CN111635487B - 用于制备光固化液滴阵列芯片的光固化油相及光固化液滴阵列芯片的制备方法、产品和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制备液滴阵列芯片的光固化油相，原料组成包括：光固化试剂、表面活性剂、光聚合引发剂与稀释剂；光固化试剂选自含有(甲基)丙烯酸酯官能团的聚合物、含有(甲基)丙烯酸酯官能团的单体中的至少一种；表面活性剂选自亲水亲油平衡值为2～8的非离子型表面活性剂。本发明还以此光固化油相为原料，公开了一种采用光固化的方式制备液滴阵列芯片的方法。该光固化油相可与水相形成稳定存在的油包水液滴，仅需几秒的紫外光辐照就可使大量自由排列的油包水液滴快速原位固定，形成稳定的液滴阵列。该光固化油相的固化时间短、易于储存，更适用于ddPCR技术，且由于形成稳定的液滴阵列，也为实时荧光成像检测创造了条件。

Description

用于制备光固化液滴阵列芯片的光固化油相及光固化液滴阵 列芯片的制备方法、产品和应用
技术领域
本发明涉及液滴微流控的技术领域，尤其涉及一种用于制备液滴阵列芯片的光固化油相及光固化液滴阵列芯片的制备方法、产品和应用。
背景技术
作为新一代核酸定量技术，数字聚合酶链式反应(Digital polymerase chainreaction,dPCR)在近年来得到了十分迅速的发展。dPCR的基本原理是将待测样品稀释后分散到数量众多的、相互独立的反应小室中，使每个反应小室中包含1或0拷贝目标分子，经过PCR扩增后，通过数发荧光的反应小室的数量就可以获得核酸的浓度。与传统的定量PCR相比，dPCR具有许多独特的优点，包括对核酸的绝对定量、超高的灵敏度和准确性、更适用于复杂样本分析等，目前已成为最重要的核酸检测技术之一，在临床诊断、微生物检测和食品安全检测等方面拥有广阔的应用前景。
液滴数字PCR(ddPCR)是最主要的dPCR技术之一，它是利用液滴微流控技术在微米级通道内，通过两相界面处的表面张力和剪切力共同作用，生成大量纳升、皮升乃至飞升级别的液滴作为dPCR的反应小室。截至目前，已有很多种液滴生成技术，通过采用T型通道、流动聚焦通道、共聚焦通道等微结构设计，可以灵活、快速地生成数万甚至数百万个液滴，极大地促进了ddPCR技术的快速发展。由于具有高通量、高精度以及样品试剂用量小等特点，ddPCR技术正在受到越来越多的关注，并被广泛应用于核酸检测、药物筛选、单细胞分析等研究领域。
然而，目前的ddPCR技术仍然面临着许多挑战。一方面，在PCR热循环过程中，由于温度的剧烈变化，表面张力控制的液滴非常容易发生融合和破碎等问题，从而使得PCR反应失败。另一方面，荧光液滴的计数仍主要依赖于“流动检测”，这意味着液滴的生成、热循环和检测都需要在不同的仪器设备上进行。相比较而言，荧光成像检测更加简单，有利于系统的集成，进一步发展实时荧光成像技术还可以有效识别假阳性荧光液滴，提高检测的准确性。但由于液滴在油相中的自由运动，对其进行实时荧光成像几乎是不可能的。最近，研究人员发展了一种基于热固化油的微流控液滴，即在加热条件下油相可以凝固成固体，从而在液滴之间形成稳定的物理边界，有效地减少了液滴的融合和破碎现象，在实时ddPCR方面也有一定潜力。但这种油的固化需要较长时间，这使其作为ddPCR平台仍有很大的不确定性，尤其是在热循环的初期。另外，这种热固性油在室温下也可以缓慢固化，因而必须在使用前现配现用，一定程度上增加了ddPCR的复杂度。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种用于制备液滴阵列芯片的光固化油相，该光固化油相可与水相形成稳定存在的油包水液滴，仅需几秒的紫外光辐照就可使大量自由排列的油包水液滴快速原位固定，形成稳定的液滴阵列。该光固化油相的固化时间短、易于储存，更适用于ddPCR技术，且由于形成稳定的液滴阵列，也为实时荧光成像检测创造了条件。
具体技术方案如下：
一种用于制备光固化液滴阵列芯片的光固化油相，所述光固化油相，按重量百分比计，原料组成包括：
Figure BDA0002477398720000021
Figure BDA0002477398720000031
所述光固化试剂选自含有丙烯酸酯官能团的聚合物、含有甲基丙烯酸酯官能团的聚合物、含有丙烯酸酯官能团或甲基丙烯酸酯官能团的单体，以及含有上述至少两种的混合物；
所述表面活性剂选自亲水亲油平衡值为2～8的非离子型表面活性剂。
本发明公开了一种专用于制备液滴阵列芯片的光固化油相，通过筛选特定的表面活性剂与丙烯酸酯类或甲基丙烯酸酯类的光固化试剂匹配，再加入光聚合引发剂复合而成的光固化油相，可与水相形成稳定存在的油包水液滴。
经试验发现，若选择的表面活性剂不属于亲水亲油平衡值为2～8的非离子型表面活性剂，如失水山梨醇三油酸酯(SPAN 85)、失水山梨醇单月桂酸酯(SPAN 20)，要么不能与水相形成油包水液滴，要么形成的油包水液滴无法稳定存在，容易融合。
优选的：
所述含有丙烯酸酯官能团的聚合物选自聚氨酯丙烯酸酯类、聚硅氧烷丙烯酸酯类、全氟聚醚丙烯酸酯类、环氧丙烯酸酯类、聚酯丙烯酸酯类、聚醚丙烯酸酯类中的至少一种；
所述含有甲基丙烯酸酯官能团的聚合物选自聚氨酯甲基丙烯酸酯类、聚硅氧烷甲基丙烯酸酯类、全氟聚醚甲基丙烯酸酯类、环氧甲基丙烯酸酯类、聚酯甲基丙烯酸酯类、聚醚丙烯酸酯类中的至少一种；
所述含有丙烯酸酯官能团或甲基丙烯酸酯官能团的聚合物选自外状澄清透明、粘度为20～15000cst、延展率为3％～300％的聚合物。例如聚氨酯(甲基)丙烯酸酯选自长兴材料公司的聚氨酯丙烯酸酯聚合物6115J-80、611B85、6112-100、6123、6130B80、6145-100、6147、6148J75、6157B80、6175-2、6176、6195、6196、6197型号；聚硅氧烷(甲基)丙烯酸酯为两端或支链含有(甲基)丙烯酸酯官能团的硅氧烷聚合物，选自Gelest公司的DMS-R、RMS、UMS系列；全氟聚醚(甲基)丙烯酸酯选自沙多玛公司的CN 4000、FLUOROLINK公司的MD700；环氧(甲基)丙烯酸酯选自科宁公司的
Figure BDA0002477398720000041
3000系列；聚酯(甲基)丙烯酸酯选自长兴材料公司的6311、6312、6313、6314、6315系列型号中的一种或多种。
所述含有丙烯酸酯官能团或甲基丙烯酸酯官能团的单体选自丙烯酸异冰片酯、新戊基二醇苯氧杂酸二丙烯酸、甲基丙烯酸硬脂酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、1，6-己二醇二丙烯酸酯、1，10-癸二醇二丙烯酸酯、1H，1H，2H，2H-全氟癸基丙烯酸酯、2-(全氟辛基)乙基甲基丙烯酸酯、双酚A丙三醇双甲基丙烯酸酯、双酚A甘油二丙烯酸、双酚A二甲基丙烯酸酯、双酚A乙氧基化物二丙烯酸酯中的至少一种。
优选的：
所述亲水亲油平衡值为2～8的非离子型表面活性剂，具体选自聚甘油-4异硬脂酸酯(如EVONICISOLAN GI34)、二异硬脂酰基聚甘油-3二聚亚油酸酯(如EVONIC ISOLANPDI)、聚甘油-3油酸酯(如EVONIC ISOLAN GO33)、聚甘油-4二异硬脂酸酯/聚羟基硬脂酸酯/癸二酸酯(如EVONIC ISOLAN GPS)、辛酸/癸酸甘油三酯或其混合物(如EVONIC ISOLAN17)；鲸蜡基聚乙二醇/聚丙二醇-10/1二甲基硅氧烷(如ABIL EM90)、双-聚乙二醇/聚丙二醇-14/14聚二甲基硅氧烷(如ABIL EM97S)、聚乙二醇/聚丙二醇-18/18聚二甲基硅氧烷环戊硅氧烷分散液(如道康宁DC5225C)；失水山梨醇单棕榈酸酯(如SPAN40)、失水山梨醇单硬脂酸酯(如SPAN60)、失水山梨醇三硬脂酸酯(如SPAN65)、失水山梨醇单油酸酯(如SPAN80)；全氟聚醚-聚乙二醇共聚物(如SulfochemEA-60)。
进一步优选：
所述光固化试剂选自含有光固化基团的聚合物和含有光固化基团的单体，再优选，所述光固化基团的聚合物和含有光固化基团的单体的重量比为1∶0.055～20.16；
当所述含有光固化基团的聚合物选自聚氨酯丙烯酸酯类和/或聚氨酯甲基丙烯酸酯类时，所述含有光固化基团的单体选自丙烯酸异冰片酯和/或新戊基二醇丙氧杂酸二丙烯酸；
所述表面活性剂选自聚甘油-4异硬脂酸酯、二异硬脂酰基聚甘油-3二聚亚油酸酯、聚甘油-3油酸酯、聚甘油-4二异硬脂酸酯/聚羟基硬脂酸酯/癸二酸酯、辛酸/癸酸甘油三酯中的至少一种；
当所述含有光固化基团的聚合物选自聚硅氧烷丙烯酸酯类和/或聚硅氧烷甲基丙烯酸酯类，所述含有光固化基团的单体选自甲基丙烯酸硬脂酸酯和/或1,6-己二醇二丙烯酸酯；
所述表面活性剂选自鲸蜡基聚乙二醇/聚丙二醇-10/1二甲基硅氧烷、双-聚乙二醇/聚丙二醇-14/14聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇/聚丙二醇-18/18聚二甲基硅氧烷环戊硅氧烷分散液中的至少一种；
当所述含有光固化基团的聚合物选自全氟聚醚丙烯酸酯类和/或全氟聚醚甲基丙烯酸酯类，所述含有光固化基团的单体选自1H,1H,2H,2H-全氟癸基丙烯酸酯和/或2-(全氟辛基)乙基甲基丙烯酸酯；
所述表面活性剂选自全氟聚醚-聚乙二醇共聚物。
再进一步优选：
当所述光固化试剂选自聚氨酯丙烯酸酯和丙烯酸异冰片酯，所述表面活性剂选自ISOLAN 17；
当所述光固化试剂选自聚硅氧烷丙烯酸酯和甲基丙烯酸硬脂酸酯，所述表面活性剂选自DC5225C；
当所述光固化试剂选自聚硅氧烷丙烯酸酯和1,6-己二醇二丙烯酸酯，所述表面活性剂选自EM90；当所述光固化试剂选自聚氨酯丙烯酸酯和新戊基二醇丙氧杂酸二丙烯，所述表面活性剂选自ISOLAN PDI；
当所述光固化试剂选自全氟聚醚丙烯酸酯和2-(全氟辛基)乙基甲基丙烯酸酯，所述表面活性剂选自EA-60；
当所述光固化试剂选自甲基丙烯酸硬脂酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯和丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，所述表面活性剂选自EM90。
经试验发现，上述进一步优选的光固化试剂与表面活性剂的组合均可以保证生成稳定的液滴，且油相固化后，液滴阵列固定。
本发明中，对于所述光聚合引发剂的种类没有特殊要求，可选自本领域常见的种类，如苯偶酰类化合物、烷基苯酮类化合物、酰基磷氧化物中的一种或多种。
本发明中，所述稀释剂用于调整光固化试剂的粘度，以利于液滴的稳定生成，可根据光固化试剂的粘度情况选择是否加入。具体可选自矿物油、硅油、氟化油的一种或多种。
根据上述优选的原料种类，进一步优选，所述光固化油相的原料组成包括：
Figure BDA0002477398720000061
本发明在上述公开的专用于制备液滴阵列芯片的光固化油相的基础上，首次提出了采用光固化的方式制备液滴阵列芯片，包括：
将光固化油相、水相分别通入微流控芯片中，生成油包水液滴后进入所述微流控芯片的液滴收集腔室内，经光辐照后，所述油包水液滴的油相凝固于所述液滴收集腔室内，形成光固化液滴阵列芯片。
所述微流控芯片具有多层结构，包括基底和含通道结构的芯片主体；
所述基底与所述芯片主体的材质独立地选自玻璃、有机聚合物、硅片或石英片。
所述芯片主体上的通道结构包括联通的进样与出样区、液滴生成区、液滴分散区与液滴收集区；
所述进样与出样区设有油相进样口、水相进样口与出样口。优选的，所述油相进样口与所述水相进样口通往液滴生成区的通道上还分别设置有杂质过滤装置，以阻止大于50μm的杂质堵住通道。
所述液滴生成区包括液滴生成结构，通过该结构使得光固化油相与水相汇合并形成油包水液滴，具体可选自T型通道结构、流动聚焦(Flow-focusing)型通道结构或者台阶微结构。
为提高液滴生成的速率及在液滴收集腔室内的分布均匀性，所述液滴生成区与所述液滴收集区之间还设置了液滴分散区，所述液滴分散区包含一个或多个液滴分裂结构与液滴分散结构。
通过所述液滴分裂结构可将液滴均匀分裂，以提高液滴的通量。具体可采用一分二Y型结构。
通过所述液滴分散结构使得液滴同时经多个通道进入液滴收集区，以提高液滴分布的均匀性。具体可采用三角形一进二出结构。
所述液滴收集区设有液滴收集腔室，用于收集油包水液滴。所述液滴收集腔室内均匀排布有若干微柱，用于支撑液滴收集腔室，防止其塌陷；优选的，所述微柱的直径为50～250μm。
所述芯片主体上的通道结构的深度为30～80μm。
优选的，所述液滴收集腔室的高度小于等于生成的液滴的直径，以便于液滴排列成单层平面阵列。
所述通道结构中，进样与出样区中的油相进样口与水相进样口经不同通道后汇合于所述液滴生成区，再依次与液滴分散区、液滴收集区联通，液滴收集区再经通道与出样口联通。
所述基底固接于所述芯片主体底部。
当所述芯片主体的材质采用非透气材料(如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃聚合物、聚碳酸酯、聚氨酯、硅片或石英片)时，仅需要在芯片主体下方固接一个基底，即可防止液滴内试剂蒸发。
当所述芯片主体的材质采用目前最为常用的PDMS材质时，所述芯片主体为厚度不超过500微米的薄膜，所述微流控芯片的结构中还包括支撑模块、防蒸发层和盖片。
所述支撑模块封接于所述芯片主体的进样与出样区上方，所述支撑模块中设有贯通所述支撑模块的油相进样通道、水相进样通道与出样通道，所述油相进样通道与所述油相进样口联通，所述水相进样通道与所述水相进样口联通，所述出样通道与所述出样口联通；优选的，所述支撑模块的材质选自聚二甲基硅氧烷。
所述防蒸发层封接于并覆盖所述液滴生成区、所述液滴分散区与所述液滴收集区；该防蒸发层覆盖于液滴收集区上方，并与PDMS薄膜密封固定，可有效地防止液滴内试剂蒸发。所述防蒸发层选自单面或双面粘性的不透气薄膜，优选为PCR封口膜，此处的PCR是指聚合酶链式反应，所述PCR封口膜一般是在96孔板上做PCR反应的时候用来封住孔板上面的膜层。具体可选自赛默飞公司的PCR密封胶。
所述盖片固接于所述防蒸发层的顶部，用于防止液滴收集腔室的形变，避免液滴堆叠的现象。所述盖片的材质无特殊要求，可选自玻璃、有机聚合物、硅片、石英等。
优选的，所述基底与盖片的材质，至少其中之一为透明材质，便于观察。
所述微流控芯片具有新型的多层结构设计成功克服了热循环反应过程中的试剂蒸发问题，除可应用于本发明的光固化液滴阵列芯片制备中，还可应用于所有需要防蒸发的场合。
所述光固化液滴阵列芯片的制备方法，具体为：
(1)加工微流控芯片：先制备含通道结构的芯片主体，再连接基底、支撑模块、防蒸发层与盖片；
所述芯片主体与所述基底、所述防蒸发层的连接均采用等离子处理；
(2)微流控芯片的预处理：先向微流控芯片内连续通入含有硅烷偶联剂的有机溶液A，再通入有机溶剂B冲洗通道，最后通入氮气后待用；
(3)分别配制光固化油相与水相：
(4)液滴生成与固化：将所述光固化油相从所述油相进样通道通入所述微流控芯片中，将所述水相从所述水相进样通道通入所述微流控芯片中，两相在液滴生成区汇合并形成油包水液滴，再流经液滴分散区进入液滴收集区的液滴收集腔室内，经紫外光辐照后，所述油包水液滴的油相凝固于所述液滴收集腔室内，形成光固化液滴阵列芯片。
步骤(1)中，经过等离子处理可在液滴收集腔室表面产生Si-OH，为后续的预处理工艺提供前提。
优选的，所述等离子处理：功率为100～200W，时间为20～60s。
步骤(2)中，所述预处理工艺，通过连续通入含有硅烷偶联剂的有机溶液A，所述硅烷偶联剂中含有丙烯酸酯官能团或甲基丙烯酸酯官能团；具体可选自3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基甲基二乙氧基硅烷等常用品种。
硅烷偶联剂中的硅烷氧基与液滴收集腔室表面经过等离子处理产生的Si-OH发生键合，在液滴收集腔室表面修饰上丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯官能团，使得光固化油相可与芯片主体内通道共价连接，保证液滴内试剂不会泄露。
所述有机溶剂A与有机溶剂B独立地选自甲醇、乙醇、异丙醇、乙腈、乙醚、氯仿、丙酮中的至少一种；
优选的，所述含有硅烷偶联剂的有机溶剂的体积百分比浓度为2％～20％，该浓度下可使得腔室表面均匀较快地修饰上丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯官能团。进一步优选，所述含有硅烷偶联剂的有机溶剂的体积百分比浓度为10％。
经硅烷偶联剂处理后，还需通入有机溶剂B，冲洗掉多余的硅烷偶联剂残留，防止硅烷偶联剂在通道内析出颗粒堵塞通道。
最后通入氮气，其目的在于，在使用前消除通道内的氧气，以防止氧阻聚现象。
优选的，为保证预处理工艺的效果，可选择在等离子处理后马上进行预处理工艺，预处理工艺完成之后再最后封装。
步骤(3)中：
所述光固化油相的配制，仅需按照上述的原料组成和重量配比共混即可。优选的，所述光固化油在使用前过碱性柱子，以降低酸性对水相试剂的影响。
所述水相，其组成可根据实际的应用场合进行配制，以应用于PCR扩增应用为例，按体积百分比计，水相的原料组成包括：PCR预混液50％；无核酸酶水35％；探针和引物溶液5％；吐温-205％和样品模板溶液5％。
步骤(4)中：
所述光固化油相与水相的引入可采用注射泵、气压泵、真空泵、离心装置、手动操作等多种方式。
通过调节所述光固化油相与所述水相的油水流速比，制备得到的液滴粒径可调。优选的，所述光固化油相与所述水相的流速比为2～10∶1；进一步优选为3～5∶1。
本制备工艺，在原位紫外光辐照下，油包水液滴的油相可数秒内固化，同时不会影响到水相溶液。优选的，所述紫外光辐照，功率为50～500mW/cm2，时间为1～10s。进一步优选，功率为200～400mW/cm2，时间为3～8s。
本发明还公开了根据上述工艺制备的光固化液滴阵列芯片，包括微流控芯片和固定于所述微流控芯片的液滴收集腔室内的光固化液滴阵列。该光固化液滴阵列芯片在热循环反应过程中，由于油相的固化，使得液滴不会融合破碎，且形状位置不发生改变。可作为微反应室阵列在数字PCR、细胞研究等领域应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明公开了一种专用于制备液滴阵列芯片的光固化油相，其中光固化试剂的选择范围较大，可适用于市场上大量不同种类、特性的光固化试剂，为微流控液滴技术的发展提供了更多可能；通过筛选特定的表面活性剂与光固化试剂配合，组成的新型光固化油，可与常规油相试剂一样生成均匀稳定的油包水液滴，且液滴粒径可调。
本发明还公开了一种光固化液滴阵列芯片的制备方法，采用光固化方式，在较低功率的紫外光照下，即可使连续相(光固化油)在数秒内固化，功率低、辐照时间短，对水相溶液中的生物活性组分几乎没有影响，因而非常适合于涉及各种生化反应的分析检测、细胞研究等应用领域；该光固化过程可以原位进行，大大降低了芯片转移过程带来的液滴移动、破坏等不确定性；且经过光固化，在液滴之间形成稳定的物理隔层，有效地解决了液滴的融合、破碎问题。同时，由于液滴位置的固定，使其在单个液滴的识别与实时监测方面有很大潜力。
本制备方法中，采用的微流控芯片根据不同的应用情况提出了两种不同的结构，当采用非透气材料(如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃聚合物、聚碳酸酯、聚氨酯、硅片或石英片)作为芯片主体的材质时，该微流控芯片可简化为仅包括基底与芯片主体，既可用于本发明中液滴阵列的制备，并可防止试剂蒸发；当采用目前最常用的PDMS作为芯片主体的材质时，又创造性的提出了一种多层结构，包括基底、含通道结构的芯片主体、支撑模块、防蒸发层与盖片；利用PCR封口膜密封PDMS薄膜，成功克服了热循环反应过程中的试剂蒸发问题，且可以应用于所有需要防蒸发的微流控芯片的场合。
附图说明
图1为本发明的光固化液滴阵列芯片的制备流程示意图，图中：
1-微流控芯片，2-UV探头，3-UV控制器，4-第一原料泵，5-第二原料泵；
图2为本发明的微流控芯片的多层结构分解示意图，图中：
11-基底，12-含通道结构的芯片主体，13-支撑模块，14-防蒸发层，15-盖片；
图3为本发明的芯片主体上通道结构示意图，图中：
16-进样与出样区，17-液滴生成区，18-液滴分散区，19-液滴收集区；
161-油相进样口，162-水相进样口，163-出样口，164-杂质过滤器；
171-液滴生成结构；
181-液滴分裂结构，182-液滴分散结构；
191-液滴收集腔室，192-微柱；
图4为实施例1～4分别制备的不同粒径的液滴阵列的显微镜照片；
图5为实施例2制备的光固化液滴阵列芯片上同一区域的液滴在PCR热循环前后的显微镜照片；
图6为实施例3制备的光固化液滴阵列芯片进行ddPCR反应后的荧光显微镜照片，图中，a～f图依次为ACTB模板浓度为9000拷贝/μL、4500拷贝/μL、1500拷贝/μL、900拷贝/μL、90拷贝/μL及0拷贝/μL下，PCR反应后的显微镜照片；
图7为实施例3制备的光固化液滴阵列芯片进行ddPCR反应的过程中，不同循环数时的荧光显微镜照片和荧光强度曲线图，图中a～f图依次为热循环前明场下的显微镜照片，以及循环20次、25次、30次、35次、40次后的荧光显微镜照片，g图为从d图中选取八颗液滴，其荧光强度随循环次数变化的曲线图；
图8为对比例1制备的液滴进入液滴收集腔室的显微镜照片；
图9为对比例2制备的不稳定的液滴阵列的显微镜照片；
图10为对比例4制备的液滴阵列光固化后，液滴内液体泄漏的显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的光固化液滴阵列芯片的制备流程示意图，水相经第一原料泵4注入微流控芯片1中，光固化油相经第二原料泵5注入微流控芯片1中，油相与水相在微流控芯片1中生成油包水液滴后进入微流控芯片1的液滴收集腔室191内，UV控制器3控制UV探头2发出紫外光，经紫外光辐照后，油包水液滴的油相凝固于液滴收集腔室191内，形成光固化液滴阵列芯片。
图2为本发明的微流控芯片的多层结构分解示意图，该微流控芯片具有多层结构，最底部为基底11，为玻璃材质。
基底11上为含通道结构的芯片主体12，该芯片主体12为微流控芯片1中最重要的结构，油相和水相就是沿芯片主体12中的通道结构经历液滴形成、分散最后收集在液滴收集腔室191内，从而形成光固化液滴阵列芯片；芯片主体12选自PDMS薄膜。
支撑模块13位于芯片主体12的上方，具体位于进样与出样区16的上方，支撑模块13中设有贯通支撑模块13的油相进样通道、水相进样通道与出样通道，油相进样通道与油相进样口161联通，水相进样通道与水相进样口162联通，出样通道与出样口163联通；设置支撑模块13是为了便于与原料流体管路连接，将油相与水相引入微流控芯片中，其材质选自PDMS。
防蒸发层14位于芯片主体12的上方，具体覆盖了液滴生成区17、液滴分散区18与液滴收集区19，防蒸发层14可有效地防止液滴内试剂蒸发，具体选自PCR封口膜。
防蒸发层14上部还设置有盖片15，也为玻璃材质，盖片15可防止液滴收集腔室的形变，避免液滴堆叠的现象。
图3为本发明的芯片主体12上通道结构示意图，包括进样与出样区16、液滴生成区17、液滴分散区18和液滴收集区19。所有通道的深度均为50μm。
进样与出样区16内设有油相进样口161、水相进样口162和出样口163；油相经油相进样口161通入，经上下两条通道进入液滴生成区17，每条通道上各设有一个杂质过滤器164，以阻止大于50μm的杂质堵住通道；水相经水相进样口162通入，经中间一条通道进入液滴生成区17，并通过设置在液滴生成区17内的液滴生成结构171与油相汇合生成油包水液滴。
液滴生成区17内的液滴生成结构171具体采用流动聚焦型通道结构。
经液滴生成区17生成的油包水液滴经通道进入液滴分散区18，先经由液滴分裂结构181将液滴均匀分裂，提高液滴的通量；再通过液滴分散结构182使得液滴同时经多个通道进入液滴收集区，以提高液滴分布的均匀性。液滴分裂结构181具体采用一分二Y型结构。液滴分散结构182具体采用三角形一进二出结构。
分散后的液滴最终进入液滴收集区19的液滴收集腔室191内，经光辐照后，迅速凝固于液滴收集腔室191内；液滴收集区19内还设有若干直径为150μm的微柱192，用于支撑收集腔室，防止其塌陷。
实施例1
步骤一、微流控芯片主体加工：
a)根据微流控芯片主体的通道结构(如图3)订制掩模；
b)在洁净的单晶硅片上面旋涂光刻胶(Microchem，SU-8 3025)，厚度为50μm；
c)将掩膜置于涂有光胶的硅片上，并在紫外光刻机上曝光；
d)显影，去除多余光刻胶，得到带有光胶图案的模具；
e)将PDMS预聚物和固化剂(道康宁，Sylgard184)按10∶1的比例混合，搅拌均匀后倾倒6g到模具上，旋涂成厚度为450μm的薄膜；
f)将步骤(e)中旋涂了厚度为450μm的PDMS薄膜的模具放置在加热板上加热固化；
g)将空白PDMS支撑模块封接到PDMS薄膜的进样与出样区上方，固化后从模具上整体揭下；
h)使用打孔器在PDMS支撑模块上加工贯通的油相进样通道与水相进样通道，并清洗该结构；
i)以抛光平整的玻璃片为基底，将封接有PDMS支撑模块的PDMS薄膜与抛光平整的玻璃片进行等离子体处理，令PDMS薄膜的底部与玻璃片键合；
g)将封接有PDMS支撑模块的PDMS薄膜上方进行等离子体处理，然后封接PCR封口膜。
步骤二、微流控芯片表面改性与除氧处理：
a)在出样口处以300μL/h的流速连续通入硅烷偶联剂(3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(G570)的乙醇溶液，体积分数为10％)，通入1～2小时以保证腔室表面均修饰上丙烯酸官能团；
b)在出样口处通入无水乙醇溶液冲洗通道；
c)将芯片放置在加热板上烘烤一段时间；
d)在PCR封口膜上加盖玻璃片，用胶水牢固粘接顶层和底层玻璃片；
e)将芯片放在真空干燥箱中抽真空、通氮气后待用。
步骤三、配制光固化油相与水相：
1、光固化油相配制
按质量百分比计，30.27％聚氨酯丙烯酸酯(长兴材料公司，6115J-80)、65.42％丙烯酸异冰片酯(西格玛，392103)、3.71％表面活性剂(EVONIC，ISOLAN 17)、0.6％光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(西格玛，405655)混合配制得到。
2、PCR反应液(水相)配制
20μL的PCR反应液由以下组分组成：10μLPCR预混液(赛默飞，4324018)，7μL无核酸酶水(西格玛，W1754)，1μL ACTB质粒DNA模板(生工生物公司合成)，1μL探针与引物(赛默飞，4331182)，1μL吐温-20(西格玛，93773)。
步骤四、液滴生成：
以步骤三中配制的光固化油相作为连续相，以步骤三中配制的PCR反应液作为分散相，在微流控芯片中生成均匀稳定的油包水液滴。设置分散相流速为20μL/h，连续相流速为200μL/h，获得直径为42μm的液滴。
步骤五、液滴固化
在微流控芯片液滴收集腔室上方施加紫外光(功率为380mW/cm2)辐照时间为6～8s，保证油相固化，液滴阵列固定。
实施例2～4
采用与实施例1中完全相同的工艺流程与原料组成，区别仅在于将步骤四中，连续相流速依次替换为100μL/h、60μL/h、40μL/h，获得液滴的直径依次为52μm、58μm与72μm。
实施例5
采用与实施例2中完全相同的工艺流程，区别仅在于步骤三中配制的光固化油相的原料组成不同，具体为：按体积百分比计，91.5％聚硅氧烷丙烯酸酯(Gelest，UMS-182)、5％甲基丙烯酸硬脂酸酯(西格玛，411442)、3％表面活性剂(道康宁公司，DC5225C)、0.5％光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(西格玛，405655)混合配制得到。
经测试，本实施例可生成稳定的液滴，且油相固化后，液滴阵列固定。
实施例6
采用与实施例3中完全相同的工艺流程，区别仅在于步骤三中配制的光固化油相的原料组成不同，具体为：按体积百分比计，35％聚硅氧烷丙烯酸酯(Gelest，RMS-083)、15％1,6-己二醇二丙烯酸酯(西格玛，246816)、46.5％硅油(西格玛，10836)、3％表面活性剂(ABIL，EM90)、0.5％光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(西格玛，405655)混合配制得到。
经测试，本实施例可生成稳定的液滴，且油相固化后，液滴阵列固定。
实施例7
采用与实施例3中完全相同的工艺流程，区别仅在于步骤三中配制的光固化油相的原料组成不同，具体为：按质量百分比计，45.5％聚氨酯丙烯酸酯(长兴材料公司，6115J-80)、50％新戊基二醇丙氧杂酸二丙烯酸(西格玛，412147)、4％表面活性剂(EVONIC，ISOLANPDI)、0.5％光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(西格玛，405655)混合配制得到。
经测试，本实施例可生成稳定的液滴，且油相固化后，液滴阵列固定。
实施例8
采用与实施例3中完全相同的工艺流程，区别仅在于步骤三中配制的光固化油相的原料组成不同，具体为：按质量百分比计，37％全氟聚醚丙烯酸酯(沙多玛公司，CN4000)、58.5％2-(全氟辛基)乙基甲基丙烯酸酯(西格玛，474223)、4％表面活性剂(Sulfochem，EA-60)、0.5％光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(西格玛，405655)混合配制得到。
经测试，本实施例可生成稳定的液滴，且油相固化后，液滴阵列固定。
实施例9
采用与实施例3中完全相同的工艺流程，区别仅在于步骤三中配制的光固化油相的原料组成不同，具体为：按体积百分比计，40％甲基丙烯酸硬脂酸酯(西格玛，411442)、35％1,6-己二醇二丙烯酸酯(西格玛，246816)、20％丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(西格玛，407577)、4.5％表面活性剂(ABIL，EM90)、0.5％光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(西格玛，405655)混合配制得到。
经测试，本实施例可生成稳定的液滴，且油相固化后，液滴阵列固定。
对比例1
采用与实施例3中完全相同的工艺流程，区别仅在于步骤三中配制的光固化油相的原料组成不同，具体为：按质量百分比计，29.92％聚氨酯丙烯酸酯(长兴材料公司，6115J-80)、66.61％丙烯酸异冰片酯(西格玛，392103)、2.97％表面活性剂(西格玛，Span85，亲水亲油平衡值为8.6)、0.6％光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(西格玛，405655)混合配制得到。
图8为本对比例制备的液滴进入液滴收集腔室的显微镜照片，观察该图可以发现，由于所选表面活性剂的亲水亲油值不在2～8范围内，不能生成稳定的液滴。
对比例2
采用与实施例3中完全相同的工艺流程，区别仅在于步骤三中配制的光固化油相的原料组成不同，具体为：按质量百分比计，29.5％聚氨酯丙烯酸酯(长兴材料公司，6115J-80)、67％丙烯酸异冰片酯(西格玛，392103)、3％表面活性剂(西格玛，Span80)、0.5％光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(西格玛，405655)混合配制得到。
图9为本对比例制备的液滴阵列的显微镜照片，观察该图可以发现，由于所选表面活性剂与光固化试剂不匹配，生成的液滴不能稳定的存在，易发生液滴融合现象。
对比例3
采用与实施例3中完全相同的工艺流程，区别仅在于步骤三中配制的光固化油相的原料组成不同，具体为：按质量百分比计，96.5％聚硅氧烷丙烯酸酯(Gelest，UMS-182)、3％表面活性剂(西格玛，ISOLAN PDI)、0.5％光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(西格玛，405655)混合配制得到。
经测试，本实施例所选的表面活性剂与光固化试剂不匹配，二者不相溶，因此无法生成液滴。
对比例4
采用与实施例3中完全相同的工艺流程，区别仅在于步骤二中，芯片未通入含有硅烷偶联剂的有机溶液对通道腔室表面进行修饰，腔室表面没有丙烯酸酯官能团或甲基丙烯酸酯官能团。
图10为本对比例制备的液滴阵列光固化后的显微镜照片，此时，由于光固化油相与腔室表面没有牢固的共价连接，液滴内的液体会发生泄漏。
应用测试—PCR反应与检测
将本发明制备的光固化液滴阵列芯片置于商业化的PCR热循环仪上进行核酸扩增反应，热循环程序为：95℃热变性10min；扩增程序95℃30s，60℃1min，循环数40；最后冷却至10℃。待反应结束后，在倒置荧光显微镜上对微流控芯片液滴收集腔室区域的液滴阵列进行荧光成像检测。
图4为实施例1～4分别制备的不同粒径的液滴阵列的显微镜照片，图中，a～d图依次对应实施例1～4的产物；观察图4可以发现，该光固化油相与常规油相试剂一样，可以生成均匀稳定的油包水液滴，且通过调节油水流速比，可生成不同粒径的液滴。
图5为实施例2制备的光固化液滴阵列芯片上同一区域的液滴在PCR热循环前(左图)、后(右图)的显微镜照片；观察图5说明，实施例2制备的液滴阵列在经过紫外光辐照后，由于油相固化形成了液滴之间的物理隔层，使得液滴固定，且在PCR反应前后可以保持液滴形状及空间位置不变。
图6为实施例3制备的光固化液滴阵列芯片进行ddPCR反应后的荧光显微镜照片，图中，a～f图依次为ACTB模板浓度为9000拷贝/μL、4500拷贝/μL、1500拷贝/μL、900拷贝/μL、90拷贝/μL及0拷贝/μL下，PCR反应后的荧光显微镜照片；观察图6可以发现，ACTB模板浓度越高，荧光液滴的个数越多，与理论上PCR反应结果的趋势相符。
图7为实施例3制备的光固化液滴阵列芯片进行ddPCR反应的过程中，不同循环数时的荧光显微镜照片和荧光强度曲线图，图中a～f图依次为热循环前明场下的显微镜照片，以及循环20次、25次、30次、35次、40次后的荧光显微镜照片，g图为从d图中选取七颗液滴(1～7)以及一颗阴性液滴8，其荧光强度随循环次数变化的曲线图。观察图7可以发现，光固化液滴阵列具有实时检测的潜力。其中阳性液滴1～7的荧光强度值随循环数的增加而增强，且在循环数为30时，荧光强度值陡增，而阴性液滴8的荧光强度值保持平缓。
申请人声明，以上所述是本发明的优选实施案例，但并不能因此而理解为对本发明的限制。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光固化液滴阵列芯片的制备方法，其特征在于，采用光固化油相为原料，包括：
将光固化油相、水相分别通入微流控芯片中，生成油包水液滴后进入所述微流控芯片的液滴收集腔室内，经光辐照后，所述油包水液滴的油相凝固于所述液滴收集腔室内，形成光固化液滴阵列芯片；
所述液滴收集腔室表面修饰有丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯官能团；
所述光固化油相，按重量百分比计，原料组成包括：
光固化试剂 10.0~98.5%；
表面活性剂 1~10 %；
光聚合引发剂 0.5~5.0 %；
稀释剂 0~80 %；
所述光固化试剂选自含有光固化基团的聚合物和/或含有光固化基团的单体；
所述含有光固化基团的聚合物包括含有丙烯酸酯官能团的聚合物和/或含有甲基丙烯酸酯官能团的聚合物；
所述含有光固化基团的单体包括含有丙烯酸酯官能团的单体和/或含有甲基丙烯酸酯官能团的单体；
所述表面活性剂选自亲水亲油平衡值为2~8的非离子型表面活性剂。
2.根据权利要求1所述的光固化液滴阵列芯片的制备方法，其特征在于，所述微流控芯片包括基底和含通道结构的芯片主体；
所述芯片主体上的通道结构包括联通的进样与出样区、液滴生成区、液滴分散区与液滴收集区；
所述进样与出样区设有油相进样口、水相进样口与出样口；
所述液滴生成区包括液滴生成结构，选自T型通道结构、流动聚焦型通道结构或者台阶微结构；
所述液滴分散区包括液滴分裂结构和液滴分散结构；
所述液滴收集区设有液滴收集腔室；
所述基底固接于所述芯片主体底部；
所述基底与所述芯片主体的材质独立地选自玻璃、有机聚合物、硅片或石英片。
3.根据权利要求2所述的光固化液滴阵列芯片的制备方法，其特征在于：
当所述芯片主体的材质选自聚二甲基硅氧烷时，所述微流控芯片还包括支撑模块、防蒸发层和盖片；
所述支撑模块封接于所述进样与出样区上方，所述支撑模块中设有贯通所述支撑模块的油相进样通道、水相进样通道与出样通道，所述油相进样通道与所述油相进样口联通，所述水相进样通道与所述水相进样口联通，所述出样通道与所述出样口联通；
所述防蒸发层为单面或双面粘性的不透气薄膜，封接于所述含通道结构的芯片主体之上，并覆盖所述液滴生成区、所述液滴分散区与所述液滴收集区；
所述盖片固接于所述防蒸发层的顶部。
4.根据权利要求3所述的光固化液滴阵列芯片的制备方法，其特征在于：具体为：
（1）加工微流控芯片：先制备含通道结构的芯片主体，再连接基底、支撑模块、防蒸发层与盖片；
所述芯片主体与所述基底、所述防蒸发层的连接均采用等离子处理；
（2）微流控芯片的预处理：先向微流控芯片内连续通入含有硅烷偶联剂的有机溶液A，再通入有机溶剂B冲洗通道，最后通入氮气吹干后待用；
（3）分别配制光固化油相与水相：
（4）液滴生成与固化：将所述光固化油相从所述油相进样通道通入所述微流控芯片中，将所述水相从所述水相进样通道通入所述微流控芯片中，两相在液滴生成区汇合并形成油包水液滴，再流经液滴分散区进入液滴收集区的液滴收集腔室内，经紫外光辐照后，所述油包水液滴的油相凝固于所述液滴收集腔室内，形成光固化液滴阵列芯片。
5.根据权利要求4所述的光固化液滴阵列芯片的制备方法，其特征在于：
步骤（2）中：
所述硅烷偶联剂上含有丙烯酸酯官能团或甲基丙烯酸酯官能团；
所述有机溶剂A与有机溶剂B独立地选自甲醇、乙醇、异丙醇、乙腈、乙醚、氯仿、丙酮中的至少一种；
所述含有硅烷偶联剂的有机溶剂的体积百分比浓度为2~20%；
步骤（4）中：
所述光固化油相与所述水相的流速比为2~10：1；
所述紫外光辐照，功率为50~500mW/cm2，时间为1~10s。
6.根据权利要求1所述的光固化液滴阵列芯片的制备方法，其特征在于：
所述含有丙烯酸酯官能团的聚合物选自聚氨酯丙烯酸酯类、聚硅氧烷丙烯酸酯类、全氟聚醚丙烯酸酯类、环氧丙烯酸酯类、聚酯丙烯酸酯类、聚醚丙烯酸酯类中的至少一种；
所述含有甲基丙烯酸酯官能团的聚合物选自聚氨酯甲基丙烯酸酯类、聚硅氧烷甲基丙烯酸酯类、全氟聚醚甲基丙烯酸酯类、环氧甲基丙烯酸酯类、聚酯甲基丙烯酸酯类、聚醚甲基丙烯酸酯类中的至少一种；
所述含有光固化基团的单体选自丙烯酸异冰片酯、新戊基二醇丙氧杂酸二丙烯酸、甲基丙烯酸硬脂酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、1,10-癸二醇二丙烯酸酯、1H,1H,2H,2H-全氟癸基丙烯酸酯、2-(全氟辛基)乙基甲基丙烯酸酯、双酚 A 丙三醇双甲基丙烯酸酯、双酚 A 甘油二丙烯酸、双酚 A 二甲基丙烯酸酯、双酚 A 乙氧基化物二丙烯酸酯中的至少一种；
所述表面活性剂选自聚甘油-4异硬脂酸酯、二异硬脂酰基聚甘油-3 二聚亚油酸酯、聚甘油-3 油酸酯、聚甘油-4二异硬脂酸酯/聚羟基硬脂酸酯/癸二酸酯、辛酸/癸酸甘油三酯或其混合物；鲸蜡基聚乙二醇/聚丙二醇-10/1二甲基硅氧烷、双-聚乙二醇/聚丙二醇-14/14聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇/聚丙二醇-18/18聚二甲基硅氧烷环戊硅氧烷分散液；失水山梨醇单棕榈酸酯、失水山梨醇单硬脂酸酯、失水山梨醇三硬脂酸酯、失水山梨醇单油酸酯；全氟聚醚-聚乙二醇共聚物。
7.根据权利要求6所述的光固化液滴阵列芯片的制备方法，其特征在于：
所述光固化试剂选自含有光固化基团的聚合物和含有光固化基团的单体；
当所述含有光固化基团的聚合物选自聚氨酯丙烯酸酯类和/或聚氨酯甲基丙烯酸酯类时，所述含有光固化基团的单体选自丙烯酸异冰片酯和/或新戊基二醇丙氧杂酸二丙烯酸；
所述表面活性剂选自聚甘油-4异硬脂酸酯、二异硬脂酰基聚甘油-3 二聚亚油酸酯、聚甘油-3 油酸酯、聚甘油-4二异硬脂酸酯/聚羟基硬脂酸酯/癸二酸酯、辛酸/癸酸甘油三酯中的至少一种；
当所述含有光固化基团的聚合物选自聚硅氧烷丙烯酸酯类和/或聚硅氧烷甲基丙烯酸酯类，所述含有光固化基团的单体选自甲基丙烯酸硬脂酸酯和/或1,6-己二醇二丙烯酸酯；
所述表面活性剂选自鲸蜡基聚乙二醇/聚丙二醇-10/1二甲基硅氧烷、双-聚乙二醇/聚丙二醇-14/14聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇/聚丙二醇-18/18聚二甲基硅氧烷环戊硅氧烷分散液中的至少一种；
当所述含有光固化基团的聚合物选自全氟聚醚丙烯酸酯类和/或全氟聚醚甲基丙烯酸酯类，所述含有光固化基团的单体选自1H,1H,2H,2H-全氟癸基丙烯酸酯和/或2-(全氟辛基)乙基甲基丙烯酸酯；
所述表面活性剂选自全氟聚醚-聚乙二醇共聚物。
8.一种根据权利要求1~7任一权利要求所述的方法制备的光固化液滴阵列芯片，其特征在于，包括微流控芯片和固定于所述微流控芯片的收集腔室内的光固化液滴阵列。
9.一种根据权利要求8所述的光固化液滴阵列芯片在数字PCR、细胞研究领域中的应用。
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