素光源等组成，所述光电传感器与激光光源配合使用在微流控芯片系统的第一检测窗处对微液滴的状态进行识别；所述光纤光谱仪与卤素光源配合使用在微流控芯片系统的第二检测窗处对容纳的微液滴中的样品进行检测；
控制系统，包括控制器和PC机显示控制系统；所述控制器分别连接进样系统、控温系统、检测系统，并对数字电路进行控制；所述PC机显示控制系统对进样系统、微流控芯片系统、控温系统、检测系统的信息进行显示、储存与分析。
所述进样系统至少分别包括两个油相进样系统和一个水相进样系统；所述进样系统可以包括多个油相进样系统和多个水相进样系统；所述进样动力源为压力泵或注射泵；
微流控芯片系统可以实现微液滴的生成、分割、融合、检测和分离等操作；
培养系统由软质的中空管路构成，管路的一端连接在芯片的微通道上，管路的另一端可以连接到芯片的微通道上，也可以直接连接到动力装置；所述装置中的微液滴可以从芯片流向管路，也可以从管路流向芯片；所述培养系统的管路可以是透气的，也可以是不透气的；所述培养系统所采用的的管路的内径尺寸范围为0.1～2mm；
含有微生物的微液滴再经过培养之后，可以在芯片上实现定量的分割，所分割后的微液滴可以和新的微液滴融合，所融合的新的微液滴可以继续培养；所述分割与融合过程，之前或之后，均可以对微液滴进行检测；
进样系统、微流控芯片系统和培养系统及附带的动力装置，通过管道、接口等连接后形成密封的无菌结构；
进样系统、微流控芯片系统和培养系统均置于可以控温的箱体内，箱体内的温度由控温系统实现；所述控温系统由温度传感器和控温构件组成；所述控温构件的温度最高可达到50℃，最低可达10℃，温度波动范围控制在±0.5℃以内。
所述的控温箱体包括灭菌装置，所述灭菌装置为紫外灯。
微生物液滴培养装置的使用方法，其步骤包括：
1)启动装置电源，开启PC机显示控制系统；
2)对装置管路进行排气操作，开启控温系统，预热5～30min；
3)利用PC机显示控制系统对进行管道液体初始化，光纤光谱仪、光电传感器初始化；
4)选择功能模式，如选择微流控芯片系统中液滴生成、液滴分割与融合、液滴培养、液滴分选等程序，设置设备参数，启动运行；
5)获得目标液滴，导出数据。
本发明培养微生物最多能过实现90天连续培养。
本发明的技术效果如下：
通过进样系统和微流控芯片系统，可以控制在微液滴处理装置中生成1～500个微滴，并且其中每个微滴的体积为0.5～10μL，利用这样的微液滴处理装置远比摇瓶、深孔板的通量大，消耗培养基少；控制系统还能实现定时定量的更换新鲜培养基，添加化学因子，远比传统的取种子液继代培养方便，省时省力。通过检测系统，实时在线检测每个微滴中微生物的生长，远比传统的取样检测方便，真正的做到不间断培养；还能智能化筛选，设定筛选性状，自动筛选合适的菌株，提高效率。
附图说明
图1为本发明微液滴处理装置的功能示意图；
图2为本发明微液滴处理装置的一实施方式的立体图；
图3示出本发明的微液滴处理装置中使用的微流控芯片的功能示意图；
图4示出本发明的微液滴处理装置中使用的微流控芯片系统的示意图；
图5为本发明微流控芯片用于微液滴定量分割与融合功能的结构示意图；
图6为本发明微流控芯片系统与微液滴处理装置中涉及的动力源和阀连接的结构示意图；
图7为本发明进样系统I的示意图；
图8为示出在本发明的微液滴处理装置中使用时的芯片系统与动力源和阀的连接示意图；
图9为本发明的微液滴温控显示温度变化图；
图10为本发明微生物液滴培养装置测定的46h大肠杆菌生长曲线图。
符号说明：
1(1a、1b、1c、1d)第一管道；2第二管道；3第三管道；4基板；5电极；6电极；7孔；8孔；11(11’、11”、11”’)第一连接口；12第二连接口；21第三连接口；31第四连接口；13第一连通部位；14第二连通部位；15分支部位；
41进样系统I；42进样系统II；43控温系统；44检测系统(包括液滴识别系统和液滴检测系统)；45控制系统；46微流控芯片系统；47容器瓶a；48进样动力源a；49容器瓶b；50进样动力源b；51容器瓶c；52 EP管；53金属浴；54温度控制器；55激光光源；56光电传感器；57光纤；58光谱仪；59卤素光源；60油瓶；61进样缓冲瓶；62废液瓶；63注射泵；64散热风扇；65旋转阀；66紫外灯；67温度探测棒；68照明灯。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
如图1和2所示，本发明涉及一种微液滴处理装置，其包括：进样系统、微流控芯片系统、控温系统、液滴识别系统、液滴检测系统以及控制系统，其中，进样系统，其用于向微液滴处理装置进样水相和油相，该进样系统至少包括：进样系统I和进样系统II，所述进样系统I用于向微液滴处理装置中进样油相，进样系统II用于向微液滴处理装置中进样水相；微流控芯片系统，其包括：基板、形成在基板内的管道、以及第一检测窗和第二检测窗；控温系统，其包括：温度传感器、以及控温构件；液滴识别系统，其包括：激光光源和光电传感器；液滴检测系统，其包括：光纤光谱仪、及卤素光源；以及控制系统，其用于对微液滴处理装置中的各系统进行控制。
具体而言，如图1所示本发明的一种微生物液滴培养装置，其包括进样系统、微流控芯片系统、控温系统、检测系统(可以为液滴识别系统和液滴检测系统)、控制系统组成。
进样系统，由进样系统I和进样系统II组成，所述进样系统I进油相和进样系统II进水相；所述进样系统I包括容器瓶a、进样动力源a和相互连接的导管；进样系统II包括容器瓶b、进样动力源b、容器瓶c和相互连接的导管；其中，所述进样系统II中容器瓶b中容纳与容器瓶c不相容、互不反应且不可压缩的液体，所述进样动力源a驱动容器瓶a中的液体经过导管稳定可控地进入微流控芯片系统中；容器瓶c底部容纳待进样的生物样品，当进样动力源b驱动时，容器瓶b中的液体经过导管进入容器瓶c中增加液压使得容器瓶c底部的生物样品稳定可控的进入微流控芯片；所述动力装置为进样动力源，优选压力泵或注射泵。
在本发明的装置中，进样系统至少分别包括两个进样系统I(在本发明中有时也称为油相进样系统)和一个进样系统II(在本发明中有时也称为水相进样系统)，进样系统II包括液体容器、动力源以及缓冲瓶；所述进样系统I包括油相容器以及动力源，其中，动力源为注射泵、蠕动泵、隔膜泵和/或柱塞泵，优选为注射泵，液体容器，其容纳与待进样的样品溶液不相溶且不可压缩的液体，动力源，其驱动所述液体经由输入管进入缓冲瓶，缓冲瓶，所述缓冲瓶容纳所述样品溶液，当动力源驱动时，所述液体经由输入管进入缓冲瓶从而推动样品溶液经由输出管进入所述微流控芯片系统，所述液体容器、动力源和缓冲瓶经由毛细管道连通，所述油相容器，其容纳介质油。
在一个具体的实施方式中，本发明的装置中的进样系统包括三个进样系统I和三个进样系统II。
作为进样系统II的一个示例，如图7所示。从图7可以看出，进样系统II包括：液体容器71(例如上述容器瓶b)，其容纳与所述样品溶液不相溶且不可压缩的液压液体，液体容器71通过液压液体输出管路与动力源72相连接，动力源72驱动所述液压液体经由输入管73进入缓冲瓶74。在图7所示的具体的实施例中选用的液压液体密度小于样品溶液密度，缓冲瓶74(例如，容器瓶c)中上部容纳液压液体，底部容纳样品溶液，其中输入管73连接于缓冲瓶74的口部，输出管75连接于缓冲瓶74底部。当动力源72驱动时，所述液体经由输入管73进入缓冲瓶74从而推动样品溶液经由输出管75进入微流控芯片系统76中。在此，液压液体可以是油相。其中输出管路、输入管等均可以采用下述本发明中的毛细管路。
在一个具体的实施方式中，上述液体容器由刚性材料制成，可以保证进样过程中液体容器无柔性变化。其中，所述刚性材料为塑料材料或金属材料。所述塑料材料选自PC(聚碳酸酯)，ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PS(聚苯乙烯)中的任一种或多种，所述金属材料可以是金属单质、金属氧化物或金属合金，所述金属材料选自铁、铝、铜、氧化铁、氧化铝、氧化铜中的任一种或多种，还可以是铁、铝、铜、氧化铁、氧化铝、氧化铜中的任一种或多种形成的合金或与其他材料形成的合金。
微流控芯片系统，由基板、形成于基板上的微通道、第一检测窗、第二检测窗组成，微流控芯片系统与进样系统通过管道形成密封无菌结构。
如图3和图4分别示出了本发明中使用的微流控芯片的功能示意图和具体的结构图的例子。图3示出了本发明所述的一种微流控芯片的结构示意图，其至少包括基板4，以及形在基板上的第一管道1、第二管道2以及第三管道3。
具体来说，在本发明的微流控芯片中，形成在所述基板内的第一管道、第二管道以及第三管道是指在基板内部形成的第一管道、第二管道以及第三管道。
所述基板4为微流控芯片基板，由自玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)形成，第一管道1、第二管道2以及第三管道3形成于基板4内部，在本发明的一个具体实施方式中，基板和管道一起雕刻成型。
本实施方式中，所述管道材质选自玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)中的任一种，优选构成材料为聚甲基丙烯酸甲酯，所述管道横截面形状没有限制，可以是圆形、矩形、椭圆形等任何便于成型及便于液滴流通的形状，所述管道的横截面积的范围为2.5×10-3mm2～4mm2，优选为0.01～3mm2，进一步优选为0.1～2.5mm2，进一步优选为0.25～1mm2。进一步优选所述第一管道、第二管道和第三管道的横截面积相同。本领域技术人员可以根据芯片基板的大小，待培养检测分选的液滴的需求，合理设置管道的粗细。
在一个具体的实施方式中，本发明的管道横截面为正方形，其边长的范围为0.5-2mm。
在一个具体的实施方式中，所述第一管道、第二管道以及第三管道的横截面积可以彼此相同，也可以不相同。第一管道、第二管道以及第三管道本身也可以是变径的，即第一管道、第二管道和第三管道的横截面积不是恒定的。在本发明中，只要第一管道、第二管道和第三管道的横截面积的范围满足上述限定即可。
如图3所示，基板4内形成有第一管道1、第二管道2以及第三管道3，所述第一管道1，其两端分别包括第一连接口11和第二连接口12，第一管道1可用于在未进行切割和融合前，容纳待分割液滴a和待融合液滴b，以及进行切割和融合时，第一管道1中容纳第二部分液滴a2和新液滴c。第二管道2，其一端包括第三连接口21，另一端与第一管道1连通，第二管道2用于容纳切割后的第一部分液滴a1。第三管道3，其一端包括第四连接口31，另一端与第一管道1连通，第三管道3用于容纳切割后的第二部分液滴a2。第一管道1和第二管道2的第一连通部位13位于第三管道3和第一管道1的第二连通部位14的在液滴移动方向的上游，且第一连通部位13和第二连通部位14之间的距离为500μm～2000μm，优选750μm～1800μm，优选为1000μm～1500μm。
第一连通部位13和第二连通部位14之间的距离和液滴的大小、管道的截面积相关，在本发明中，所述距离为500μm～2000μm，优选750μm～1800μm，优选为1000μm～1500μm。具体来说，所述距离可以为600μm、700μm、800μm、900μm、1100μm、1200μm、1300μm、1400μm、1600μm、1700μm、1900μm。
本发明的芯片还包括形成在第一管道1上的第一检测窗9和第二检测窗10，第一检测窗9和第二检测窗10只要可以用于在该位置实现对在芯片管道中运动的微液滴进行监控和检测即可，对于检测窗的具体形式没有任何限定，如果芯片和管道本身是由透明材料形成的，则第一检测窗9和第二检测窗10为第一管道1上的两个检测位点。如果芯片和管道本身的材料不是透明的，则需要在管道本身上形成两个透明的部位，以用作第一检测窗9和第二检测窗10。
在一个具体的实施方式中，对于形成第一检测窗9和第二检测窗10的大小没有具体的限定，由于两个检测窗为第一管道上的一段区域，对于该区域在管道上的长度而言，该长度可以为例如200μm～1mm，优选为500μm～1mm，利用这样的长度的检测窗可以更为有效和准确地对在管道中运动的微液滴进行监控和检测。
当芯片在使用时，在芯片内部有微液滴进行传输时，第一检测窗9和第二检测窗10可以分别用作液滴识别点和液滴检测点，例如液滴识别点可以基于激光系统来检测液滴是否通过该检测窗，同时液滴检测点可以用于例如通过光谱系统来检测通过该检测窗的液滴的光谱信息。
第一管道1、第二管道2以及第三管道3形成在芯片基板4内部，所述第一管道的第一连接口11和第二连接口12、第二管道的第三连接口21，第三管道的第四连接口31均位于基板4的边缘。
当然，本领域技术人员完全可以理解，图3仅仅为示例性的示出了本发明涉及的芯片的一个例子，可以采用任何本领域技术人员已知的方法来构建芯片中的各部件。
具体来说，本发明的芯片可以用来实现微液滴的分割和融合操作，图3也示出了当一个待切割液滴a和一个待融合液滴b从第一连接口11进入第一管道1进行切割和融合的连接结构。
在一个具体的实施方式中，例如第一管道1通过第一连接口11和毛细管道与位于芯片外部的第一动力源连通，第一管道1通过第二连接口12和毛细管道与位于芯片外部的第一阀连通，第二管道2通过第三连接口21和毛细管道分别与位于芯片外部的第二动力源和位于芯片外部的第二阀连通，第三管道3通过第四连接口31和毛细管道与位于芯片外部的第三阀连通。在本实施例中，毛细管道一端插接于位于基板边沿的第一管道、第二管道及第三管道的连接口，另一端与动力源和阀相连通，具体的连通方式如图6所示。
在本发明中通过使用动力源可以实现高精度，平稳无脉动的液体传输。在本发明具体实施方式中，第一动力源和第二动力源分别独立地选自注射泵、压力泵、蠕动泵、隔膜泵和/或柱塞泵中的任一种，优选第一动力源和第二动力源为注射泵。在本发明中，对于动力源的量程的大小没有限定，本领域技术人员可以根据需要进样的样品的多少来适当的选定合适量程的注射泵、压力泵、蠕动泵、隔膜泵和/或柱塞泵。
在本发明中通过使用阀门，以及通过打开和关闭阀门来改变各密闭管道内的压力，通过压力的变化来控制各管道内液滴的流动方向。在本发明中，第一阀、第二阀和第三阀分别独立地选自电磁阀、旋转阀、摇臂阀、夹断阀中的任一种。优选所述第一阀、第二阀和第三阀为旋转阀。
在一些具体的实施方式中，本领域技术人员也可以理解，阀门也可以通过其他形式的机构或部件来代替，例如可以采用用作动力源的注射泵来当做阀门，只要是可以实现通过打开和关闭改变密闭管道内的压力即可。
在本发明中，第一管道、第二管道、第三管道仅用来表示不同类型的管道，并不意在限定管道的数量，第一管道可以为数个第一管道，第二管道可以为数个第二管道，第三管道可以为数个第三管道。
在本发明中，第一阀、第二阀、第三阀仅是用来表示发挥不同作用的阀，并不意在限定阀的数量，第一阀可以为数个第一阀，第二阀可以为数个第二阀，第三阀可以为数个第三阀。
在本发明中，第一动力源、第二动力源仅是用来表示发挥不同作用的动力源，并不意在限定动力源的数量，第一动力源可以为数个第一动力源，第二动力源可以为数个第二动力源。
在本发明的芯片使用时，可以通过下述毛细管道将芯片与动力源和阀连接，在本发明的具体实施方案中，如下所述，毛细管道的横截面积的范围为2.5×10-3mm2～4mm2，优选为0.01～3mm2，进一步优选为0.1～2.5mm2，进一步优选为0.25～1mm2。
所述管道连接口和毛细管连接，连接处进行密封处理，再通过毛细管与动力源和/或阀连通。为保证动力源压力的稳定传导，所述毛细管为硬质管，管路无柔性变化。进一步优选所述毛细管为聚四氟乙烯管(PTFE管)、全氟丙基全氟乙烯基醚与聚四氟乙烯的共聚物管(PFA管)、聚醚醚酮管(PEEK管)、聚碳酸酯管(PC管)、聚苯乙烯管(PS管)中的任一种。
在本发明的一个具体实施方案中，第一管道通过第一连接口和毛细管道与第一动力源连通，第一动力源驱动，通过第一管道的第一连接口向管道内产生压力，从而推动液体a或液滴b从第一连接口进入第一管道中，并控制液滴在管道中运动，进行液滴培养。
第二管道通过第三连接口和毛细管道与第二阀连通，当第一动力源驱动，仅第二阀开启时，可控制第一管道内的液滴a向第二管道内流动；第三管道通过第四连接口和毛细管道与第三阀连通，当第一动力源驱动，仅第三阀开启时，可控制第一管道内的液滴a向第三管道内流动。通过第二阀和第三阀的交替开启，则可以完成液滴a的切割。
第二管道通过第三连接口和毛细管道与第二动力源连通，第二动力源驱动时，通过第二管道的第三连接口向管道内产生压力，从而推动待融合液滴a1进入停留在第一管道和第二管道第一连通部位的液滴b中，完成液滴的融合。
第一管道通过第二连接口和毛细管道与第一阀连通，当第一动力源驱动，仅第一阀开启，可推动融合后的液体c从第二连接口流出。
芯片基板内的第一管道用于容纳例如，待分割液滴a和待融合液滴b，所述待分割液滴a和待融合液滴b的液滴体积为0.5-10μl，优选为0.6～8μl，进一步优选0.7～7μl，进一步优选0.8～6μl，进一步优选0.9～5μl，进一步优选为1～3μl。
在本发明的一种实施方式中，如图4所示，所述芯片基板上有2个孔(7、8)，所述孔(7、8)位于第一管道1和第二管道2的第一连通部位13附近，其位置并不固定，可以分别位于第二管道2的两侧，也可以分别位于第一管道1的两侧，所述孔(7、8)与所述第一管道1和第二管道2的第一连通部位13的距离为0.1mm-1cm，优选0.3mm-5mm，进一步优选为0.5mm-2mm，所述孔(7、8)用于容纳另外设置的融合电极的正负两极，本领域技术人员可以根据芯片设计需求在上述范围内设置孔(7、8)位置。加载在所述融合电极上的电压频率为0-20000Hz，优选1000-10000Hz，所述电极电压为1-5000V，优选500-1000V。当所述融合电极连通电源，产生电场作用在第一连通部位处的液滴处，所述电场可以是交变电场或恒定电场中的任意，电极施加的电压为1-5000V，优选500-1000V。通过施加这样的电场可以进一步促进待融合液滴a1和停留在第一管道1和第二管道2的第一连通部位13液滴b相融合。
另外，在本发明中，对于孔(7、8)的具体形状和孔的大小没有限定，只要可以用来放置另外设置的融合电极即可。融合电极通常包括正负两极。
在本领域技术人员实施过程中，可以根据本发明所述原理，在芯片上设置数个第一管道、第二管道和第三管道分别用于不同液体的切割融合，也可以将在第一管道的第一连接口、第二管道的第三连接口拓展为数个，分别连接不同的动力源，推动不同类型的待分割液滴a和待融合液滴b进入第一管道中。
通过采用数个第一管道1和数个第二管道2可以实现分别推动不同类型的待分割液滴a和待融合液滴b进入第一管道1或第二管道2中。本领域技术人员可以根据液滴切割和融合的需求，采用本发明所述切割融合装置连接原理，设计相应的液滴切割和融合装置。同样上述第一管道1a、第一管道1b、以及第一管道1c，第二管道2a、第二管道2b、以及第二管道ac仅仅是为示意性的，第一管道1可以是由n个不同的分管道构成，第二管道可以由m个不同的分管道构成，其中，n和m可以是相同，也可以是不同的，n和m可以各自选自1～20中的整数。
同样，待分割液滴aa、待分割液滴ab、待分割液滴ac和待融合的液滴ba、待融合的液滴bb、以及待融合的液滴bc也是示意性的。基于n个第一管道和m个第二管道可以用于进样n种不同的待分割液滴a，以及m种不同的待融合液滴b。
进一步，针对m个第一管道1和n个第二管道2，同样可以采用m个第一动力源和n个第二动力源来分别用于控制推动不同的液滴，当然如果设计合理，也可以考虑合并其中的一些动力源来实现分别推动n种不同的待分割液滴，以及m种不同的待融合液滴b。
在本发明一个具体的实施方式中，本发明涉及一种微流控芯片，如图4所示，基板4内形成有第一管道1a、第一管道1b、第一管道1c、第一管道1d、第二管道2以及第三管道3，所述第一管道1a，其两端分别包括第一连接口11和第二连接口12，第一管道1b，其一端分别包括第一连接口11’，另一端与第一管道1a在分支部位15合并，第一管道1c，其一端分别包括第一连接口11”，另一端与第一管道1a在分支部位15合并，第一管道1d，其一端分别包括第一连接口11”’，另一端与第一管道1a在分支部位15合并。第二管道2，其一端包括第三连接口21，另一端与第一管道1连通，第二管道2用于容纳切割后的第一部分液滴a1。第三管道3，其一端包括第四连接口31，另一端与第一管道1连通，第三管道3用于容纳切割后的第二部分液滴a2。第一管道1和第二管道2的第一连通部位13位于第三管道3和第一管道1的第二连通部位14的在液滴移动方向的上游，且第一连通部位13和第二连通部位14之间的距离为500μm～2000μm，优选750μm～1800μm，优选为1000μm～1500μm。
进一步分支部位15位于第一连通部位13的上游，且分支部位15和第一连通部位13之间的距离为500μm～5000μm，优选1000μm～3000μm，优选为2000μm～3000μm。
在上述具体的实施方式中，第一检测窗9和第二检测窗10形成在第一管道1a上，如图4所示。
如图4所示，第一连接口11’、11”、11”’，以及第三连接口21和第四连接口31可以分别连接不同的动力源和阀，用于实现油相和水相的进样，其中水相和油相的进样系统是可以切换的，例如在芯片刚刚开始启动时，与上述连接口连接的是油相进样系统，从而使芯片内部充满介质油。而在开始进样微生物液滴时，其中部分进样系统可以开始进样水相，例如可以用于进样用于培养的微生物液滴、用于反应的酶反应体系，以及用于培养的新鲜培养基、化学因子、基质反应液等等。
在本发明的一个具体的实施方式中，例如与第一连接口11’连接的是油相进样系统，与第一连接口11”连接的是水相进样系统，与第一连接口11”’连接的是水相进样系统，与第三连接口21连接的是水相进样系统，与第四连接口31连接的是阀系统。
在本发明的芯片和/或芯片系统使用的过程中，例如，第一连接口11’连接的油相进样系统向芯片中通入油相，同时，与第一连接口11”连接的水相进样系统根据需要在给定的进样时间，脉冲式地通入水相样品，由此在第一管道1b和第一管道1c连通处形成油包水的微液滴，例如待用于接种菌液的新鲜培养基或者包含用于酶反应的基质溶液，可以参见图4和图8。
动力源继续推动上述形成的微液滴向右方运动至第一管道1d和第一管道1b的连通处。然后停止推动该微液滴的运动，第一连接口11”’连接的动力源推动另外的水相溶液(例如可以是用于添加的某种化学因子溶液或者用于反应的包含另外一种基质的溶液)与停止在第一管道1d和第一管道1b处的微液滴中，形成如上文所述的待融合液滴b，具体来说该待融合液滴b可以是添加了某种化学因子的新鲜培养基，或者是综合了不同的反应基质(或底物)的反应物溶液。
在芯片开始使用时，在图4所示的第一管道1b中容纳油相(例如用作介质的矿物油)，在第二管道2中容纳水相，如待接种的菌液或者待反应的酶溶液。在第一管道1a和第二管道2的第一连通部位13处形成油包水的液滴即待分割液滴a，例如待接种的菌液，或包含可以用于与反应物反应的酶溶液。
在芯片和/或芯片系统开始使用的过程中，首先形成待分割液滴a，其次在第一管道中进行培养，再利用上述本发明的可以实现切割与融合的结构形成待融合液滴b，然后进行切割与融合与待分割液滴a切割和融合形成新液滴c。此外，第二管道2开始容纳水相，等菌液全部行程油包水的液滴后，就重新装入油相，第二管道在芯片运行的过程中作为上述第二管道进行切割与融合。
因此，如上所述，本发明的图3和图6示出的是用于实现切割和融合的基础芯片结构，图4和图8示出的是本发明的芯片和/或芯片系统的一个具体的实施方式，本领域技术人员可以理解，在图4所示的芯片中，当其局部的结构与图3的结构相同，其动力源和阀的结构能够实现图6所示的结构既可以实现液滴的融合和切割，在利用如图4所示的芯片进行操作时，无论是在芯片中首先形成被介质油包围的待切割液滴a，还是形成被介质油包围的待融合液滴b，均可以采用图3和图6所示的基础结构来实现，实现之后，图4所示的芯片还可以利用图3和图6所示的基础结构来实现形成被介质油包围的新液滴c。重复实现上述过程，可以形成数个～数百个新液滴c。
当然，进样系统和阀系统是通过与上述这些进样口密封连接的毛细管道连接。如上所述进样系统通常主要包括用于放置待进样的液体的容器、用于进样的管道和动力源。动力源如上所述，选自注射泵、压力泵、蠕动泵、隔膜泵和/或柱塞泵中的任一种，优选为注射泵。阀也如上所述，可以选自电磁阀、旋转阀、摇臂阀、夹断阀中的任一种，优选为旋转阀。
本领域技术人员可以理解，上述与第一连接口11’、11”、11”’、以及第三连接口21、第四连接口31连接的进样系统和阀仅仅是一个例子。根据芯片处于的状态，这些进样系统和阀之间的关系是可以替换的。
在本发明中还可以认为该装置中存在一个培养系统，该培养系统是由与微流控芯片连接的毛细管道组成。例如，如图4所示的本发明的芯片，第一连接口11通过毛细管路与第一培养管路连接，第二连接口12通过毛细管路与第二培养管路连接。第一培养管路和第二培养管路也可以由毛细管路构成，可以根据需要培养、需要反应体系对于培养时间和反应时间的要求来设计第一培养管路、第二培养管路的长度。
同时通过控制与本发明芯片连接的动力源等，微液滴在芯片中流动的方向可以反转。如上所述，形成的数个～数百个新液滴c可以在第一培养管路中培养，并且根据需要，还可以通过动力源的控制实现微液滴运动方向的反转，从而使得微液滴在管道中的实现往复运动。
如图4所示，在一个具体的实施方式中，在本发明的芯片上的第一管道1a上设置第一检测窗9和第二检测窗10，对于第一检测窗9和第二检测窗10的描述如上所述。
此外，在第一管道1a上，对于第一检测窗9和第二检测窗10之间的距离没有限定，只要可以分别实现对于在管道中流动的微液滴的识别和检测即可，例如第一检测窗9和第二检测窗10之间的距离(以沿着管道的距离为例)可以为1cm～10cm，优选为3cm～5cm。第一检测窗9和第二检测窗10可以分别用作微液滴的识别窗口和微液滴的检测窗口。
在一个具体的实施方式中，第一检测窗9用作微液滴的识别窗口，第二检测窗10用作微液滴的光学检测窗口。
如上所述，微液滴的识别可以通过与芯片外部设置的激光系统(例如设置在本发明的微液滴处理装置上)配合来实现，当激光系统持续发射一束激光照射到第一检测窗9时，如果有微液滴通过该第一检测窗9，则激光光束会被暂时遮挡，外部的记录系统可以记录下激光光束的变化。
微液滴的检测可以通过与芯片外部设置的光谱系统(例如设置在本发明的微液滴处理装置上)配合来实现，例如，可以设置一个光谱检测器，检测通过该第二检测窗10的微液滴的吸光度值，该吸光度值可以反映例如是微生物培养体系的微生物的生长程度，或者反映如果是带有颜色变化的反应体系的颜色变化。
图5示出了本发明的一种微流控芯片系统示意图，其中图5中在芯片基板外部的管道表示毛细管道。其中，与图4所示的结构一样，所述第一管道在第一连通部位的上游分支为第一管道a、第一管道b、第一管道c以及第一管道d，其中第一检测窗和第二检测窗形成在第一管道a上，通过第一管道a、第一管道b、第一管道c以及第一管道d上的第一连接口和第二连接口密封连接毛细管道，通过第二管道以及第三管道分别通过第三连接口和第四连接口密封连接毛细管道。
其中，第一管道，第二管道，第三管道以及所述毛细管道的横截面积的范围为2.5×10-3mm2～4mm2，优选为0.01～3mm2，进一步优选为0.1～2.5mm2，进一步优选为0.25～1mm2，进一步优选所述第一管道、第二管道和第三管道的横截面积相同。与第一管道、第二管道以及第三管道密封连接的毛细管道的密封连接部位位于所述基板内部。
在本发明中对于上述密封连接没有具体的限定，例如在芯片完成结构设计后，在雕刻机上进行加工，然后通过热压机对芯片基板进行压合，将毛细管深入芯片侧面深孔中，注入胶水进行密封结合。
本发明中的芯片系统中的毛细管道为硬质管，以及进一步优选所述毛细管道为聚四氟乙烯管(PTFE管)、全氟丙基全氟乙烯基醚与聚四氟乙烯的共聚物管(PFA管)、聚醚醚酮管(PEEK管)、聚碳酸酯管(PC管)、聚苯乙烯管(PS管)中的任一种。
进一步控温系统，包括温度传感器、控温构件组成；所述控温构件进一步为升温构件和降温构件组成，所述升温构件包括温度控制器和金属浴，容器瓶和/或液压缓冲瓶放入金属浴中，温度控制器带有风机。
在本发明的一种具体的实施方式中，所述升温构件包括温度控制器和金属浴，容器瓶和/或液压缓冲瓶放入金属浴中，温度控制器带有风机；所述控温系统还配置了降温装置风扇，风扇用于对设备运行环境降温，进一步对设备微生物培养进行降温。
在本发明的一种具体的实施方式中，所述升温和降温构件还可以包括水排控温系统，水排控温板位于微液滴处理装置中，水排控温板的进水口和出水口与外部的恒温水浴设备相连通，通过恒温水浴设备的恒温原理，控制水排控温板的温度，对系统进行升温降温控制，从而达到调节装置内温度的效果。
温度传感器可在线测定本发明的培养体系温度。通过控制系统的上位机软件打开温控开关，电路板程序开启温度控制功能并打开风扇，经过温度检测后开始阶梯性加热；当检测到温度达到目标值后自动调整部分参数，并开启风扇自动控制功能，结合温度传感器使温度保持在目标值(10～50)℃±0.2℃之间，其中在40℃测得的温度见图9。
本发明可以控制生成1～500个微滴，优选5～400个微滴，优选10～300个微滴，优选20～200个微滴，其中每个微滴的体积0.5～10μL，远比摇瓶、深孔板的通量大，消耗培养基少；实现定时定量的更换新鲜培养基，添加化学因子，远比传统的取种子液继代培养方便，省时省力；实时在线检测每个微滴中微生物的生长，远比传统的取样检测方便，真正的做到不间断培养；还能智能化筛选，设定筛选性状，自动筛选合适的菌株，提高效率。
进一步来说液滴识别系统，其包括：激光光源和光电传感器；液滴检测系统，其包括：光纤光谱仪、及卤素光源。
其中，所述液滴识别系统利用光电传感器与激光光源对通过微流控芯片系统的第一检测窗的水相样品液滴进行识别；所述液滴检测系统利用光纤光谱仪与卤素光源对通过微流控芯片系统的第二检测窗的水相样品液滴的光谱信号进行检测。
在本发明的一种实施方式中，如图2所示，进样系统、微流控芯片系统、控温系统、液滴识别系统、以及液滴检测系统均设置在一个箱体内，控温系统中的升温和降温构件采用空气加热器和风扇，空气加热器和风扇均设置在箱体内部；在本发明的另一种实施方式中(图中未示出)，进样系统、微流控芯片系统、液滴识别系统、以及液滴检测系统设置在一个箱体内，控温系统中升温及降温构件采用水排控温系统和风扇，水排控温板设置在箱体内，水排控温板的进出水口分别与外部的恒温水浴设备相连通，通过外部的恒温水浴设备控制水排控温板的温度，从而调节箱体内的温度，风扇设置在箱体内，用于对设备运行环境降温。
所述箱体内的温度由控温系统实现，进一步优选所述箱体内的温度控制在10℃～50℃的范围，温度波动范围控制在±0.5℃以内。所述箱体还包括灭菌装置，优选所述灭菌装置为紫外灯。
在本发明的装置中，控制系统，其用于对微液滴处理装置中的各系统进行控制。
所述控制系统包括：控制器和PC机显示控制系统；所述控制器分别连接进样系统、控温系统、液滴识别系统、液滴检测系统，通过控制系统中的数字电路进行控制；所述PC机显示控制系统对进样系统、微流控芯片系统、控温系统、液滴识别系统、液滴检测系统的信息进行显示、储存与分析。实施例
实施例1
第一管道、第二管道、第三管道为形成在芯片基板内的管道，芯片基板尺寸为3cm*5cm*4mm(长*宽*厚)，芯片基板所用材质为PMMA，形成于芯片基板内的第一管道、第二管道、第三管道为横截面为正方形的管道，其横截面积为1mm2(其边长为1mm)，第一管道分别与第二管道、第三管道相连通，第一管道与第二管道的第一连通部位位于第一管道与第三管道的第二连通部位的上游，第一连通部位和第二连通部位的距离为1.5mm。管道中充满了油性介质。
第一管道的第一连接口连接有注射泵A，第二连接口连接有旋转第一阀，第二管道的第三连接口连接有注射泵B和旋转第二阀，第三管道的第四连接口连接有旋转第三阀，管道和注射泵、旋转阀通过毛细管连接，毛细管内径为1.0mm、材质为聚四氟乙烯。
在本实施例中，使用的注射泵A和注射泵B均为工业注射泵，注射泵所带阀头为三通阀。第一阀、第二阀和第三阀均为高压二通阀。
启动注射泵A，打开旋转第一阀，向第一管道内推入2μl体积大小的待分割液滴a和2μl体积大小的待融合液滴b；液滴a和液滴b被管道中的油性介质油相中断。在本实施例中，待分割液滴为含有大肠杆菌BL21的微生物培养液，液滴b为新鲜的LB培养基。介质油相为矿物油。
关闭旋转第一阀，打开旋转第二阀，继续驱动注射泵A，推动液滴a运动到第一管道和第二管道的第一连通部位，其中a的70％部分为液滴a1，即约1.4微升进入第二管道中，此时关闭旋转第二阀，打开旋转第三阀，继续驱动注射泵A，液滴a剩余30％部分约0.6微升液滴a2全部进入第三管道中，最终液滴a被切断为2个部分液滴a1和液滴a2；液滴a1保留在第二管道中，另一部分液滴a2进入第三管道，关闭旋转第三阀，完成了液滴的切割。切割液滴a主要是为了切合液滴a使a的底面与管道A平行，减少中间间隔油相量，再定量注入切合液滴A的部分溶液进入待融合b中，从而实现注入量高精确度。由于液滴a是被管路中油相切断，所以液滴b的一端与第一管道通道平齐，为之后的精确定量进样奠定基础。
打开旋转第一阀，继续驱动注射泵A，推动液滴b移动到第二管道与第一管道交接处，停止推动，驱动注射泵B推动液滴a部分(a1)定量进入液滴b中形成新液滴c。
启动注射泵A，推动新液滴c向前运动，残余的液滴a1部分驻留在B通道中，完成液滴a和液滴b的物质定量交换。
循环重复上述步骤，从而实现对将多个包含大肠杆菌BL21的培养液接种到新鲜的LB培养基中。
实施例2
采用与实施例1同样的材质如图4所示，形成微流控芯片。在实施例2中，基板的长为7.5cm，宽为5cm。
此外，在实施例2中，进样系统的配置如图8所示，微流控芯片连接有3个进样系统I和3个进样系统II，其中动力源和阀采用与实施例1相同的方法。
在实施例2中，在芯片使用前进样系统I将芯片全部充满油相，然后通过与第二管道2连接的进样系统II在灭菌的状态下向第二管道2进样用于接种的菌液，在第一连通部位13处形成油包水的微滴。完成进样后，第二管道2中再次充满油相。接下来，在进样系统I的动力源的作用下，在第一连通部位13处形成的油包水的微滴在第一管道1a中往复来回运动，进行液滴中菌种培养，经培养后成为待分割液滴a。其中第一检测窗9用作液滴识别点，识别液滴的位点；第二检测窗10液滴检测点，用于菌浓度OD检测。
然后，通过进样系统I从第一连接口11’向芯片中通入油相，利用进样系统II通过第一连接口11”根据需要控制进样时间段，从而间断地向芯片中进水相的培养基，在第一管道1b和第一管道1c连通处形成油包水的培养基液滴。可选择下述步骤，当微液滴向右方运动至第一管道1d和第一管道1b的连通处，然后停止推动该微液滴的运动，与第一连接口11”’连接的进样系统II推送氯化钠溶液进入与停止在第一管道1b和第一管道1d处形成的培养基液滴中(改变培养基中的培养因子的浓度)，形成待融合液滴b，进入第一管道中，位于待分割液滴a左边，在第一管道1a中推动液体由第一连接口11向第二连接口12运动。
待分割液滴a和待融合液滴b重复上述实施例1中分割与融合的过程。完成所有液滴分割与融合后，再次进行微生物新液滴培养，可通过第二检测窗10再次检测液滴OD值。
实施例3
在实施例3中，如图2所示，进样系统、微流控芯片系统、培养系统、控温系统、液滴识别系统、以及液滴检测系统均设置在一个箱体内。通过如图2所示的设置方式，采用了实施例2中微流控芯片系统，实现了液滴分割、融合和微生物新液滴培养。
其中，进样系统包括如图8所示的三个进样系统I、三个进样系统II、阀和废液瓶，进样系统I由动力泵和油相瓶组成，进样系统II由动力泵，油相瓶和样本缓冲瓶组成，其中进样系统I采用的油相瓶存放的油相介质与进样系统II中的油相瓶存放的油相介质相同，在具体实施方式中，油相瓶可以共用。在本实施例中，如图2所示，三个进样系统I和三个进样系统II共用一个油瓶60容纳油相介质，三个进样缓冲瓶61分别容纳水相的菌液、培养基和用于添加的化学因子，六个注射泵63，为进样系统的动力源，六个注射泵63均和油瓶60相连，其中三个注射泵推动油瓶60的油相介质进入微流控芯片46，形成如图8所示的三个进样系统I；另外三个注射泵推动油瓶60的油相介质分别进入三个样本缓冲瓶61，通过油相介质的液体压力将样本缓冲瓶61内的水相液体推入微流控芯片46，形成如8所示的三个进样系统II，注射泵63、油瓶60、进样缓冲瓶61、旋转阀65、废液瓶62和微流控芯片46按实施例2的连接方式，通过毛细管道(图中未示出)相连。通过上述进样系统、阀的控制配合，待培养菌液在微流控芯片系统46内分割、融合，形成一个个油包水的微生物液滴，在注射泵63的作用下，在微流控芯片系统46的管道中往复运动培养。
控温系统包括升温构件、降温构件和控温构件。如图2所示，升温构件包括空气加热器54和金属浴53，进样缓冲瓶61放置于金属浴53中，空气加热器54通过加热风扇使装置箱体微生物培养环境升温；降温构件包括两个风扇64，分别用于对装置运行环境降温和对微生物培养环境进行降温，温度探测棒67测定装置箱体内微生物培养环境的温度，反馈给装置的控制系统，从而控制升温构件和降温构件工作，对微流控芯片中液滴进行升温加热和恒温控制，在本实施例中，温度控制曲线如图9所示。
液滴识别系统包含激光光源55和光电传感器56，如图2所示，激光光源55对微流控芯片系统46的第一检测窗照射，对通过第一检测窗的水相样品液滴进行识别，通过光电传感器56将液滴的位置信息传回装置的控制设备。
液滴检测系统包含光纤57、光谱仪58和卤素光源59，如图2所示，光纤57对准微流控芯片系统46的第二检测窗，通过光谱仪分58对通过微流控芯片系统的第二检测窗的水相样品液滴的光谱信号进行检测。
检测系统中通过光电传感器56与激光光源配合使用在微流控芯片系统46的第一检测窗处对微液滴的状态进行识别，可以控制液滴往复循环运动培养。所述光纤57、光谱仪58与卤素光源59配合使用在微流控芯片系统46的第二检测窗处对容纳的微液滴中的样品进行检测。EP管52用来容纳培养好的微生物液滴，紫外灯66可以对装置内微生物培养环境进行杀菌。
微生物培养步骤如下：
1)仪器打开紫外灯进行灭菌30min；
2)对装置管路进行排气操作，开启控温系统，预热30min；
3)一个进样缓冲瓶中加入1mL接种好的菌液(如上所述，大肠杆菌BL21)，放入真空脱气箱中进行脱气处理30min，一个进样缓冲瓶中放置用于培养的新鲜培养基(LB培养基)，一个进样缓冲瓶中放置用于添加的化学因子，即抗坏血酸溶液。
4)芯片安装在托架上，并与进样缓冲瓶、油瓶入口连接。
5)打开仪器软件，选取“生长曲线”测量模式，进行基本参数设置：检测周期0.5h，液滴个数100个；检测波长620nm。
6)点击运行即可。
7)运行46h后获取数据，结果如图10所示。
本发明能够实现精确控温，使得结果可靠度高，微生物能顺利生长，最多能够实现90天连续培养。
工业实用性
本发明的全自动高通量微生物液滴培养装置和使用方法可以在高通量微生物培养领域制造并使用。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (17)

1.一种微液滴处理装置，其包括：进样系统、微流控芯片系统、控温系统、液滴识别系统、液滴检测系统以及控制系统，其中，
进样系统，其用于向微液滴处理装置进样水相和油相，该进样系统至少包括：进样系统I和进样系统II，所述进样系统I用于向微液滴处理装置中进样油相，进样系统II用于向微液滴处理装置中进样水相；
控温系统，其包括：温度传感器以及控温构件；
液滴识别系统，其包括：激光光源和光电传感器；
液滴检测系统，其包括：光纤光谱仪及卤素光源；以及
控制系统，其用于对微液滴处理装置中的各系统进行控制；
微流控芯片系统，其包括：
基板；以及
形成在所述基板内的第一管道、第二管道以及第三管道，
其中，所述第一管道，其两端分别包括第一连接口和第二连接口，
第二管道，其一端包括第三连接口，另一端与第一管道连通，
第三管道，其一端包括第四连接口，另一端与第一管道连通，
第一管道和第二管道的第一连通部位位于第三管道和第一管道的第二连通部位的在液滴移动方向的上游，且第一连通部位和第二连通部位之间的距离为1000µm~1500µm，
所述第一管道用于在未进行切割和融合前，容纳待分割液滴a和待融合液滴b，以及进行切割和融合时，第一管道中容纳第二部分液滴a2和新液滴c；
第二管道用于容纳切割后的第一部分液滴a1；
第一部分液滴a1与待融合液滴b在第一连通部位融合；
第三管道用于容纳被所述待分割液滴a切割下的液滴a2；
所述第一管道，第二管道以及第三管道的横截面积的范围为0.25~1mm2，
在所述微流控芯片系统中容纳的所述待分割液滴a和待融合液滴b的液滴体积为0.9~5μl，
形成在第一管道上的第一检测窗和第二检测窗，
第一检测窗和第二检测窗为形成在第一管道上的透明区域，以及
与第一管道、第二管道以及第三管道密封连接的毛细管道。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述液滴识别系统利用光电传感器与激光光源对通过微流控芯片系统的第一检测窗的水相样品液滴进行识别；
所述液滴检测系统利用光纤光谱仪与卤素光源对通过微流控芯片系统的第二检测窗的水相样品液滴的光谱信号进行检测。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述进样系统至少分别包括两个进样系统I和一个进样系统II。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，
所述进样系统包括三个进样系统I和三个进样系统II。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，
所述进样系统I包括液体容器以及动力源，
所述进样系统II包括液体容器、动力源以及缓冲瓶，
所述动力源为注射泵、蠕动泵、隔膜泵或柱塞泵，
所述液体容器，其容纳与待进样的样品溶液不相溶且不可压缩的液体，
所述动力源，其驱动所述液体经由输入管进入缓冲瓶，
所述缓冲瓶，容纳所述样品溶液，当动力源驱动时，所述液体经由输入管进入缓冲瓶从而推动样品溶液经由输出管进入所述微流控芯片系统，所述液体容器、动力源和缓冲瓶经由毛细管道连通。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述动力源为注射泵。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述第一管道在第一连通部位的上游分支为第一管道a、第一管道b、第一管道c以及第一管道d，
其中第一检测窗和第二检测窗形成在第一管道a上，
通过第一管道a、第一管道b、第一管道c以及第一管道d上的第一连接口和第二连接口密封连接毛细管道，
通过第二管道以及第三管道分别通过第三连接口和第四连接口密封连接毛细管道。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，
所述基板、第一管道、第二管道和第三管道由自玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)形成；
所述毛细管道为硬质管。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述基板、第一管道、第二管道和第三管道由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述毛细管道为聚四氟乙烯管(PTFE管)、全氟丙基全氟乙烯基醚与聚四氟乙烯的共聚物管(PFA管)、聚醚醚酮管(PEEK管)、聚碳酸酯管(PC管)、聚苯乙烯管(PS管)中的任一种。
11. 根据权利要求8所述的装置，其中，所述毛细管道的横截面积的范围为0.1~2.5mm2。
12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述毛细管道的横截面积的范围为0.25~1mm2。
13.根据权利要求1~12中任一项所述的装置，其中，进样系统和微流控芯片系统通过毛细管道和连接口连接后形成密封的闭环控制结构。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，
进样系统、微流控芯片系统、液滴识别系统以及液滴检测系统均设置在一个箱体内，
所述箱体内的温度由控温系统控制。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述箱体内的温度控制在10℃~50℃的范围，温度波动范围控制在±0.5℃以内。
16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述箱体还包括灭菌装置，所述灭菌装置为紫外灯。
17.根据权利要求1~12中任一项所述的装置，其中，
所述控制系统包括：控制器和PC机显示控制系统；
所述控制器分别连接进样系统、控温系统、液滴识别系统、液滴检测系统，通过控制系统中的数字电路进行控制；
所述PC机显示控制系统对进样系统、微流控芯片系统、控温系统、液滴识别系统和液滴检测系统的信息进行显示、储存与分析。
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