CN112657565B

CN112657565B - 微流控通道及其控制方法、微流控芯片和分析装置

Info

Publication number: CN112657565B
Application number: CN202011498245.3A
Authority: CN
Inventors: 邓林; 丁丁
Original assignee: BOE Technology Group Co Ltd
Current assignee: BOE Technology Group Co Ltd
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-08-19
Anticipated expiration: 2040-12-17
Also published as: CN112657565A

Abstract

本发明提供了微流控通道及其控制方法、微流控芯片和分析装置。该微流控通道包括：具有第一入口和第一出口的第一流道；具有第二入口和第二出口的第二流道，第二出口与第一出口相连通，其延伸方向与第一流道的延伸方向不同；具有第三入口的第三流道，第三入口与第一出口、第二出口相连通，第三流道的内壁设置有功能层，功能层沿第三流道远离第三入口的第一方向延伸，且功能层可在与第一方向相垂直的第二方向上伸缩至预定位置。该微流控通道可以形成具有不同尺寸的液滴，从而在采用该微流控通道进行分析和实验时，无需更换不同的微流控通道即可进行尝试性实验，可快速完成实验条件的筛选，降低试剂和样品的消耗，有效减少人工操作，易于产业化。

Description

微流控通道及其控制方法、微流控芯片和分析装置

技术领域

本发明涉及生物医学技术领域，具体地，涉及微流控通道及其控制方法、微流控芯片和分析装置。

背景技术

目前，微流控技术广泛应用于细胞生物学、分子生物学等多个生物医学的领域中，其通过微流控通道的设计，可以将连续的液相分割成尺寸、形貌均一的液滴，其中，在每个液滴中可以独立的完成单细胞标记、裂解、封装、测序建库、PCR等多种生物学反应。众所周知，微流控技术实际应用时，在涉及单细胞封装以及将预定试剂包封到液滴的过程中，液滴的尺寸对包封率的影响也是不可忽略的。然而，在相关技术中，对于采用一个确定的微流控通道形成特定的液滴的过程中，该微流控通道的具体结构、表面活性剂的成分，连续相、流动相的具体成分均已确定，也就是说，在液滴生成时，其热力学稳定状态已经确定，此时，仅可通过调节连续相和液滴相流动的工艺参数等来调节液滴的尺寸，这并不利于微流控液滴流动时的实验参数确定，在采用其进行分析和实验时需要更换多个微流控通道以进行大量尝试性实验，实验条件的筛选周期长，会消耗过多样品与试剂，无法实现高通量检测和自动化。

因而，现有的微流控的相关技术仍有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种可以形成具有不同尺寸的液滴、在采用其进行分析和实验时无需更换即可进行尝试性实验、可快速完成实验条件的筛选、降低试剂的消耗、降低样品的消耗、有效减少人工操作或者易于产业化的微流控通道。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种微流控通道。根据本发明的实施例，该微流控通道包括：第一流道，所述第一流道具有第一入口和第一出口；第二流道，所述第二流道具有第二入口和第二出口，所述第二出口与所述第一出口相连通，所述第二流道的延伸方向与所述第一流道的延伸方向不同；和第三流道，所述第三流道具有第三入口，所述第三入口与所述第一出口、所述第二出口相连通，所述第三流道的内壁设置有功能层，所述功能层沿所述第三流道远离所述第三入口的第一方向延伸，且所述功能层可在与所述第一方向相垂直的第二方向上伸缩至预定位置。该微流控通道可以形成具有不同尺寸的液滴，从而在采用该微流控通道进行分析和实验时，无需更换不同的微流控通道即可进行尝试性实验，可快速完成实验条件的筛选，降低试剂和样品的消耗，有效减少人工操作，易于产业化。

根据本发明的实施例，所述功能层在所述第二方向上，延伸至所述第三流道的边沿。

根据本发明的实施例，所述功能层可在预定条件下，在所述第二方向上伸缩至所述预定位置，其中，所述预定条件包括将所述功能层置于电场中、将所述功能层置于磁场中、给所述功能层施加压力或给所述功能层加热中的至少一种。

根据本发明的实施例，所述功能层的材料包括可在所述预定条件下改变自身体积的材料。

根据本发明的实施例，所述功能层的材料包括高分子刷、高分子凝胶或弹性材料中的至少一种。

根据本发明的实施例，所述功能层沿所述第一方向延伸的距离不小于所述第三流道的宽度的2倍。

在本发明的另一个方面，本发明提供了一种微流控芯片。根据本发明的实施例，该微流控芯片包括：前面所述的微流控通道；和盖片，所述盖片设置在所述微流控通道的一侧，并覆盖所述微流控通道。在采用该微流控芯片进行分析和实验时，无需更换即可进行尝试性实验，可快速完成实验条件的筛选，降低试剂和样品的消耗，有效减少人工操作，易于产业化，且具有前面所述的微流控通道的所有特征和优点，在此不再过多赘述。

在本发明的又一个方面，本发明提供了一种分析装置。根据本发明的实施例，该分析装置包括前面所述的微流控芯片。在采用该分析装置进行分析和实验时，无需更换微流控芯片即可进行尝试性实验，可快速完成实验条件的筛选，降低试剂和样品的消耗，有效减少人工操作，易于产业化，且具有前面所述的微流控芯片的所有特征和优点，在此不再过多赘述。

在本发明的再一个方面，本发明提供了一种前面所述的微流控通道的控制方法。根据本发明的实施例，该控制方法包括：自第一入口向所述微流控通道的第一流道中通入连续相；控制所述微流控通道中的功能层在与所述第三流道远离第三入口的第一方向相垂直的第二方向上伸缩至第一预定位置；自第二入口向所述微流控通道的第二流道中通入第一液滴相。在采用该控制方法进行分析和实验时，可快速完成实验条件的筛选，降低试剂和样品的消耗，有效减少人工操作，易于产业化。

根据本发明的实施例，在自所述第二入口向所述微流控通道的所述第二流道中通入所述第一液滴相以后，所述方法还包括：控制所述微流控通道中的所述功能层在与所述第二方向上伸缩至第二预定位置；自所述第二入口向所述第二流道中通入第二液滴相。

附图说明

图1显示了本发明一个实施例的微流控通道的平面结构示意图(a图和b图分别对应功能层在第二方向上伸缩不同的预定位置时的结构示意图)。

图2a显示了图1实施例中的微流控通道沿AA线的一种剖面结构示意图。

图2b显示了图1实施例中的微流控通道沿AA线的另一种剖面结构示意图。

图3显示了本发明一个实施例的微流控通道的控制方法的流程示意图。

图4显示了本发明另一个实施例的微流控通道的控制方法的流程示意图。

附图标记：

10：微流控通道 100：第一流道 110：第一入口 120：第一出口 200：第二流道210：第二入口 220：第二出口 300：第三流道 310：第三入口 400：功能层 99a、99b、99c、99d：液滴

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种微流控通道。根据本发明的实施例，参照图1，该微流控通道10包括：第一流道100，所述第一流道100具有第一入口110和第一出口120；第二流道200，所述第二流道200具有第二入口210和第二出口220，所述第二出口220与所述第一出口120相连通，所述第二流道200的延伸方向与所述第一流道100的延伸方向不同；和第三流道300，所述第三流道300具有第三入口310，所述第三入口310与所述第一出口120、所述第二出口220相连通，所述第三流道300的内壁设置有功能层400，所述功能层400沿所述第三流道300远离所述第三入口310的第一方向延伸，且所述功能层400可在与所述第一方向相垂直的第二方向上伸缩至预定位置，参照图1中的a图和b图，即为所述功能层400在第二方向上伸缩至不同预定位置时的结构示意图，在图1中的a图所示出的微流控通道10中，第一流道100用于通入液滴相，第二流道200用于通入连续相，在实际使用过程中，先自所述第二入口210通入连续相，而后自所述第一入口110通入所述液滴相(如a中第一入口110处的箭头所示)，当液滴相通过设置有功能层400的部分第三流道300的部分内壁时，由于功能层400在第二方向上伸缩至第一预定位置，因此其可以对液滴相所形成的液滴99a进行限位，此时，可以理解的是，该液滴99a在通过所述功能层400以后，其可以形成液滴99b；与此同理，在图1中的b图所示出的微流控通道10中，由于功能层400在第二方向上伸缩至第二预定位置(且第二预定位置与前面所述的第一预定位置不同)，其对液滴相所形成的液滴99c进行限位，可以理解的是，该液滴99c在通过所述功能层400以后，其可以形成液滴99d，由此，通过功能层400在第二方向上伸缩至不同的预定位置，可以使得该微流控通道可形成具有不同尺寸的液滴(例如液滴99b和液滴99d)，从而在采用该微流控通道10进行分析和实验时，无需更换不同的微流控通道10即可进行尝试性实验，可快速完成实验条件的筛选，降低试剂和样品的消耗，有效减少人工操作，易于产业化，进而可以为液滴数字PCR、单细胞测序、单细胞克隆、抗体药物筛选等生物技术提供有力支持。

根据本发明的实施例，可以理解的是，前面所述的第一预定位置和所述第二预定位置不同时，即可形成具有不同尺寸的液滴，前面所述的形成尺寸较大的液滴99b和尺寸较小的液滴99d的过程仅作一例进行说明，本领域技术人员可以理解，由于上述功能层400可以在第二方向上伸缩至预定位置，也就是说，其也可以先形成尺寸较小的液滴，后形成尺寸较大的液滴，或者根据不同的需求先后形成具有不同尺寸的液滴，只要使得功能层400伸缩至不同的预定位置即可，本领域技术人员可以根据实际需要进行灵活选择，在此不再过多赘述。

根据本发明的实施例，另外，可以理解的是，在前面所述的微流控通道10中，第一流道100、第二流道200、第三流道300的尺寸、长度、延伸方向、形成材料等，以及第一入口110、第一出口120，第二入口210、第二出口220、第三入口310分别在第一流道100、第二流道200和第三流道300上的具体设置位置等并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行灵活选择，例如，所述第一流道100、第二流道200、第三流道300的材料可以选用硅基材料、玻璃或者聚合物等多种材料制作，其具体制作工艺可以是相关技术中的MEMS制造工艺、微注塑工艺、激光加工工艺或者机械加工工艺等；所述第三流道300的总长度可以是100μm～1000μm，具体地，可以是100μm、500μm或者1000μm等，其可以根据实际需要进行选择；另外，微流控通道10中的第一流道100、第二流道200,、第三流道300共同所构成的整体形状也不受特别限制，本领域技术人员可以理解，除图1中所示出的“十字交叉型”微流控通道以外，本发明所述的微流控通道还可以是相关技术中微流控通道的其他形状，例如其也可以是“T字型”的微流控通道等，其中，在第三流道300的内壁上，均可以设置具有本发明所述的功能层400，功能层400的具体设置方式并不受微流控通道10的形状、种类的影响。

根据本发明的实施例，另外，该微流控通道10的进样方式也是不受特别限制的，例如其可以选用气压泵、柱塞泵、蠕动泵进行驱动；连续相和液滴相的流速可调，需要说明的是，为使得更好地形成液滴，连续相的流速可以设置为是小于液滴相的流速的。

根据本发明的实施例，可以理解的是，在所述微流控通道形成液滴时，其还可以具有相关技术中微流控通道所用的稳定剂，稳定剂的种类不受特别限制，例如，可以采用二嵌段聚合物或者三嵌段聚合物，其具有两亲性，在该稳定剂中，亲水部分的体积与疏水部分的体积不同，且稳定剂分子的空间结构可以变化。例如，在本发明的一些实施例中，稳定剂的亲水部分的体积可以小于疏水部分所占的体积，稳定剂的分子空间结构变化可以是从圆锥形变成圆台形，最后变成圆柱形。这均可以与相关技术中的微流控技术所采用的稳定剂相同，在此不再过多赘述。

根据本发明的实施例，进一步地，所述功能层400的具体形状不受特别限制，例如，参照图2a，该功能层400在第二方向上，可以是仅设置在第三通道300的部分内壁上的；当然，在本发明的另一些实施例中，参照图2b，该功能层400可以在所述第二方向上，延伸至所述第三流道300的边沿，进而，通过使得所述功能层400伸缩至预定位置，可以更好、更方便地形成具有不同尺寸且更加稳定的液滴。

根据本发明的实施例，更进一步地，前面所述的功能层400在第二方向上伸缩至不同的预定位置的具体实现方式可以是通过使得所述功能层400的材料包括可在所述预定条件下改变自身体积的材料、并使得所述功能层400满足所述预定条件的方式实现的，其中，所述预定条件可以包括将所述功能层400置于电场中、将所述功能层400置于磁场中、给所述功能层400施加压力或给所述功能层400加热中的至少一种。由此，当使所述功能层400满足上述条件的至少之一时，由于其可以改变自身的体积，进而可以实现在所述第二方向上伸缩至所述预定位置，进而形成上述具有不同尺寸的液滴。

根据本发明的实施例，具体而言，所述功能层400的材料可以包括高分子刷、高分子凝胶或弹性材料中的至少一种，其中，所述高分子刷、高分子凝胶或者弹性材料的具体种类不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行灵活选择，例如，可以选用相关技术中的电刺激响应致动器、或者温敏材料等。由此，材料来源广泛、易得，成本较低，并且，其可以有效在磁场、压力、电场、加热等预定条件下实现自身的体积变化，进而在上述第三流道中对液滴进行限位，以形成具有不同尺寸的液滴。

根据本发明的实施例，进一步地，参照图1中的b图，所述功能层400沿所述第一方向延伸的距离D不小于所述第三流道的宽度的2倍，其中，所述第三流道的宽度p是指所述第三流道在第二方向上延伸的距离。具体而言，在本发明一些具体的实施例中，当所述第三流道的宽度p为50μm时，所述功能层400沿所述第一方向延伸的距离D可以设置成是不小于100μm的；在本发明的另一些实施例中，当所述第三流道的宽度p为2.5μm时，所述功能层400沿所述第一方向延伸的距离D可以是5μm～100μm，具体的，可以是5μm、10μm、10μm、10μm、10μm、10μm、10μm、10μm、10μm、10μm或者100μm等。由此，在所述第三通道300内，沿所述第一方向具有足够长的所述功能层400，能够形成更为稳定的具有不同尺寸的液滴；并且，功能层400的长度也不会过长，进而工艺较为简单、成本较低、易于实现。

根据本发明的实施例，可以理解的是，除前面所述的功能层400以外，在所述微流控通道10中，第三流道300的内壁还可以进行亲水修饰或者疏水修饰，这取决于在该微流控通道中液滴相和连续相的亲疏水性，具体而言，前面所述的亲水修饰或者疏水修饰的具体方式，均可以相关技术中的微流控通道相同，在此不再过多赘述。

根据本发明的实施例，该微流控芯片除前面所述的微流控通道以外，还可以包括其他必要的结构和组成，本领域技术人员可根据微流控芯片的具体种类和使用要求进行补充和设计，在此不再过多赘述。

根据本发明的实施例，该分析装置除前面所述的微流控芯片以外，还可以包括其他必要的结构和组成，本领域技术人员可根据分析装置的具体种类和使用要求进行补充和设计，在此不再过多赘述。

据本发明的实施例，该分析装置的具体种类不受特别限制，例如可以包括但不限于单细胞分析装置等，在此不再过多赘述。

在本发明的再一个方面，本发明提供了一种前面所述的微流控通道的控制方法。根据本发明的实施例，参照图3，该控制方法可以具体包括以下步骤：

S100：自第一入口向所述微流控通道的第一流道中通入连续相。

S200：控制所述微流控通道中的功能层在与所述第三流道远离第三入口的第一方向相垂直的第二方向上伸缩至第一预定位置。

S300：自第二入口向所述微流控通道的第二流道中通入第一液滴相。

另外，在本发明的另一些实施例中，参照图4，在自所述第二入口向所述微流控通道的所述第二流道中通入所述第一液滴相以后，该方法还可以进一步包括以下步骤：

S400：控制所述微流控通道中的所述功能层在所述第二方向上伸缩至第二预定位置。

S500：自所述第二入口向所述第二流道中通入第二液滴相。

根据本发明的实施例，通过前面所述的微流控通道的控制方法，可以使得该微流控通道可形成具有不同尺寸的液滴，从而在采用该微流控通道进行分析和实验时，无需更换不同的微流控通道即可进行尝试性实验，可快速完成实验条件的筛选，降低试剂和样品的消耗，有效减少人工操作，易于产业化，进而可以为液滴数字PCR、单细胞测序、单细胞克隆、抗体药物筛选等生物技术提供有力支持。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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

1.一种微流控通道，其特征在于，包括：

第一流道，所述第一流道具有第一入口和第一出口；

第二流道，所述第二流道具有第二入口和第二出口，所述第二出口与所述第一出口相连通，所述第二流道的延伸方向与所述第一流道的延伸方向不同；和

第三流道，所述第三流道具有第三入口，所述第三入口与所述第一出口、所述第二出口相连通，所述第三流道的内壁设置有功能层，所述功能层沿所述第三流道远离所述第三入口的第一方向延伸，且所述功能层可在预定条件下与所述第一方向相垂直的第二方向上伸缩至预定位置，

所述预定条件包括将所述功能层置于电场中、将所述功能层置于磁场中、给所述功能层施加压力或给所述功能层加热中的至少一种，

所述功能层的材料包括电刺激响应致动器或者温敏材料。

2.根据权利要求1所述的微流控通道，其特征在于，所述功能层在所述第二方向上，延伸至所述第三流道的边沿。

3.根据权利要求1所述的微流控通道，其特征在于，所述功能层沿所述第一方向延伸的距离不小于所述第三流道的宽度的2倍。

4.一种微流控芯片，其特征在于，包括：

权利要求1～3中任一项所述的微流控通道；和

盖片，所述盖片设置在所述微流控通道的一侧，并覆盖所述微流控通道。

5.一种分析装置，其特征在于，包括权利要求4所述的微流控芯片。

6.一种权利要求1～3中任一项所述的微流控通道的控制方法，其特征在于，包括：

自第一入口向所述微流控通道的第一流道中通入连续相；

控制所述微流控通道中的功能层在与所述第三流道远离第三入口的第一方向相垂直的第二方向上伸缩至第一预定位置；

自第二入口向所述微流控通道的第二流道中通入第一液滴相。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在自所述第二入口向所述微流控通道的所述第二流道中通入所述第一液滴相以后，还包括：

控制所述微流控通道中的所述功能层在所述第二方向上伸缩至第二预定位置；

自所述第二入口向所述第二流道中通入第二液滴相。