CN111957360A - 液滴微流控芯片及微液滴的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液滴微流控芯片及微液滴的制备方法，所述液滴微流控芯片包括至少一个液滴制备单元，液滴制备单元包括分散相腔体、定量腔体、毛细喷嘴和连续相腔体；液滴微流控芯片具有旋转中心，分散相腔体设有用于添加分散相液体的加样孔，定量腔体与分散相腔体连接且相对分散相腔体更远离旋转中心；毛细喷嘴相对定量腔体更远离旋转中心，且毛细喷嘴的一端与定量腔体连接并自该连接端向远离旋转中心的方向延伸；连续相腔体与毛细喷嘴远离定量腔体的一端连接且相对毛细喷嘴更远离旋转中心，连续相腔体内收容有连续相液体。该液滴微流控芯片利用离心力作为液滴制备驱动力，通过不同参数配置可实现均一尺寸液滴的稳定高速的制备。

Description

液滴微流控芯片及微液滴的制备方法
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，特别是涉及一种液滴微流控芯片及微液滴的制备方法。
背景技术
微流控(Microfluidics)是指在微米尺度空间对流体进行操控的一种技术，该技术可以将化学、生物等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上，因此又被称为芯片实验室。液滴微流控作为微流控芯片研究中的重要分支，是近年来在传统连续流微流控系统基础上发展起来的，液滴微流控技术在生物医学中有广泛的应用，例如通过精确地对反应中的微液滴进行操控，能够减少反应试剂的消耗量，提高试剂利用率。制备的上万甚至上百万单分散性好的皮升级别的微液滴，作为独立的反应单元可以结合荧光成像分析、光谱学、电化学、毛细管电泳、质谱、核磁共振谱、化学发光法等手段实现在分子诊断、免疫生化、细胞培养、高分子合成、单细胞分析、药物运输等方面进行定性或定量的应用。
然而，目前制备微液滴的芯片由于稳定性和重复性差、液滴制备工艺复杂、设备要求高等原因不适宜大多数研究和量产化需求。
发明内容
基于此，有必要提供一种稳定性和重复性好、可简化液滴制备工艺的液滴微流控芯片。
一种液滴微流控芯片，包括至少一个液滴制备单元，所述液滴制备单元包括分散相腔体、定量腔体、毛细喷嘴和连续相腔体；所述液滴微流控芯片具有旋转中心，所述分散相腔体设有用于添加分散相液体的加样孔，所述定量腔体与所述分散相腔体连接且相对所述分散相腔体更远离所述旋转中心；所述毛细喷嘴相对所述定量腔体更远离所述旋转中心，且所述毛细喷嘴的一端与所述定量腔体连接并自该连接端向远离所述旋转中心的方向延伸；所述连续相腔体与所述毛细喷嘴远离所述定量腔体的一端连接且相对所述毛细喷嘴更远离所述旋转中心，所述连续相腔体用于预存连续相液体。
本发明的液滴微流控芯片在使用时，可将分散相液体(例如生化检测的各种试剂)从加样孔加至分散相腔体，然后启动低离心力离心将分散相液体甩入定量腔体，然后通过提高离心力使分散相液体通过毛细喷嘴进入连续相腔体，因离心力从毛细喷嘴喷出的分散相液体进入连续相腔体内与其中的连续相液体相接触，并在连续相液体的剪切力作用下被挤压、切断形成微液滴。由于毛细喷嘴的存在，较低离心力(0g～100g)下因液体表面张力，分散相液体无法被甩出至连续相腔体，从而确保了利用该芯片生成液滴的均匀性和稳定性。该液滴微流控芯片利用离心力作为液滴制备驱动力，通过不同参数配置可实现均一尺寸液滴的稳定高速的制备。离心驱动过程液体等分均一可靠，避免了传统被动法中平面微流控芯片生成液滴需要连接多个微泵精准控制液体流量的复杂操作，有利于降低设备复杂度、体积，同时极大地提高液体终末利用效率，减少液体在流动转移过程的损失和死体积。离心驱动方式简单，不需要像主动法需要运用复杂的电路控制、光学模块等，同样简化了设备尺寸和控制难度，减少设备制造成本，提高设备可靠性以及后续设备维护保养的难度。
在其中一个实施例中，所述液滴制备单元还包括分液流道，所述分液流道与所述分散相腔体连接并自该连接端围绕所述旋转中心延伸，所述分液流道相对所述分散相腔体更远离所述旋转中心；
所述定量腔体的数量为多个，多个所述定量腔体分别与所述分液流道连接且在所述分液流道的外侧沿所述分液流道的延伸方向依次排布；
所述毛细喷嘴的数量为多个，多个所述毛细喷嘴与多个所述定量腔体一一对应连接。
在其中一个实施例中，所述分液流道整体呈弧形且以所述旋转中心为圆心。
在其中一个实施例中，所述液滴制备单元还包括废液腔体，所述废液腔体与所述分液流道的延伸末端连接且自该连接端向远离所述旋转中心的方向延伸。
在其中一个实施例中，所述分液流道与所述分散相腔体通过微流道连接。
在其中一个实施例中，所述毛细喷嘴的截面为圆形、椭圆形或方形，等效直径为4μm～50μm。
在其中一个实施例中，所述连续相腔体的高度为80μm～150μm。
在其中一个实施例中，所述液滴制备单元还包括通气孔，所述通气孔相对所述分散相腔体更靠近所述旋转中心，所述分散相腔体和所述连续相腔体分别与所述通气孔连接。
本发明还提供了一种微液滴的制备方法，采用上述液滴微流控芯片，所述制备方法包括以下步骤：将分散相液体从所述加样孔加至所述分散相腔体，在5g～100g的离心力下离心以使所述分散相液体进入所述定量腔体，改变离心力至500g～18000g以使所述分散相液体通过所述毛细喷嘴进入所述连续相腔体并形成微液滴。
在其中一个实施例中，所述连续相液体的密度小于所述分散相液体的密度且密度差值小于0.35g/cm3，所述连续相液体的粘度为5cst～20cst。
附图说明
图1为传统的被动法制备微液滴的示意图，其中A为T型通道法，B为流动聚焦法，C为共轴聚焦法；
图2为本发明一实施例的液滴微流控芯片的结构示意图；
图3为图2所示的液滴微流控芯片的部分结构的示意图；
图4为图2所示的液滴微流控芯片的分解示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
目前，形成微液滴的方法可以分为被动法和主动法两类。被动法主要通过控制微通道结构和两相液体的流速来控制微液滴的生成与制备速率，常见的方法如图1所示，A图为T型通道法，即两相不相容的流体在T型管交叉口相遇，在压力和剪切力作用下，流动相截断分散相，从而形成液滴；B图为流动聚焦法，即三条流路汇聚在一个通道中，分散相和流动相汇聚在十字交叉管道处，上下对称的流动相同时挤压分散相使其断裂形成液滴；C图为共轴聚焦法，即孔道中心轴内插入尖嘴毛细管，分散相和连续相在管道内平行流动，分散相进入连续管道时在连续相流体剪切力作用下被挤压，断裂形成液滴。主动法包括介电泳、电浸润和光驱动等，介电泳即从储液室中将液体拉出形成液滴，液滴尺寸和施加电场强弱和频率有关；电浸润即外加电场改变流体与其接触界面自由能，使液体浸润表面，电场关闭则表面变为疏水，之前浸润在表面的液体从储液池断裂，形成液滴；光驱动即强汇聚光束(如激光)脉冲作用于分散相，脉冲能量促使水分分解产生极具膨胀的气体，从而在分散相和连续相界面处形成气穴，截断分散相进入到连续相形成液滴。以上被动法液滴生成方法不稳定，需要精密注射泵对通道内液体流速进行严格控制，存在难以精确操作、可行性较差等缺陷，微加工制作批次差异较大，量产无法实现产品重复性和稳定性要求。主动法也因液滴制备工艺复杂、稳定性重复性差、外部设备要求高、操作难度大、成本投入大等原因不适宜大多数研究和量产化需求。
如图2和图3所示，本发明一实施方式的液滴微流控芯片200，包括至少一个液滴制备单元100，液滴制备单元100包括分散相腔体10、定量腔体30、毛细喷嘴40和连续相腔体50。可以理解，液滴微流控芯片200的中部为旋转安装部，其具有旋转中心，该旋转中心即离心操作时的转动中心。
分散相腔体10设有用于添加分散相液体的加样孔11，定量腔体30与分散相腔体10连接且相对分散相腔体10更远离旋转中心。毛细喷嘴40相对定量腔体30更远离旋转中心，且毛细喷嘴40的一端与定量腔体30连接并自该连接端向远离旋转中心的方向延伸。连续相腔体50与毛细喷嘴40远离定量腔体30的一端连接且相对毛细喷嘴40更远离旋转中心，连续相腔体50用于预存连续相液体。
本发明的液滴微流控芯片200在使用时，可将分散相液体(例如生化检测的各种试剂)从加样孔11加至分散相腔体10，然后启动低离心力离心将分散相液体甩入定量腔体30，然后通过提高离心力使分散相液体通过毛细喷嘴40进入连续相腔体50，因离心力从毛细喷嘴40喷出的分散相液体进入连续相腔体50内与其中的连续相液体相接触，并在连续相液体的剪切力作用下被挤压、切断形成微液滴。由于毛细喷嘴40的存在，较低离心力(0g～100g)下因液体表面张力，分散相液体无法被甩出至连续相腔体50，从而确保了利用该芯片生成液滴的均匀性和稳定性。该液滴微流控芯片200利用离心力作为液滴制备驱动力，通过不同参数配置可实现均一尺寸液滴的稳定高速的制备。离心驱动过程液体等分均一可靠，避免了传统被动法中平面微流控芯片生成液滴需要连接多个微泵精准控制液体流量的复杂操作，有利于降低设备复杂度、体积，同时极大地提高液体终末利用效率，减少液体在流动转移过程的损失和死体积。离心驱动方式简单，不需要像主动法需要运用复杂的电路控制、光学模块等，同样简化了设备尺寸和控制难度，减少设备制造成本，提高设备可靠性以及后续设备维护保养的难度。
可选地，液滴微流控芯片200大致呈圆形，包括四个绕圆心均匀分布的液滴制备单元100，可以同时对四个样本的分散相液体制备微液滴，每个液滴制备单元100可以单独进行，互不干扰，提高芯片检测能力和检测通量，实现多指标检测，集成检测项目，缩短检测时间。当然，在其他实施方式中，液滴微流控芯片200还可以是其他形状，例如矩形、多边形等等。液滴微流控芯片200上的液滴制备单元100的数量还可以为一个、两个、三个、五个、七个等等。
在一个具体示例中，液滴制备单元100还包括分液流道20，分液流道20与分散相腔体10连接并自该连接端围绕旋转中心延伸，分液流道20相对分散相腔体10更远离旋转中心。定量腔体30的数量为多个，多个定量腔体30分别与分液流道20连接且在分液流道20的外侧沿分液流道20的延伸方向依次排布。毛细喷嘴40的数量为多个，多个毛细喷嘴40与多个定量腔体30一一对应连接。如此，定量腔体30的数量越多，毛细喷嘴40的数量越多，在同一离心驱动力作用下，产生液滴的数量也越多，定量腔体30数量决定毛细喷嘴40数量，毛细喷嘴40数量决定单位转速下制造液滴的数量。优选地，多个定量腔体30的体积相等。本文所述的“围绕”可成封闭环或不成封闭环，例如可以围绕成角度大于180°的扇形或围绕成角度在90°左右的扇形等，可理解，根据加样量的需要，围绕成的扇形圆心角的角度不限。
在一个具体示例中，分液流道20整体呈弧形且以旋转中心为圆心，便于分散相液体沿分液流道20分流至每个定量腔体30，保证定量腔体30内的分散相液体体积相等，且液滴形成稳定性一致性更好。
在一个具体示例中，液滴制备单元100还包括废液腔体60，废液腔体60与分液流道20的延伸末端连接且自该连接端向远离旋转中心的方向延伸。如此，经过离心后，分散相液体从分液流道20的进口端依次填充多个定量腔体30，多余的分散相液体则流入废液腔体60中。
在一个具体示例中，分液流道20与分散相腔体10通过微流道连接。可以理解，分液流道20与分散相腔体10之间也可设置阀门，例如石蜡阀、光敏蜡阀或按压阀等，不限于此。
在一个具体示例中，毛细喷嘴40的截面为圆形、椭圆形或方形，等效直径为4μm～50μm。离心驱动力的大小和毛细喷嘴40的尺寸决定芯片制备液滴的尺寸大小，相对而言，更高的离心力和更小的毛细喷嘴40尺寸将能够得到更小直径尺寸的微液滴。非圆形截面四周的壁面剪切应力不是均匀分布的，只能计算其沿着四周的平均值，一般来讲，4倍的非圆截面面积与润湿周长之比可近似等价于圆截面的直径，即4A(非圆截面)/P(润湿周长)≈D(圆截面)。举例来说，矩形截面润湿周长为截面矩形的周长，所以等效直径＝4ab/2(a+b)＝2ab/(a+b)，a是截面长，b是截面宽。
在一个具体示例中，连续相腔体50的高度(沿芯片的旋转轴方向)小于单个液滴的直径的两倍。如此，连续相腔体50的高度限制导致液滴单层排布，不会重叠或交错，检测过程能够对所有单液滴直接进行光信号采集，不必像传统液滴制备(液滴堆叠积累)后还需要额外增加单液滴筛选检测流程，降低配套设备复杂程度。优选地，连续相腔体50的高度为80μm～150μm，连续相腔体50的高度可以根据所需液滴直径(液滴直径为50μm～120μm)进行调整，比单个液滴的直径略高(高20μm～30μm)，从而更好地使液滴平铺为单层，不会在高度方向上堆砌，从而解决液滴团聚、重叠、交叉等因素导致的芯片后续检测困难的问题，便于后续光学检测。
在一个具体示例中，液滴制备单元100还包括通气孔101，通气孔101相对分散相腔体10更靠近旋转中心，分散相腔体10和连续相腔体50分别通过通气管道102与通气孔101连接。
在一个具体示例中，液滴制备单元100还包括透气不透液的滤芯103，连续相腔体50通过滤芯103与通气孔101连接。滤芯103可保证加入芯片的生物液体样品不会从芯片内泄漏至外界环境，避免出现生物污染，但能够通气。通气孔101、通气管道102和滤芯103起到平衡芯片内外气压作用，确保液体在离心过程能够顺利在芯片内部流动和转移。
在一个具体示例中，液滴微流控芯片200上还设有定位孔201，通过设计定位孔201，便于配套的检测设备识别液滴微流控芯片200的位置，从而便于检测获得对应的结果。
可选地，液滴微流控芯片200的加工方式包括CNC、激光雕刻、软光刻技术、3D打印、热压印及注塑形成模具等方式，但不限于此。
在一个具体示例中，如图4所示，液滴微流控芯片200包括底板210、两个双面胶层220、中间板230和顶板240，在中间板230上开设相应的分散相腔体10、分液流道20、定量腔体30、毛细喷嘴40和连续相腔体50等，在顶板240上开设加样孔11和通气孔101等，两个双面胶层220用于分别粘接底板210、中间板230和顶板240。底板210、中间板230和顶板240的材料可以是玻璃、硅片、石英或者常见的聚合物材料，聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷(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)、聚丙烯(PP)和氟塑料中的一种或多种。双面胶层220可以选择涂有丙烯酸类如丙烯酸酯、氰基丙烯酸酯、有机硅类和/或聚氨酯类胶黏剂，以聚对苯二甲酸乙二酯、聚氨酯、乙烯醋酸乙烯酯、聚乙烯和/或聚氯乙烯等为衬底的双面胶带。
可选地，为满足设备检测流程，底板210、顶板240至少一个采用高透光材质，在200nm～1100nm波长范围内的透光率＞90％。为降低光学检测背景干扰以及某些可能的芯片封装工艺需要如激光焊接封装工艺，中间板230、顶板240和底板210中的一个为纯黑不透明材质或中间板230、顶板240及底板210均为纯黑不透明材质，在200nm～1100nm波长范围内的光吸收率≥98％。双面胶层220可均为透明材质。
本发明一实施方式的微液滴的制备方法，采用上述液滴微流控芯片200，制备方法包括以下步骤：将分散相液体从加样孔11加至分散相腔体10，在5g～100g的离心力下离心以使分散相液体进入定量腔体30，改变离心力至500g～18000g以使分散相液体通过毛细喷嘴40进入连续相腔体50并形成微液滴。
本发明的微液滴制备方法利用离心力作为液滴制备驱动力，通过不同参数配置可实现均一尺寸液滴的稳定高速的制备。较低离心力(0g～100g)下因液体表面张力，分散相液体无法被甩出至连续相腔体50，从而确保了利用该芯片生成液滴的均匀性和稳定性。离心驱动过程液体等分均一可靠，避免了传统被动法中平面微流控芯片生成液滴需要连接多个微泵精准控制液体流量的复杂操作，有利于降低设备复杂度、体积，同时极大地提高液体终末利用效率，减少液体在流动转移过程的损失和死体积。离心驱动方式简单，不需要像主动法需要运用复杂的电路控制、光学模块等，同样简化了设备尺寸和控制难度，减少设备制造成本，提高设备可靠性以及后续设备维护保养的难度。
可以理解，通过改变转速也可控制毛细喷嘴40处喷出液体的量，转速越高，喷出液体的量越少。通过增大喷嘴离心半径(毛细喷嘴40和连续相腔体50的连接处与旋转中心的距离)，可导致所需离心转速降低，但离心力大小和制备液滴尺寸不变。如表1所示(以毛细喷嘴40的等效截面直径
Figure BDA0002669432420000101
为例)。
Figure BDA0002669432420000102
喷嘴截面直径、离心力大小最终影响生成液滴的大小和尺寸均一性，离心半径、离心转速又能决定离心力的大小。实际应用时可适当增大喷嘴离心半径，离心半径增大n倍，离心力增大n倍。芯片大小不变而喷嘴离心半径增大会导致连续相腔体50轴向宽度缩短，但由于生产的单个液滴尺寸变小，所以轴向宽度变小后的连续相腔体50依然可以容纳下相同数目的液滴。连续相腔体50轴向宽度变小还可以减少后续光学检测拍照的范围和区域大小，缩短检测时间。实际应用时也可保持喷嘴离心半径不变，改变离心转速，离心转速变大n倍，离心力变大n2倍，但是离心转速变大对配套设备研发投入不友好，相比较而言，改变喷嘴离心半径的方式更易实现，成本更低。
在一个具体示例中，连续相液体的密度小于分散相液体的密度且密度差值小于0.35g/cm3，连续相液体的粘度为5cst～20cst。连续相(油相)密度略小于分散相(液相)，从而可使液滴在离心过程以及后续检测过程始终沉于芯片底面，便于液滴平铺以及底部检测液滴处于同一水平面，连续相(油相)和分散相(液相)密度差异性尽可能小，从而可以减少离心过程液滴与液滴之间的破裂融合。低粘度例如10cst的连续相(油相)液体更合适，有利于确保分散相(液相)液体离心时能够顺利从毛细喷嘴40进入连续相(油相)，从而确保液滴的顺利生成。
在一个具体示例中，连续相液体包含表面活性剂和长链烷烃酯。连续相(油相)液体应当与分散相(液相)试剂生物相容，不可与之反应或抑制其反应。可选地，在连续相液体或者分散相液体中添加表面活性剂，可以增加液滴的稳定性。优选地，连续相液体包括长链烷基的硅氧链非离子型表面活性剂(体积百分比2％～20％)和长链烷烃酯(体积百分比80％～98％)。可选地，长链烷烃酯包括棕榈酸甲酯、棕榈酸乙酯、棕榈酸异丙酯、月桂酸丙酯、月桂酸丁酯、月桂酸甲酯、月桂酸乙酯、月桂酸异戊酯、油酸甲酯、油酸乙酯、油酸甘油酯、硬脂酸甲酯、硬脂酸乙酯、硬脂酸乙烯酯、硬脂酸丁酯和硬脂酸甘油酯中的一种或多种。
优选地，分散相液体每次加样量为5μL～100μL，连续相腔体50内的连续相液体的体积为300μL～1500μL。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种液滴微流控芯片，其特征在于，包括至少一个液滴制备单元，所述液滴制备单元包括分散相腔体、定量腔体、毛细喷嘴和连续相腔体；所述液滴微流控芯片具有旋转中心，所述分散相腔体设有用于添加分散相液体的加样孔，所述定量腔体与所述分散相腔体连接且相对所述分散相腔体更远离所述旋转中心；所述毛细喷嘴相对所述定量腔体更远离所述旋转中心，且所述毛细喷嘴的一端与所述定量腔体连接并自该连接端向远离所述旋转中心的方向延伸；所述连续相腔体与所述毛细喷嘴远离所述定量腔体的一端连接且相对所述毛细喷嘴更远离所述旋转中心，所述连续相腔体内用于预存连续相液体。
2.根据权利要求1所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述液滴制备单元还包括分液流道，所述分液流道与所述分散相腔体连接并自该连接端围绕所述旋转中心延伸，所述分液流道相对所述分散相腔体更远离所述旋转中心；
所述定量腔体的数量为多个，多个所述定量腔体分别与所述分液流道连接且在所述分液流道的外侧沿所述分液流道的延伸方向依次排布；
所述毛细喷嘴的数量为多个，多个所述毛细喷嘴与多个所述定量腔体一一对应连接。
3.根据权利要求2所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述分液流道整体呈弧形且以所述旋转中心为圆心。
4.根据权利要求2所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述液滴制备单元还包括废液腔体，所述废液腔体与所述分液流道的延伸末端连接且自该连接端向远离所述旋转中心的方向延伸。
5.根据权利要求2所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述分液流道与所述分散相腔体通过微流道连接。
6.根据权利要求1～5任一项所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述毛细喷嘴的截面为圆形、椭圆形或方形，等效直径为4μm～50μm。
7.根据权利要求1～5任一项所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述连续相腔体的高度为80μm～150μm。
8.根据权利要求1～5任一项所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述液滴制备单元还包括通气孔，所述通气孔相对所述分散相腔体更靠近所述旋转中心，所述分散相腔体和所述连续相腔体分别与所述通气孔连接。
9.一种微液滴的制备方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的液滴微流控芯片，所述制备方法包括以下步骤：
将分散相液体从所述加样孔加至所述分散相腔体，在5g～100g的离心力下离心以使所述分散相液体进入所述定量腔体，改变离心力至500g～18000g以使所述分散相液体通过所述毛细喷嘴进入所述连续相腔体并形成微液滴。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述连续相液体的密度小于所述分散相液体的密度且密度差值小于0.35g/cm3，所述连续相液体的粘度为5cst～20cst。
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