CN113797986B - 一种可微调毛细管同轴排列的微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可微调毛细管同轴排列的微流控芯片,属于微流控芯片技术领域。所述微流控芯片包括一体式玻璃材质芯片基体、连续相进液口、中间相进液口、分散相进液口、进样毛细管、收集毛细管、收集口、毛细管嵌套组件、毛细管同轴微调组件。芯片基体设有螺纹孔、密封孔、毛细管同轴排列孔、调节孔、定位孔。其中,进样毛细管和收集毛细管在调节孔和毛细管同轴微调组件的组合调整下呈现三维同轴的位置关系,毛细管嵌套组件可实现毛细管在芯片基体内的固定和密封。本发明实现了毛细管的精准三维同轴排列,并且实现了非胶粘工艺的微通道密封、毛细管固定以及不使用胶粘的进液方式,保证芯片耐各种有机溶剂、可拆卸、可清洗并能重复使用。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域,具体涉及一种可微调毛细管同轴排列的微流控芯片。
背景技术
微流控技术是在微米尺度的芯片通道中操控微小体积液体的技术,利用该技术可以生产具有高度单分散、尺寸和结构高度可控的微液滴。这些微液滴为制备具有多样化结构的高度单分散微颗粒提供了优良的模板,广泛用于药物输运、生物模板、细胞培养及微反应器等领域。
绝大部分微液滴产生装置都是平面类型(板式)的微流控芯片,材质多为聚合物。对于此类芯片而言,其制作方法通常包括光刻、模具注塑、热压聚合物成型、激光雕刻、刻蚀等,上述技术都属于平面加工方法,主要得到平面的T型微通道以及共聚焦微通道结构,很难制造三维微通道结构。且其制备过程复杂、加工成本高、芯片的封装耦合条件苛刻、不耐高温和有机溶液腐蚀、芯片进液方式无法保证密封性,这限制了微流控微液滴技术的发展。
玻璃毛细管微流控芯片采用毛细管作为液滴发生与收集的功能单元,由于玻璃具有卓越的透光性、优良的耐高压性、生物相容性、稳定的表面性质,耐有机溶剂腐蚀等,该类芯片逐渐成为被广泛使用的微液滴制备装置。玻璃毛细管微流控芯片装置通常是将两个圆形的、具有锥形端口的毛细管插入方形毛细管内并使锥形端口相互间隔一定距离,基于圆形毛细管的外径与方形毛细管的内棱长相匹配的条件下,实现玻璃毛细管同轴化固定。这种同轴对称聚焦的微通道结构可实现单乳液微液滴或具有核-壳结构的双乳液微液滴的制备。专利CN106622407A提供了一种使用载玻片与玻璃毛细管组建,并使用粘合剂通过点胶针头连接、固定玻璃毛细管的微流控芯片。这种组装式微流控芯片通过手工操作即可构建。毛细管共轴构建的专利还有CN102580799A,该专利公开的技术中在载玻片上切割出微通道,将玻璃毛细管插入微通道中,通过粘合剂对载玻片、接口进行键合、密封。专利CN112517096A公开了一种利用3D打印技术,采用塑料、金属、高分子等材料制备芯片基底,使用对针平台、对针器和固定器等构建毛细管微流控芯片。
上述技术方案提供了毛细管同轴排列和固定的方法,其共同点是模块化组装芯片。需要指出的是,在芯片组装的过程中为手工操作,易出现毛细管无法保证精准三维同轴排列的问题。其次,芯片内毛细管的固定和/或微通道的密封会使用到粘合剂,不耐有机溶剂,易漏液,一旦芯片有部分堵塞或者其它损坏,则导致液体不能正常流动以至于芯片报废,严重降低芯片的制作效率和制作质量。
在目前公开的毛细管微流控芯片的技术内容中,大多以玻璃毛细管、微通道结构、进样结构、固定结构、密封结构等模块化拼接的方式构建。这种构建方式涉及多重密封环节,对连接件要求高,而且无法避免粘合剂的使用,同时很难保证芯片的密封性。除了毛细管的同轴位置关系,毛细管的固定与微通道的密封也一直是毛细管微流控芯片的技术难点。
基于上述技术背景,研究人员希望改进现有玻璃毛细管微流控芯片的设计及制备工艺,在保证毛细管同轴精确排列的前提下,实现非胶粘工艺的密封、固定及进液方式,同时芯片可拆卸、清洗并重复使用,这将对微流控芯片的推广和微液滴的制备具有重要的应用价值。
在本发明内容中,一体式芯片基体实现了微通道结构、进样结构、固定结构和密封结构的集成化设计,降低了芯片整体结构的复杂性,同时可配合标准连接件使用,操作方便,无需使用胶粘键合工艺就能获得良好的固定和密封效果。
发明内容
为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
一种可微调毛细管同轴排列的微流控芯片,其包括分散相进液口(2)、进样毛细管(3)、收集毛细管(4)、收集口(5),特征在于,其还包括一体式芯片基体(1)、毛细管嵌套组件(6)和毛细管同轴微调组件(7);
所述一体式芯片基体(1)两侧对称设有螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)、毛细管同轴排列孔(1-3)、调节孔(1-4)、定位孔(1-5),其中所述螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)、毛细管同轴排列孔(1-3)顺序连接,所述一体式芯片基体(1)上还设有连续相进液口(1-6)、中间相进液口(1-7);
所述毛细管嵌套组件(6)共两组,对称置于所述微流控芯片两侧,用于固定进样毛细管(3)、收集毛细管(4),其包括紧固件(6-1)、隔套1(6-2)、O型密封圈(6-3)、隔套2(6-4)和O型调节圈(6-5);
所述毛细管同轴微调组件(7)共6组,其包括顶丝(7-1)和密封垫片(7-2),顶丝(7-1)套上密封垫片(7-2)后插入调节孔(1-4);
所述调节孔(1-4)共6个,在一体式芯片基体(1)两侧各3个,互呈120°排列,与密封孔(1-2)相通,与O型调节圈(6-5)正对;
所述进样毛细管(3)和所述收集毛细管(4)在调节孔(1-4)和毛细管同轴微调组件(7)的组合调整下呈现三维同轴的位置关系。
在本发明的一体式芯片基体(1)的设计中,螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)、毛细管同轴排列孔(1-3)顺序连接,左右对称,构成了芯片的微通道结构。在芯片组装过程中,将进样毛细管(3)从锥形端口侧依次套上紧固件(6-1)、隔套1(6-2)、O型密封圈(6-3)、隔套2(6-4)、O型调节圈(6-5),然后从微通道结构一侧穿过螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)到达毛细管同轴排列孔(1-3)中部,并通过旋拧紧固件(6-1)压紧O型密封圈(6-3),实现进样毛细管(3)的固定和一侧微通道结构的密封;同样地,将收集毛细管(4)从锥形端口侧依次套上另一组紧固件(6-1)、隔套1(6-2)、O型密封圈(6-3)、隔套2(6-4)、O型调节圈(6-5),从微通道结构另一侧穿过该侧的螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)到达毛细管同轴排列孔(1-3)中部,通过旋拧紧固件(6-1),调节收集毛细管(4)和进样毛细管(3)锥形端口的相对距离,并压紧O型密封圈(6-3),实现收集毛细管(4)的固定和该侧微通道结构的密封。
需要指出的是,由于调节孔(1-4)与密封孔(1-2)相通,当毛细管同轴微调组件(7)中的顶丝(7-1)套上密封垫片(7-2)后插入调节孔(1-4)内,通过旋拧顶丝(7-1),则顶丝(7-1)与密封孔(1-2)内套在毛细管上的O型调节圈(6-5)正对并紧密接触。3个调节孔(1-4)呈120°分布的设计可以使顶丝(7-1)对O型调节圈(6-5)周围施加的挤压力均匀分布,进而使O型调节圈(6-5)对毛细管的接触力均匀分布,由此对进样毛细管(3)和收集毛细管(4)同轴位置进行微调,最终实现毛细管的精准三维同轴排列,同时密封垫片(7-2)用于密封调节孔(1-4),防止漏液。整体上看,毛细管同轴微调组件(7)可以选择在能够卡紧毛细管的任意位置上;本发明中使其位于靠近毛细管锥形口较近的区域,其目的是更好的实现对毛细管尖端同轴位置的调节。
本发明所述的微流控芯片,其特征还在于,所述进样毛细管(3)、收集毛细管(4)的横截面为圆形,二者的相对端均为锥形口端,另一端为平口端。
不论是进样毛细管(3)还是收集毛细管(4),其初始原材料都是两端为平口。通过常用的毛细管拉伸方式使其中一个断面为锥形口。锥形口的锥度一般都小于90°,也可以大于90°。确保锥度与嵌套结构之间能够自然形成间隙,以便使连续相或中间相顺利流入。出于价格和易得等考虑,本发明中进样毛细管(3)、收集毛细管(4)的尺寸优选为1.0*0.58mm(外径*内径)。对于特殊的溶液体系或者非均相液体,技术人员可以根据其特殊性增大或减小进样毛细管(3)和收集毛细管(4)的规格尺寸。
本发明所述的微流控芯片,其特征还在于,所述连续相进液口(1-6)、中间相进液口(1-7)分别在进样毛细管侧和收集毛细管侧与毛细管同轴排列孔(1-3)正对相通;分散相进液口(2)位于进样毛细管(3)的平口端;收集口(5)位于收集毛细管(4)的平口端。
本发明所述的微流控芯片,其特征还在于,所述进样毛细管(3)锥形结构端口的内径为50-80μm,收集毛细管(4)锥形结构端口的内径为100-160μm。
通常收集毛细管端口的内径是进样毛细管内径的2倍,这样的设计可以使得在更宽的流速范围内调节微液滴的生成行为,以获得尺寸分布更宽的微液滴。对于常见的材料溶液体系,进样毛细管(3)锥形结构端口的内径过小(<50μm),会使毛细管加工难度增加,且不利于粘性较大的流体通过;内径过大(>80μm),则不利于生成小尺寸的微液滴。
本发明所述的微流控芯片,其特征还在于,所述进样毛细管(3)与收集毛细管(4)的锥形端口间距为50-100μm。在本发明选择的此间距范围内,芯片内的多相流体可以在界面张力、黏性力以及惯性力等综合作用力下完成乳化,使微液滴的制备更加稳定。
本发明所述的微流控芯片,其特征还在于,所述螺纹孔(1-1)的尺寸为M8*1.0;密封孔(1-2)的孔径为4.0mm,毛细管同轴排列孔(1-3)的孔径为1.5mm。
本发明所述的微流控芯片,其特征还在于,所述调节孔(1-4)的尺寸为M6。
在本专利的发明内容中,螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)、调节孔(1-4)的加工尺寸为机械设计中常用标准件通孔尺寸,均可根据具体实施案例做相应调整。毛细管同轴排列孔(1-3)的孔径为1.5mm,是由常用的毛细管尺寸1.0*0.58mm(外径*内径)来限定的。理论上,毛细管同轴排列孔(1-3)的孔径大于1.0mm即可,但从加工和密封角度的综合考虑,选取的加工尺寸为1.5mm。若选用其他尺寸型号的毛细管,毛细管同轴排列孔(1-3)的孔径可以做相应的变化。
现有技术中进样毛细管和收集毛细管同轴排列的方法是基于圆形毛细管的外径与方形毛细管的内棱长或微通道的内径相匹配的条件下,由于毛细管和微通道存在尺寸上的误差以及手工操作的原因,往往无法保证进样毛细管和收集毛细管在简单组合的安装方式下就能够实现精准的三维同轴排列。而在本专利的发明内容中,进样毛细管(3)和收集毛细管(4)同轴位置关系依赖于毛细管同轴微调组件(7),因此上述螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)的孔径不受毛细管尺寸的限制,这大大增加了微通道尺寸的加工范围,降低了加工难度。综合起来,本发明所述的毛细管同轴微调组件(7)同时具有密封、固定和调节作用,也正是因为采用了毛细管同轴微调组件(7)实现这些作用,才使得一体式芯片的基体可以选材为玻璃,既利用玻璃的各方面优点,又降低了对玻璃高精度加工的难度。
本发明所述的微流控芯片,其特征还在于,所述紧固件(6-1)的外螺纹与螺纹孔(1-1)的内螺纹相匹配;隔套1(6-2)、隔套2(6-4)的尺寸为4.0*2.0mm(外径*内径);O型调节圈(6-3)、O型调节圈(6-5)的尺寸为4.0*1.5mm(外径*内径)。
本发明所述的微流控芯片,其中所用到的紧固件(6-1)、隔套1(6-2)、隔套2(6-4)与顶丝(6-2)的材质可以选择铜、铝或不锈钢等;O型密封圈(6-3)、O型调节圈(6-5)、密封垫片(7-2)的材质可以选择氟橡胶、硅橡胶、丁腈橡胶。
本发明所述的微流控芯片,其特征还在于,所述一体式芯片基体(1)的材质为玻璃,外形可以是圆柱形或六棱柱形,优选六棱柱形。圆柱形或六棱柱形的设计均有利于转动芯片基体,便于多角度调节毛细管的同轴位置关系。但从加工方便程度、芯片基体的固定以及光学显微镜下的观测方面考虑,外形优选六棱柱形。
本发明一体式芯片基体(1)的材质选取玻璃材质的原因是因为玻璃具有优越的耐高压性、生物相容性、灵活的表面修饰改性,耐有机溶剂腐蚀等,尤其是它的透光性良好,可与高速在线显微实验平台联用,方便对微液滴进行实时的观察和操控,这些优点是其他材质无法同时具备的。从目前的技术水平来看,当芯片基体采用玻璃材质时,其原材料和加工成本与采用不锈钢、黄铜或铝等金属时基本持平。如果一定要降低一体式芯片的成本,容易实现的方案是采用拼接式基体而非一体式基体。拼接方案可以保留中间观察区域为玻璃,其余范围选择玻璃、金属、塑料或陶瓷等材料,通过机械结构锁定或粘合剂粘合。
本发明所述的微流控芯片,其特征还在于,所述芯片上的连续相进液口(1-6)、中间相进液口(1-7)和分散相进液口(2)可与蠕动泵、注射泵或压力控制器结合使用,从而控制各相液体流速;所述收集口(5)可以连接到光固化装置、加热器或低温冷冻器,实现对产物微液滴的进一步反应加工。
本发明的有益效果:
(1)本发明的毛细管同轴微调结构可以多角度调整毛细管的相对位置,保证毛细管精准三维同轴排列;
(2)本发明的毛细管嵌套组件使毛细管在微通道内不以胶粘的形式固定和密封,芯片可拆卸、可清洗、可重复使用;
(3)本发明的一体式芯片基体材质为玻璃,化学稳定性强,便于配合光学观测系统,易于进行表面改性,温度和压力耐受范围广;
(4)本发明的芯片易于实现大批量、工业化生产。
附图说明
为了说明而非限制的目的,现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明,其中:
图1为本发明的一种用于可微调毛细管同轴排列的微流控芯片整体组装示意图;
图2为一体式芯片基体的结构示意图;
图3为毛细管与毛细管嵌套组件的组装示意图;
图4为毛细管同轴微调组件装入一体式芯片基体后的侧视图;
附图中附图标记表示的内容如下:
1:一体式芯片基体;1-1:螺纹孔;1-2:密封孔;1-3:毛细管同轴排列孔;1-4:调节孔;1-5:定位孔;1-6:连续相进液口;1-7:中间相进液口;
2:分散相进液口;
3:进样毛细管;
4:收集毛细管;
5:收集口;
6:毛细管嵌套组件;6-1:紧固件;6-2:隔套1;6-3:O型密封圈;6-4:隔套2;6-5:O型调节圈;
7:毛细管同轴微调组件;7-1:顶丝;7-2:密封垫片。
具体实施方式
以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明作进一步说明。
实施例一:一种可微调毛细管同轴排列的微流控芯片用于水包油包水(W/O/W)型微液滴的制备。
具体实施步骤:
1、芯片的组装
利用毛细管拉制仪将圆形毛细管加工成两段长度为5cm、一端端口为锥形的毛细管,将毛细管的锥形端口
打磨至口径尺寸为55μm、110μm,分别作为进样毛细管(3)、收集毛细管(4)使用。将得到的玻璃毛细管清洗干燥,除去残留的玻璃颗粒,用十八烷基三甲氧基硅烷对收集毛细管(4)进行疏水处理,并用乙醇进行清洗,晾干备用。
将疏水处理过的进样毛细管(3)从锥形端口侧依次套上紧固件(6-1)、隔套1(6-2)、O型密封圈(6-3)、隔套2(6-4)、O型调节圈(6-5),从六棱柱形芯片基体(1)的一侧穿过螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)到达孔径为1.5mm的毛细管同轴排列孔(1-3)中部,并通过旋拧紧固件(6-1)压紧O型密封圈(6-3)实现进样毛细管(3)的固定和平口侧微通道结构的密封;将收集毛细管(4)从锥形端口侧依次套上另一组紧固件(6-1)、隔套1(6-2)、O型密封圈(6-3)、隔套2(6-4)、O型调节圈(6-5),从芯片基体(1)另一侧穿过该侧的螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)到达毛细管同轴排列孔(1-3)中部,通过旋拧紧固件(6-1),借助光学显微镜,调节进样毛细管(3)和收集毛细管(4)的锥形端口间距为70μm,并压紧O型密封圈(6-3)将收集毛细管(4)旋紧固定;其中,O型密封圈(6-3)、O型调节圈(6-5)选取的材质为硅橡胶。
将3个顶丝(7-1)套上密封垫片(7-2),分别插入六棱柱形芯片基体(1)一侧相应的3个调节孔(1-4)内,与套在进样毛细管(3)上的O型调节圈(6-5)正对;同样地,将套上密封垫片(7-2)的顶丝(7-1),分别插入另一侧3个调节孔(1-4)内,与套在收集毛细管(4)上的O型调节圈(6-5)正对;通过旋拧互呈120°排列的3个顶丝(7-1),压紧O型调节圈(6-5),借助光学显微镜观察,分别调节进样毛细管(3)和收集毛细管(4)在微通道内的相对角度,并依次转动六棱柱形芯片基体(1),调节毛细管在不同角度的相对位置,最终保证进样毛细管(3)和收集毛细管(4)达到360°同轴对齐。
2、微液滴的制备
本实施例选用2wt%PVA水溶液作为分散相、1wt%司盘80的液体石蜡溶液作为中间相、5wt%PVA水溶液作为连续相,将分散相、中间相、连续相溶液分别装入3个螺口注射器,安装在注射泵上。
在外径为1/16”的PTFE导管的两端各套上M6螺纹的PEEK接头和压环,压环底部与导管端面齐平,一端通过鲁尔接头与装有分散相溶液的螺口注射器相连接,另一端与进样毛细管(3)一侧的紧固件(6-1)相连接;同样地,将装有中间相溶液、连续相溶液的螺口注射器通过PEEK接头和PTFE导管分别与芯片的中间相进液口(1-7)、连续相进液口(1-6)相连接。
在外径为1/16”的PTFE导管的一端套上M6螺纹的PEEK接头和压环,与收集毛细管(4)一侧的紧固件(6-1)相连接,使收集口(5)与PTFE导管连接,PTFE导管的另一端可置于玻璃烧杯中。
设置分散相、中间相、连续相的流量分别为0.3-0.4ml/h、0.2-0.5ml/h、1.6-2.0ml/h,开启注射泵,调节各相流量,在光学显微镜下,观测微通道内微液滴的生成。当收集毛细管(4)内形成稳定的W/O/W双乳液微液滴时,用装有5wt%PVA水溶液的玻璃烧杯收集微液滴。
微液滴制备完成后芯片需要清洗以备下次使用,清洗液使用乙醇和去离子水。首先停止三相流体注入,将三相流体所使用的注射器用充满乙醇的注射器替换。开启三相流体的驱动注射泵,至芯片内部油相溶液或油水混合物完全被驱除,再用充满去离子水的注射器替换,重复清洗,之后继续用乙醇清洗,芯片清洗干净晾干后可再次使用。
当芯片内部毛细管发生堵塞时,通过旋动毛细管嵌套组件(6)和松动顶丝(7-1),将毛细管拆出,疏通清洗后可继续进行芯片组装并使用。
实施例二:一种可微调毛细管同轴排列的微流控芯片用于油包水包油(O/W/O)型微液滴制备。
本实施例与实施例一基本相同,主要不同之处在于芯片组装过程中的部分组件的材质、尺寸、结构以及三相流体的组成。
具体实施步骤:
1、芯片的组装
利用毛细管拉制仪将圆形毛细管加工成两段长度为5cm、一端端口为锥形的毛细管,将毛细管的锥形端口打磨至口径尺寸为60μm、120μm,分别作为进样毛细管(3)、收集毛细管(4)使用。将得到的玻璃毛细管清洗干燥,除去残留的玻璃颗粒,使用Piranha溶液(H2SO4∶H2O2=7/3,V/V)对进样毛细管(3)进行亲水处理,用十八烷基三甲氧基硅烷对收集毛细管(4)进行疏水处理,然后分别用乙醇清洗,晾干备用。
将亲水处理过的进样毛细管(3)从锥形端口侧依次套上紧固件(6-1)、隔套1(6-2)、O型密封圈(6-3)、隔套2(6-4)、O型调节圈(6-5),从六棱柱形芯片基体(1)的微通道结构一侧穿过螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)到达孔径为1.5mm的毛细管同轴排列孔(1-3)中部,并通过旋紧紧固件(6-1)压紧O型密封圈(6-3)实现进样毛细管(3)的固定和该侧微通道结构的密封;将疏水处理过的收集毛细管(4)从锥形端口侧依次套上另一组紧固件(6-1)、隔套1(6-2)、O型密封圈(6-3)、隔套2(6-4)、O型调节圈(6-5),从微通道结构另一侧穿过该侧的螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)到达毛细管同轴排列孔(1-3)中部,通过旋拧紧固件(6-1),借助光学显微镜,调节进样毛细管(3)和收集毛细管(4)的锥形端口间距为100μm,并压紧O型密封圈(6-3)将收集毛细管(4)旋紧固定;其中,O型密封圈(6-3)、O型调节圈(6-5)选取的材质为氟橡胶。
将3个顶丝(7-1)套上密封垫片(7-2),分别插入六棱柱形芯片基体(1)一侧相应3个调节孔(1-4)内,与套在进样毛细管(3)上的O型调节圈(6-5)正对;同样地,将套上密封垫片(7-2)的3个顶丝(7-1),分别插入另一侧3个调节孔(1-4)内,与套在收集毛细管(4)上的O型调节圈(6-5)正对;通过旋拧互呈120°排列的3个顶丝(7-1),压紧O型调节圈(6-5),借助光学显微镜观察,分别调节进样毛细管(3)和收集毛细管(4)在微通道内的相对角度,并依次转动六棱柱形芯片基体(1),调节毛细管在不同角度的相对位置,最终保证进样毛细管(3)和收集毛细管(4)达到360°同轴对齐。
2、微液滴的制备
本实施例选用8wt%PLGA的二氯甲烷溶液作为分散相、含1wt%PVA、0.5wt%海藻酸钠的水溶液作为中间相、10wt%司盘80的甲苯溶液作为连续相,将分散相、中间相、连续相溶液分别装入3个螺口注射器,安装在注射泵上。
在外径为1/16″的PEEK导管的两端各套上M6螺纹的PEEK接头和压环,压环底部与导管端面齐平,一端通过鲁尔接头与装有分散相溶液的螺口注射器相连接,另一端与进样毛细管(3)一侧的紧固件(6-1)相连接;同样地,将装有中间相溶液、连续相溶液的螺口注射器通过PEEK接头和PTFE导管分别与芯片的中间相进液口(1-7)、连续相进液口(1-6)相连接。
在外径为1/16″的PEEK导管的一端套上M6螺纹的PEEK接头和压环,与收集毛细管(4)一侧的紧固件(6-1)相连接,使收集口(5)与PTFE导管连接,PTFE导管的另一端可置于玻璃烧杯中。
设置分散相、中间相、连续相的流量分别为0.4-0.8ml/h、0.4-0.85ml/h、2.0-6.0ml/h,开启注射泵,调节各相流量,在光学显微镜下,观测微通道内微液滴的生成。当收集毛细管(4)内形成稳定的O/W/O双乳液微液滴时,用装有20mM的氯化钙水溶液的玻璃烧杯收集微液滴。
微液滴制备完成后芯片需要清洗以备下次使用。首先停止三相流体注入,将三相流体所使用的注射器用充满二氯甲烷的注射器替换。开启三相流体的驱动注射泵,至芯片内部残留溶液完全被驱除,再用充满乙醇的注射器替换,重复清洗2次,芯片清洗干净晾干后可再次使用。
当芯片内部毛细管发生堵塞时,通过旋动毛细管嵌套组件(6)和松动顶丝(7-1),将毛细管拆出,疏通清洗后可继续进行芯片组装并使用。
实施例三:一种可微调毛细管同轴排列的微流控芯片用于油包水包油(W/O/W)型微液滴制备。
本实施例的方法与实施例一、二基本相同,主要不同之处在于芯片组装过程中的部分组件的材质、形状、尺寸、结构以及三相流体的组成。
具体实施步骤:
1、芯片的组装
利用毛细管拉制仪将圆形毛细管加工成两段长度为5cm、一端端口为锥形的毛细管,将毛细管的锥形端口打磨至口径尺寸为75μm、150μm,分别作为进样毛细管(3)、收集毛细管(4)使用。将得到的玻璃毛细管清洗干燥,除去残留的玻璃颗粒,使用十八烷基三甲氧基硅烷对进样毛细管(3)进行疏水处理,然后用乙醇清洗,晾干备用。
将疏水处理过的进样毛细管(3)从锥形端口侧依次套上紧固件(6-1)、隔套1(6-2)、O型密封圈(6-3)、隔套2(6-4)、O型调节圈(6-5),从圆柱形芯片基体(1)的微通道结构一侧穿过螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)到达孔径为1.5mm的毛细管同轴排列孔(1-3)中部,并通过旋紧紧固件(6-1)压紧O型密封圈(6-3)实现进样毛细管(3)的固定和该侧微通道结构的密封;将收集毛细管(4)依次套上另一组紧固件(6-1)、隔套1(6-2)、O型密封圈(6-3)、隔套2(6-4)、O型调节圈(6-5),从微通道结构另一侧穿过该侧的螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)到达毛细管同轴排列孔(1-3)中部,通过旋拧紧固件(6-1),借助光学显微镜,调节进样毛细管(3)和收集毛细管(4)的间距为100μm,并压紧O型密封圈(6-3)将收集毛细管(4)旋紧固定;其中,O型密封圈(6-3)、O型调节圈(6-5)选取的材质为丁腈橡胶。
将3个顶丝(7-1)套上密封垫片(7-2),分别插入圆柱形芯片基体(1)一侧相应3个调节孔(1-4)内,与套在进样毛细管(3)上的O型调节圈(6-5)正对;同样地,将套上密封垫片(7-2)的另外3个顶丝(7-1),分别插入另一侧3个调节孔(1-4)内,与套在收集毛细管(4)上的O型调节圈(6-5)正对;通过旋拧互呈120°排列的3个顶丝(7-1),压紧O型调节圈(6-5),借助光学显微镜观察,分别调节进样毛细管(3)和收集毛细管(4)在微通道内的相对角度,并依次转动圆柱形芯片基体(1),调节毛细管在不同角度的相对位置,最终保证进样毛细管(3)和收集毛细管(4)达到360°同轴对齐。
2、微液滴的制备
本实施例选用1wt%PVA水溶液作为分散相、4-氰基-4’-戊基联苯(室温下为流动相的一种液晶体系,不溶于水)作为中间相、含1wt%PVA、60wt%丙三醇的水溶液作为连续相,将分散相、中间相、连续相溶液分别装入3个螺口注射器,安装在注射泵上。
在外径为1/16”的PEEK导管的两端各套上M6螺纹的PEEK接头和压环,压环底部与导管端面齐平,一端通过鲁尔接头与装有分散相溶液的螺口注射器相连接,另一端与进样毛细管(3)一侧的紧固件(6-1)相连接;同样地,将装有中间相溶液、连续相溶液的螺口注射器通过PEEK接头和PTFE导管分别与芯片的中间相进液口(1-7)、连续相进液口(1-6)相连接。
在外径为1/16”的PEEK导管的一端套上M6螺纹的PEEK接头和压环,与收集毛细管(4)一侧的紧固件(6-1)相连接,使收集口(5)与PTFE导管连接,PTFE导管的另一端可置于玻璃烧杯中。
设置分散相、中间相、连续相的流量分别为0.1-0.5ml/h、0.25-0.5ml/h、1.0-5.0ml/h,开启注射泵,调节各相流量,在光学显微镜下,观测微通道内微液滴的生成。当收集毛细管(4)内形成稳定的W/O/W双乳液微液滴时,用装有1wt%PVA、60wt%丙三醇水溶液的玻璃烧杯收集微液滴。
微液滴制备完成后芯片需要清洗以备下次使用。首先停止三相流体注入,将三相流体所使用的注射器用充满乙醇的注射器替换。开启三相流体的驱动注射泵,至芯片内部液晶体系或其它混合物完全被驱除,再用充满去离子水的注射器替换,重复清洗,之后继续用乙醇清洗,芯片清洗干净晾干后可再次使用。
当芯片内部毛细管发生堵塞时,通过旋动毛细管嵌套组件(6)和松动顶丝(7-1),将毛细管拆出,疏通清洗后可继续进行芯片组装并使用。
上述具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是,取决于设计要求和其他因素,可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种可微调毛细管同轴排列的微流控芯片,包括分散相进液口(2)、进样毛细管(3)、收集毛细管(4)、收集口(5),特征在于,其还包括一体式芯片基体(1)、毛细管嵌套组件(6)和毛细管同轴微调组件(7);
所述一体式芯片基体(1)两侧上对称设有螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)、毛细管同轴排列孔(1-3)、调节孔(1-4)、定位孔(1-5),其中所述螺纹孔(1-1)、密封孔(1-2)、毛细管同轴排列孔(1-3)顺序连接;所述一体式芯片基体(1)上还设有连续相进液口(1-6)和中间相进液口(1-7);所述连续相进液口(1-6)、中间相进液口(1-7)分别在进样毛细管侧和收集毛细管侧与毛细管同轴排列孔(1-3)正对相通;分散相进液口(2)位于进样毛细管(3)的平口端;收集口(5)位于收集毛细管(4)的平口端;
所述一体式芯片基体(1)的材质为玻璃,外形为六棱柱形;
所述毛细管嵌套组件(6)共两组,分别置于所述微流控芯片两侧,用于固定进样毛细管(3)、收集毛细管(4),其包括紧固件(6-1)、隔套1(6-2)、O型密封圈(6-3)、隔套2(6-4)和O型调节圈(6-5);
所述毛细管同轴微调组件(7)共6组,其包括顶丝(7-1)和密封垫片(7-2),顶丝(7-1)套上密封垫片(7-2)后插入调节孔(1-4);
所述调节孔(1-4)共6个,在一体式芯片基体(1)两侧各3个,互呈120°排列,与密封孔(1-2)相通,与O型调节圈(6-5)正对;
所述进样毛细管(3)和收集毛细管(4)在调节孔(1-4)和毛细管同轴微调组件(7)的组合调整下呈现三维同轴的位置关系。
2.权利要求1中所述的微流控芯片,其特征在于,所述进样毛细管(3)、收集毛细管(4)的横截面为圆形,二者的相对端均为锥形口端,另一端为平口端。
3.权利要求1中所述的微流控芯片,其特征在于,所述进样毛细管(3)锥形口端的内径为50-80μm,所述收集毛细管(4)锥形口端的内径为100-160μm。
4.权利要求1中所述的微流控芯片,其特征在于,所述进样毛细管(3)与收集毛细管(4)相对的锥形口端间距为50-100μm。
5.权利要求1中所述的微流控芯片,其特征在于,所述螺纹孔(1-1)的尺寸为M8*1.0,所述密封孔(1-2)的孔径为4.0mm,所述毛细管同轴排列孔(1-3)的孔径为1.5mm。
6.权利要求1中所述的微流控芯片,其特征在于,所述调节孔(1-4)的尺寸为M6。
7.权利要求1中所述的微流控芯片,其特征在于,所述紧固件(6-1)的外螺纹与螺纹孔(1-1)的内螺纹相匹配,所述隔套1(6-2)、隔套2(6-4)的外径x内径的尺寸为4.0x2.0 mm,所述O型密封圈(6-3)、O型调节圈(6-5)的外径x内径的尺寸均为4.0x1.5 mm。
8.权利要求1中所述的微流控芯片,其特征在于,所述芯片上的连续相进液口(1-6)、中间相进液口(1-7)和分散相进液口(2)可与蠕动泵、注射泵或压力控制器结合使用,从而控制各相液体流速;所述收集口(5)可以连接到光固化装置、加热器或低温冷冻器,实现对产物微液滴的进一步反应加工。
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