CN113145192A - 基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片及基于气动阀门打印单个微粒方法。本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，捕获部的两侧设置分别设置了主通道和侧通道，且捕获部沿主通道的延伸方向设置了多个薄膜件，相邻两个薄膜件之间具有捕获槽和阀门通道，主通道内载有微粒的第一液体会流入侧通道中，第一液体经过阀门通道后，压强减小，因此微粒会在主通道与侧通道之间的压强差产生的流体曳力作用下，由主通道内进入捕获槽中。通过气压调节装置依次使各个阀门通道一侧或两侧的薄膜件中的气压腔的腔壁气压腔收缩，可以实现与各个阀门通道连通的对应的捕获槽中的单个微粒的确定性打印。

Description

基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片和方法

技术领域

本发明涉及微流体控制技术领域，涉及一种基于气动阀门打印单个微粒的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片和方法。

背景技术

目前，单细胞分析技术是再生医学、临床诊断和细胞治疗的重要工具。将单个细胞打印分离接种到单独的培养室是单细胞分析技术的关键。随着微流控技术的发展，相关技术中，采用了基于微流控技术的单细胞打印方法，主要为：喷墨打印、单个微阀门筛选、双阀门筛选、移液管式单细胞分离等。这些方法虽然利用了微流控技术使用样品及试剂量少、反应速度快、可大量平行处理及可即用即弃等优点，但是也存在不足之处。

喷墨打印方法对设备的要求高，需要高速摄像机及自动辅助系统的精密配合，造价昂贵。单个微阀门筛选方法和双阀门筛选方法，分离过程操作繁琐，芯片制作复杂，且多个细胞同时到达挤压通道容易造成阀门堵塞，单细胞打印效率低。移液管式单细胞分离方法需要依靠人工手动操作，且流体剪切力难以控制，对细胞伤害性较大，并且每吸取一次只能打印一个细胞，打印效率低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，结构简单，易于实现，并能够提升单个微粒的打印效率。

本发明还提出一种应用于上述基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片的基于气动阀门打印单个微粒方法。

根据本发明的第一方面实施例的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，包括：

若干捕获打印单元，所述捕获打印单元包括主通道、侧通道和捕获部，所述主通道用于通入载有微粒的第一液体，所述捕获部位于所述主通道与所述侧通道之间，所述捕获部包括多个薄膜件，相邻两个薄膜件之间具有捕获槽和阀门通道，所述捕获槽用于捕获单个微粒，所述捕获槽位于所述捕获部朝向所述主通道的一侧，所述捕获槽连通所述主通道；

所述侧通道位于所述捕获槽背离所述主通道的一侧，所述阀门通道连通所述捕获槽与所述侧通道，所述阀门通道的宽度小于所述微粒的直径，各所述阀门通道的两侧的两个所述薄膜件中的至少一个的内部设置有气压腔，各个所述薄膜件中所述气压腔的腔壁的厚度各不相同，各所述气压腔用于连通于同一所述气压调节装置，通过所述气压调节装置能够改变所述气压腔内的气压，所述气压腔的腔壁能够随着所述气压腔内的气压变化而收缩或膨胀，且腔壁厚度越厚的所述气压腔在相同压强变化下的变形越小。

根据本发明实施例的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，至少具有如下有益效果：本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，捕获部的两侧分别设置了主通道和侧通道，且捕获部沿主通道的延伸方向设置了多个薄膜件，相邻两个薄膜件之间具有捕获槽和阀门通道，第一液体通过阀门通道由主通道进入到侧通道之中，并且压强减小，微粒会在主通道内的第一液体与侧通道的第二液体之间的压强差产生的流体曳力作用下，由主通道内进入捕获槽中，即可实现单个微粒的捕获。阀门通道两侧的薄膜件之中设置有气压腔，通过气压调节装置减小气压腔内部的气压，能够使气压腔的腔壁收缩，从而两个薄膜件之间的阀门通道的宽度增加，气压减小到一定值时，阀门通道打开，与该阀门通道连通的捕获槽中捕获的单个微粒能够通过该阀门通道进入侧通道之中，并可从侧通道的出口流入微粒培养装置中。通过气压调节装置逐级减小各个气压腔内的气压使各个阀门通道一侧或两侧的薄膜件中的气压腔的腔壁由薄到厚依次收缩，可以实现对应的捕获槽中的单个微粒的推出，从而进行单个微粒的确定性打印。本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，结构简单，且随着捕获打印单元数量的增加及捕获槽数量的增加，可以实现高通量的单个微粒打印，提升单个微粒打印的效率。

根据本发明的一些实施例，各个所述薄膜件中所述气压腔的腔壁的厚度沿所述主通道内的所述第一液体的流动方向依次增加或依次减小。

根据本发明的一些实施例，所述阀门通道两侧的两个所述薄膜件均在朝向所述阀门通道的一侧的内部设置有气压腔。

根据本发明的一些实施例，所述基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片还包括连通层与气压通道层，所述连通层上于各个所述气压腔相应位置设置有气通孔，所述气通孔连通所述气压腔，所述气压通道层内设置有相互连通的多条气压通道，各所述气通孔连通所述气压通道，所述多条气压通道用于连通同一所述气压调节装置。

根据本发明的一些实施例，所述侧通道的出口连通于所述主通道的出口。

根据本发明的一些实施例，所述基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片还设置有入口通道和冲洗通道，所述入口通道用于通入载有微粒的所述第一液体，所述主通道与入口通道连通，所述冲洗通道连通所述主通道，所述冲洗通道用于通入第二液体。

根据本发明的一些实施例，所述入口通道分叉成多个入口分支通道，其中任一所述入口分支通道与其下一级的所述分支通道之间的连通位置设置有限位阀，所述限位阀设置有中间通道，所述中间通道的轴线与所述分支通道的轴线共线，且所述中间通道的宽度小于所述分支通道的宽度，所述中间通道用于单个微粒通过。

根据本发明的一些实施例，所述主通道呈直线延伸。

根据本发明的第二方面实施例的基于气动阀门打印单个微粒方法，应用于本发明第一方面实施例中所述的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，包括以下步骤：

向所述主通道内通入载有微粒的第一液体；

使所述主通道内的所述第一液体通过所述阀门通道进入到所述侧通道；

使所有所述捕获槽捕获单个微粒；

使各个所述气压腔连通于同一所述气压调节装置；

通过所述气压调节装置减小各个气压腔内的压强至设定压强，所述设定压强使腔壁厚度最小的气压腔的腔壁的收缩变形量能使该气压腔一侧的阀门通道打开至宽度不小于单个微粒的直径，从而与该阀门通道连通的捕获槽中的微粒进入侧通道之中，而腔壁厚度大于腔壁厚度最小的所述气压腔的腔壁的收缩变形量仍不足以打开所述阀门通道至宽度不小于单个微粒的直径；

继续逐级减小各个气压腔内的压强，以腔壁厚度从小到大的顺序使所述气压腔的腔壁依次发生收缩变形而打开对应的所述阀门通道，各个所述捕获槽中的微粒逐个进入到所述侧通道之中；

使微粒从所述侧通道流出。

根据本发明的第二方面实施例的基于气动阀门打印单个微粒方法至少具有如下有益效果：通过捕获槽两端的液体流动压强差以及气压腔的腔壁的变形即可实现单个微粒的捕获及打印，易于实现，能够确定性地打印出单个微粒，并减少了人工筛选等操作，有效提升微粒的打印效率。此外，本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒方法，均通过液体的压强实现对微粒的捕获及打印，相对于现有技术通过磁力、声波力等打印方法，减少了外力对微粒的结构影响。

根据本发明的一些实施例的基于气动阀门打印单个微粒方法，使各个所述薄膜件中所述气压腔的腔壁的厚度沿所述第一液体的流动方向依次增加或依次减小。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明一实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片的部分结构示意图；

图2为本发明图1实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片中的A区域的局部放大示意图；

图3为本发明图1实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片中的B区域的局部放大示意图；

图4为本发明一实施例中基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片打印单细胞时的状态示意图；

图5为本发明图4实施例中基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片打印单细胞时的另一状态示意图；

图6为本发明图4实施例中基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片打印单细胞时的另一状态示意图；

图7为本发明一实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片的部分结构示意图。

附图标记：

细胞10；

入口通道100，分支通道110，限位阀120，中间通道121，第一液体通道122；

捕获打印单元200，主通道210，侧通道220，薄膜件230，气压腔231，捕获槽240，平直部241，限位部242，导向部243，阀门通道250，捕获部260。

冲洗通道300；连通层400，气通孔410；气压通道层500，气压通道510。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图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。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1、图2和图4，本发明的一实施例中提出了一种基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，包括若干捕获打印单元200。捕获打印单元200包括主通道210、侧通道220和捕获部260，主通道210用于通入载有微粒10的第一液体，捕获部260位于主通道210与侧通道220之间，捕获部260包括多个薄膜件230，相邻两个薄膜件230之间具有捕获槽240和阀门通道250，捕获槽240用于捕获单个微粒10，捕获槽240位于捕获部260朝向主通道210的一侧，捕获槽240连通主通道210，侧通道220位于捕获槽240背离主通道210的一侧，阀门通道250连通捕获槽240与侧通道220，阀门通道250的宽度小于微粒10的直径。

其中，微粒10可以是细胞、磁性微球等微粒。在微粒10为细胞时，第一液体为细胞的培养液。主通道210的延伸方向可以是沿直线延伸，也可以是曲折延伸。参照图4，捕获槽240的长度及宽度设置为大于所需捕获的微粒10的直径，以使捕获槽240能够容纳单个微粒10，可以理解的是捕获槽240的长度及宽度设置在一定范围内略大于单个微粒10的直径，以避免捕获槽240中容纳一个以上的微粒10。

向主通道210内通入载有微粒的第一液体，主通道210内的第一液体会流入侧通道220中，由于阀门通道250的宽度很小，其流阻大，第一液体经过阀门通道250后，第一液体的压强减小，主通道210内的第一液体与侧通道220内的第一液体之间存在压强差，并产生流体曳力。微粒10在流体曳力的作用下，微粒10由主通道210内进入捕获槽240中。如图4所示，主通道210内的第一液体的流动方向为上下方向，基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片中的一个捕获槽240的开口方向朝向左方向，主通道210内的第一液体的压强大于侧通道220内的第一液体的压强，由此产生由主通道210朝向侧通道220的流体曳力，微粒10进入捕获槽240中，并由于流体曳力的作用方向为主通道220朝向侧通道220的方向，因此，主通道220内的第一液体始终会从捕获槽240流向侧通道220，微粒10会滞留于捕获槽240中，而不会被主通道220内的第一液体所冲走，由此实现了捕获槽240对单个微粒10的捕获。捕获槽240与侧通道220之间连通有阀门通道250，阀门通道250的宽度小于微粒10的直径，此时微粒10不会从捕获槽240中进入到侧通道220中。

各个阀门通道250的两侧的两个薄膜件230中至少一个的内部设置有气压腔231，气压腔231用于连通气压调节装置(图中未示出)，气压调节装置能够改变气压腔231内的气压，气压腔231的腔壁能够随着气压腔231内的气压变化而收缩或膨胀。通过气压调节装置使两个薄膜件230其中一个或者两个薄膜件230的气压腔231内部的气压减小，气压腔231的腔壁发生收缩，由于气压腔231位于两个薄膜件230之间的阀门通道250的一侧，从而两个薄膜件230之间的阀门通道250的宽度增加，气压减小到一定值时，阀门通道250打开，阀门通道250能够供微粒10通过，微粒10从捕获槽240通过阀门通道250进入到位于薄膜件230另一侧的侧通道220之中，微粒10可以从侧通道220的出口流入微粒10培养装置，实现与该阀门通道250连通的捕获槽240中的单个微粒10的打印。通过依次使各个阀门通道250一侧或两侧的薄膜件230中的气压腔231的腔壁气压腔231收缩，可以实现与各个阀门通道250连通的对应的捕获槽240中的单个微粒10的确定性打印。气压腔231的腔壁可以由各类可因气压收缩或膨胀的材料制成。气压调节装置可以是各类用于改变气压的气压泵、负压机等装置。阀门通道250的两侧的两个薄膜件230中，可以是其中一个在朝向另一个的一端的内部设置有气压腔231，也可以是两个都在朝向另一个的一端的内部设置有气压腔231。

薄膜件230之中的各个薄膜件230中气压腔231的腔壁的厚度各不相同。多个薄膜件230中的气压腔231连通于一个气压调节装置。

可以理解的是，气压腔231的腔壁的厚度越厚，因同压强变化引起的收缩或膨胀变形越小。多个薄膜件230之中的气压腔231的腔壁厚度不同，从而气压调节装置使多个薄膜件230之中的气压腔231的内部的气压减小相同压强时，厚度最小的气压腔231的腔壁会收缩形变会最大。因此，通过设置各个气压腔231的腔壁的厚度之间的梯度差，以及气压腔231的内部的气压逐级减小的梯度差，可以以气压腔231的腔壁厚度由小到大的顺序依次打开各个阀门通道250，从而实现单个微粒10的确定性打印。本实施例中的微流体芯片，通过设置一个气压调节装置就可以实现使各个气压腔231的腔壁依次收缩，阀门通道250随着气压腔231的腔壁的厚度由小到大依次打开，有效减少了气压调节装置的数量，简化了基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片的内部结构，降低了基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片的制作成本。

例如，参照图1和图4，在本发明的一实施例中，主通道210内的第一液体的流动方向为上下方向，多个薄膜件230之中位于上方的薄膜件230中气压腔231的腔壁厚度大于位于下方的薄膜件230的气压腔231的腔壁厚度。多个薄膜件230之中的气压腔231的腔壁厚度不同，从而气压调节装置使多个薄膜件230之中的气压腔231的内部的气压减小相同压强时，最下方的气压腔231的腔壁会收缩形变会更大。因此，通过设置气压腔231的腔壁的厚度自下而上增加梯度，以及气压腔231的内部的气压逐级减小的梯度，使位于下方的腔壁厚度小的气压腔231的腔壁发生的收缩变形先允许微粒10通过阀门通道250，而位于其上方的气压腔231的腔壁发生的收缩变形较小，仍不足以使微粒10通过阀门通道250，继续气压调节装置逐级减小压强，以从腔壁厚度小的气压腔231到腔壁厚度大的气压腔231的顺序依次打开对应的阀门通道，重复上述步骤，从而实现单个微粒10的确定性打印。

基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片可以设置一个或多个捕获打印单元200，设置的捕获打印单元200的数量越多，所能够打印的微粒10的数量越多。例如，参照图1和图2，基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片设置8个捕获打印单元200，每个捕获打印单元200中的捕获部260中设置了17个薄膜件230，共形成16个捕获槽240，由此，本实施例的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片具有128个捕获槽240，可以捕获128个微粒10。在一捕获打印单元200中，通过气压调节装置逐级减小各个气压腔231内的气压使与之连通的气压腔231的腔壁由薄到厚依次收缩，以使各气压腔231一侧的阀门通道250依次打开，供与该阀门通道250连通的捕获槽240中的微粒10依次进入侧通道220中，实现单个微粒10确定性打印。可以理解的是，多个捕获打印单元200可以同时并排进行打印，实现多通道、高通量的单个微粒10打印，本实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片最终可以在一次循环打印中实现128个微粒10的确定性打印。实际实施当中，可根据所需的打印通量和总数，对捕获打印单元200的数量、每个捕获打印单元200中捕获部260的数量和每个捕获部260中捕获槽240的数量进行合理配置。

本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，捕获部260的两侧分别设置了主通道210和侧通道220，且捕获部260沿主通道210的延伸方向设置了多个薄膜件230，相邻两个薄膜件230之间具有捕获槽240和阀门通道250，第一液体通过阀门通道250由主通道210进入到侧通道220之中，并且压强减小，微粒10会在主通道210内的第一液体与侧通道220的第二液体之间的压强差产生的流体曳力作用，微粒10由主通道210内进入捕获槽240中，即可实现单个微粒10的捕获。阀门通道250两侧的薄膜件230之中设置有气压腔231，通过气压调节装置减小气压腔231内部的气压，能够使气压腔231的腔壁收缩，从而两个薄膜件230之间的阀门通道250的宽度增加，气压减小到一定值时，阀门通道250打开，与该阀门通道250连通的捕获槽240中捕获的单个微粒10能够在微粒10会在主通道210内的第一液体与侧通道220的第二液体之间的压强差产生的流体曳力作用下，通过该阀门通道250进入侧通道220之中，并可从侧通道220的出口流入微粒10培养装置中。通过气压调节装置逐级减小各个气压腔231内的气压依次使各个阀门通道250一侧或两侧的薄膜件230中的气压腔231的腔壁气压腔231收缩，可以实现对应的的捕获槽240中的单个微粒10进入到侧通道220内，从而进行单个微粒的确定性打印。

本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，结构简单，且易于实现单个微粒10打印，并提高了打印单个微粒10的确定性，避免依次打印出多个微粒10。随着捕获打印单元200数量的增加及捕获槽240数量的增加，可以实现高通量的单个微粒10打印，提升单个微粒10打印的效率。本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片通过连接泵、PLC(可编程逻辑控制器)等装置可以实现自动化打印，减少人工操作，提升微粒10的打印效率。此外，本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片均通过液体的压强实现对微粒10的捕获及打印，相对于现有技术通过磁力、声波力等打印方法，设备大为简化，成本显著降低，特别是对于细胞等易发生损坏的微粒结构，本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片减少了外力对细胞的结构影响，提高了细胞的存活率。

在本发明的一些实施例中，各个薄膜件230中气压腔231的腔壁的厚度沿第一液体的流动方向依次增加或依次减小。例如，参照图1，第一液体的流动方向为上下方向，各个气压腔231的腔壁的厚度自下而上递增，从而连通于同一气压调节装置的各个气压腔231中，气压腔内减小相同的压强，位于最下方的腔壁厚度最小的气压腔的腔壁的变形量最大，位于最上方的腔壁厚度大的气压腔的腔壁的变形量小。通过逐级减小各个气压腔231内的压强，气压腔231的腔壁会以自下而上的顺序逐个变形，阀门通道250自下而上依次逐个打开，捕获槽240中的微粒也会沿自下而上的顺序依次打印。当然，本实施例中的各个气压腔231的腔壁的厚度变化也可以是自下而上依次递减，逐级减小气压腔231内的压强的过程中，气压腔231的腔壁的变化顺序为自上而下。通过使气压腔231的腔壁的厚度沿第一液体的流动方向依次增加或依次减小，使整个基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片打印微粒更有序，易于梯度结构的设置及集中控制。

参照图1，在本发明的一些实施例中，阀门通道250两侧的两个薄膜件230均在朝向阀门通道250的一侧的内部设置有气压腔231。例如，主通道210内的第一液体的流动方向为上下方向，阀门通道250上侧的薄膜件230在朝向阀门通道250的下端的内部设置有气压腔231，阀门通道250下侧的薄膜件230在朝向阀门通道250的上端的内部设置有气压腔231。从而两个气压腔231的腔壁的变形都能够增加阀门通道250的宽度，以保证阀门通道250能够打开工微粒10通过。阀门通道250两侧的气压腔231可以设置为对称，以更便于控制阀门通道250的宽度。

参照图7，在本发明的有一些实施例中，基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片还包括连通，400与气压通道层500，连通层400上于各个气压腔231相应位置设置有气通孔410，气通孔410连通气压腔231，气压通道层500内设置有相互连通的多条气压通道510，各气通孔410连通气压通道510，多条气压通道510用于连通同一气压调节装置，以使气压调节装置能通过气压通道510和气通孔410连通气压腔231，并直接调节气压腔231内的气压，使气压腔231的腔壁发生收缩变形或膨胀变形。

参照图1，在本发明的一些实施例中，侧通道220的出口与主通道210的出口连通。参照图1，侧通道220的出口端为下端，侧通道220的下端与主通道210的出口汇合，侧通道220的第一液体与主通道210中的第一液体均能从主通道210的出口通出，减少了第一液体的流出通道，方便于收集基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片流出的液体。

参照图1、图2和图4，在本发明的一些实施例中，捕获槽240包括平直部241与限位部242，平直部241位于主通道210与限位部242之间，限位部242连通阀门通道250，限位部242沿第一液体流动方向的宽度，自限位部242与侧通道220连通的一端向另一端递增。例如，参照图1，主通道210内的第一液体流动方向为图1所示上下方向，限位部242沿图2所示呈左窄右宽的结构，微粒10从主通道210进入捕获槽240中后，微粒10接触限位部242的槽壁，限位部242能够从上下方向对微粒10进行限位，能够防止微粒10从捕获槽240中滑脱出。

参照图1、图2和图4，在本发明的一些实施例中，捕获槽240还包括导向部243，导向部243位于主通道210与平直部241之间，导向部243的槽壁呈圆弧形，导向部243沿第一液体流动的宽度自与主通道210连通的一端向另一端递减，导向部243能够对微粒10进行导向，使微粒10更容易进入捕获槽240，此外，圆弧形的槽壁能够避免对微粒10造成刮伤。

参照图1和图4，在本发明的一些实施例中，基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片还设置有入口通道100和冲洗通道300，主通道210与入口通道100连通，冲洗通道300连通主通道210，入口通道100用于通入载有微粒10的第一液体，冲洗通道300用于通入不载有微粒10的第二液体。微粒10为细胞时，第二液体为细胞的培养液。载有微粒10的第一液体从入口通道100进入主通道210，当基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片中的捕获槽240均捕获到单个微粒10后，主通道210中仍可能残留有微粒10，停止向入口通道100中通入载有微粒10的第一液体，并向冲洗通道300中通入第二液体，使第二液体将残留的微粒10从主通道210冲走，再进行后续的打印过程，从而保证每次打印只打印出每个捕获槽240中的单个微粒10。本发明实施例中的入口通道100和冲洗通道300中可以设置用于过滤液体中杂质的过滤装置。在设置有多条主通道210的实施例中，入口通道100可以分叉成多个分支，以连通各条主通道210。

参照图1和图3，在本发明的一些实施例中，入口通道100分叉成多个分支通道110，其中任一入口分支通道110与其下一级的分支通道110的连通位置设置有限位阀120，限位阀120设置有中间通道121，中间通道121的轴线与分支通道110的轴线相同，且中间通道121的宽度小于分支通道110的宽度，中间通道121用于单个微粒10通过。中间通道121的轴线与分支通道110的轴线相同，从而中间通道121位于分支通道110的中间位置。由于分支通道110需要向从图1所示左右两侧进行分叉，分支通道110中设置限位阀120，保证微粒从分支通道110的中间位置通过，能够避免分支通道110中的微粒只单向流入两侧的下一级分支通道110之中，使上一分支通道110中的微粒能够均匀流向下方的左右两侧的分支通道110之中。

参照图1和图3，在本发明的一些实施例中，限位阀120还设置有多个第一液体通道122，多个第一液体通道122分布于中间通道121的两侧，第一液体通道122的宽度小于需打印的微粒10的直径。设置第一液体通道122，可以使第一液体更多地通过限位阀120，设置第一液体通道122，避免通道第一液体通道122横截面积骤然减小，当打印的微粒10为细胞等易发生结构损坏的微粒时，能够避免第一液体通道122内的流速太大对微粒10产生损害。

参照图1和图3，在本发明的一些实施例中，中间通道121的顶部的宽度沿分支通道110内的第一液体流动方向逐渐减少，中间通道121底部的宽度沿分支通道110内的第一液体流动方向逐渐增加。中间通道121的顶部沿分支通道110内的第一液体流动方向逐渐变窄，对于微粒10有导向作用，使微粒10从分支通道110的两侧向中间靠近。中间通道121的底部沿分支通道110内的第一液体流动方向逐渐变宽，利于微粒流入下方两侧的分支通道110之中。

参照图1、图2和图4，在本发明的一些实施例中，主通道210设置为沿一方向延伸的直线通道，捕获部260中的捕获槽240沿一方向分布，能够简化基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片内部的主通道210和侧通道220的通路设置，并使打印的微粒10的流动路径更短。此外，主通道210的出口位于基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片沿一方向的一端，基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片在使用中可沿上下方向放置，在基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片下方设置微粒10培养装置，方便于微粒10能够直接从主通道210的出口流入微粒10培养装置中。

参照图1、图2和图4，本发明一实施例中还提出了一种基于气动阀门打印单个微粒方法，用于于本发明上述实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，包括以下步骤：

向主通道210内通入载有微粒10的第一液体；

使主通道210内的第一液体通过阀门通道250进入到侧通道220；

使所有捕获槽240捕获单个微粒10；

使各个气压腔231连通于同一气压调节装置；

通过气压调节装置减小各个气压腔231内的压强至设定压强，设定压强使腔壁厚度最小的气压腔231的腔壁的收缩变形量能使该气压腔231一侧的阀门通道250打开至宽度不小于单个微粒的直径，从而与该阀门通道250连通的捕获槽240中的微粒进入侧通道220之中，而腔壁厚度大于腔壁厚度最小的气压腔231的腔壁的收缩变形量仍不足以打开阀门通道250至宽度不小于单个微粒10的直径；

继续逐级减小各个气压腔231内的压强，以从腔壁厚度从小到大的顺序使气压腔231的腔壁依次发生收缩变形而打开对应的阀门通道250，各个捕获槽240中的微粒逐个进入到侧通道220之中；

使微粒10从侧通道220流出。

由于捕获槽240需要捕获单个微粒10，因此两个薄膜件230之间的捕获槽240的尺寸要根据所需要捕获的微粒10设定，以避免捕获槽240捕获多个微粒10。捕获槽240捕获单个微粒10的过程为，使主通道210中的第一液体的压强流入侧通道220，第一液体经过阀门通道250后，压强减小，从而微粒10会在主通道210中的第一液体的压强的作用下，被挤压进与侧通道220连通的捕获槽240中。具体地，主通道210中的第一液体内的微粒无法经过阀门通道250，从而进入侧通道220内的液体为不载有微粒10的第一液体，且由于第一液体经过阀门通道250，阀门通道250具有流阻，使第一液体到达侧通道220内时压强减小，从而产生流体力拖拽微粒10进入捕获槽240中。持续地通入载有微粒10的第一液体，直至所有的捕获槽240都捕获了微粒10为止，然后开始进行单个微粒10打印。通过设定主通道220内载有微粒的第一液体的通入时间，可以使所有的捕获槽240捕获微粒10，从而实现自动化盲打。

为了避免载有微粒10的第一液体在主通道210之中残留有多余的微粒10，可以再向主通道210通入不载有微粒10的第二液体，避免残留的微粒10对单个微粒10打印的影响。

多个薄膜件230内的气压腔231内的压强逐个减小，多个气压腔231的腔壁会逐个收缩变形至该气压腔231一侧的阀门通道250宽度增加至阀门通道250打开，阀门通道250打开后，微粒10能够通过阀门通道250进入侧通道220。多个气压腔231的腔壁会逐个收缩至打开状态，阀门通道250也会相应地逐个打开，相应的捕获槽240中的微粒10会逐个进入侧通道220。单个微粒10再从侧通道220进入进入微粒10培养装置之后，再打开下一个阀门通道250，从而实现单个微粒10的确定性打印。

本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片中的多个捕获打印单元200可以同时进行并排打印，微粒10从侧通道220流出后，进入到微粒打印的接收装置中。例如，以打印单个细胞为例，微粒打印的接收装置为标准培养孔板，当所有捕获打印单元200中的各个捕获槽240均捕获到单个细胞后，将基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片转移至标准培养孔板的上方，并使每个捕获打印单元200中的主通道220均对准标准培养孔板中的一个培养孔，通过逐级减小各个气压腔231内的压强的方法对每个捕获打印单元200中的捕获槽240中的细胞同时进行打印；当基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片中的所有的捕获槽中的细胞均被打印至标准培养孔板后，再通过气压调节装置增大气压腔231内的压强，使气压腔231的腔壁恢复至膨胀状态，以使阀门通道250的宽度减小至细胞无法通过的关闭状态，再向入口通道100内通入载有细胞的第一液体，重复上述的步骤，进行下一次循环打印。

本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，可以通过泵、移动机构和PLC等装置配合实现自动化逐级减小气压腔231内的压强以及基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片在标准培养孔板上方的移动方向，从而实现对单个微粒10的自动化打印。

气压腔231的腔壁的厚度越厚，因同压强变化引起的收缩或膨胀变形越小。其中设定压强，是指该压强下，腔壁厚度最小的气压腔231的腔壁能够发生收缩变形至该气压腔231一侧的阀门通道250打开，而其他的气压腔231的腔壁发生的收缩形变不足以使气压腔231一侧的阀门通道250供微粒通过。连通于同一气压调节装置的多个气压腔231中，气压调节装置减小的相同的压强，各个气压腔231的腔壁发生的收缩变形也各不相同。厚度越小的气压腔231的腔壁因相同压强差产生的收缩变形会更大。逐级减小各个薄膜件230中的气压腔231内的压强，以使厚度小的气压腔231的腔壁先发生收缩变形，厚度大的气压腔231的腔壁后发生收缩变形，从而厚度小的气压腔231的腔壁的一侧的阀门通道250会先打开。通过设置一定的各个气压腔231的腔壁之间的厚度差梯度，以及气压调节装置逐级减小气压腔231内的压强的梯度，可以实现自厚度小的气压腔231的腔壁至厚度大的气压腔231的腔壁一侧的阀门通道250依次打开，从而实现单个微粒10的确定性打印。

例如参照图4，位于上方的薄膜件230中的气压腔231的腔壁的厚度大于位于下方的气压腔231中腔壁的厚度，当气压调节装置使两个薄膜件230中的气压腔231内的压强减小为第一梯度压强时，如图5所示，下方的膜件中的气压腔231的腔壁先发生收缩变形，下方的膜件中的气压腔231的腔壁一侧的阀门通道250先打开，相应捕获槽240中的微粒10进入到侧通道220之中。再使气压调节装置使两个薄膜件230中的气压腔231内的压强继续减小为第二梯度压强时，如图6所示，上方的薄膜件230的气压腔231的腔壁先发生收缩变形，从而上方的膜件中的气压腔231的腔壁一侧的阀门通道250先打开，相应捕获槽240中的微粒10进入到侧通道220之中。因此逐级减小各个薄膜件230中气压腔231内的压强，从而实现单个微粒的确定性打印。

整个基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片可以通过一个气压调节装置逐级减小压强实现单个微粒10的确定性打印，方便于集中调节各个气压腔231的腔壁状态，减少气压调节装置的使用。

在本发明的一些实施例中的基于气动阀门打印单个微粒方法中，使各个薄膜件230中气压腔231的腔壁的厚度沿第一液体的流动方向依次增加或依次减小，从而单个微粒打印的顺序与第一液体的流动方向相同或相反，单个微粒的打印顺序一定，易于各个薄膜件230中气压腔231的腔壁的厚度梯度结构的设置及气压调节装置的集中控制。

本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒方法，易于实现，不需要人工操作，有效提升单个微粒的打印效率。此外，本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒方法，在打印单个微粒的过程之中，均通过捕获槽240两端的液体流动压强差以及气压腔231的腔壁的变形实现对微粒的捕获及打印，相对于现有技术通过磁力、声波力等打印方法，设备大为简化，成本显著降低。此外，在打印细胞等易破坏微粒时，本发明实施例中的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片减少了磁力、声波力等外力对微粒的结构影响。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，包括：

若干捕获打印单元，所述捕获打印单元包括主通道、侧通道和捕获部，所述主通道用于通入载有微粒的第一液体，所述捕获部位于所述主通道与所述侧通道之间，所述捕获部包括多个薄膜件，相邻两个薄膜件之间具有捕获槽和阀门通道，所述捕获槽用于捕获单个微粒，所述捕获槽位于所述捕获部朝向所述主通道的一侧，所述捕获槽连通所述主通道；

所述侧通道位于所述捕获槽背离所述主通道的一侧，所述阀门通道连通所述捕获槽与所述侧通道，所述阀门通道的宽度小于所述微粒的直径，各所述阀门通道的两侧的两个所述薄膜件中的至少一个的内部设置有气压腔，各个所述薄膜件中所述气压腔的腔壁的厚度各不相同，各所述气压腔用于连通于同一所述气压调节装置，通过所述气压调节装置能够改变所述气压腔内的气压，所述气压腔的腔壁能够随着所述气压腔内的气压变化而收缩或膨胀，且腔壁厚度越厚的所述气压腔在相同压强变化下的变形越小。

2.根据权利要求1所述的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，各个所述薄膜件中所述气压腔的腔壁的厚度沿所述主通道内的所述第一液体的流动方向依次增加或依次减小。

3.根据权利要求1所述的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，所述阀门通道两侧的两个所述薄膜件均在朝向所述阀门通道的一侧的内部设置有气压腔。

4.根据权利要求1所述的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，所述基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片还包括连通层与气压通道层，所述连通层上于各个所述气压腔相应位置设置有气通孔，所述气通孔连通所述气压腔，所述气压通道层内设置有相互连通的多条气压通道，各所述气通孔连通所述气压通道，所述多条气压通道用于连通同一所述气压调节装置。

5.根据权利要求1所述的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，所述侧通道的出口连通于所述主通道的出口。

6.根据权利要求1所述的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，所述基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片还设置有入口通道和冲洗通道，所述入口通道用于通入载有微粒的所述第一液体，所述主通道与入口通道连通，所述冲洗通道连通所述主通道，所述冲洗通道用于通入第二液体。

7.根据权利要求6所述的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，所述入口通道分叉成多个入口分支通道，其中任一所述入口分支通道与其下一级的所述分支通道之间的连通位置设置有限位阀，所述限位阀设置有中间通道，所述中间通道的轴线与所述分支通道的轴线相同，且所述中间通道的宽度小于所述分支通道的宽度，所述中间通道用于单个微粒通过。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，所述主通道呈直线延伸。

9.基于气动阀门打印单个微粒方法，其特征在于，应用于权利要求1至权利要求8中任一项所述的基于气动阀门打印单个微粒的微流控芯片，包括以下步骤：

向所述主通道内通入载有微粒的第一液体；

使所述主通道内的所述第一液体通过所述阀门通道进入到所述侧通道；

使所有所述捕获槽捕获单个微粒；

使各个所述气压腔连通于同一所述气压调节装置；

通过所述气压调节装置减小各个气压腔内的压强至设定压强，所述设定压强使腔壁厚度最小的气压腔的腔壁的收缩变形量能使该气压腔一侧的阀门通道打开至宽度不小于单个微粒的直径，从而与该阀门通道连通的捕获槽中的微粒进入侧通道之中，而腔壁厚度大于腔壁厚度最小的所述气压腔的腔壁的收缩变形量仍不足以打开所述阀门通道至宽度不小于单个微粒的直径；

继续逐级减小各个气压腔内的压强，以腔壁厚度从小到大的顺序使所述气压腔的腔壁依次发生收缩变形而打开对应的所述阀门通道，各个所述捕获槽中的微粒逐个进入到所述侧通道之中；

使微粒从所述侧通道流出。

10.如权利要求9所述的基于气动阀门打印单个微粒方法，其特征在于，使各个所述薄膜件中所述气压腔的腔壁的厚度沿所述第一液体的流动方向依次增加或依次减小。

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