CN114375227A - 包含具有溶胶-凝胶基质的微滴的微流体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微流体装置(1)，其包括：至少一个毛细管阱(12)和至少一个具有溶胶‑凝胶基质的微滴(15)，所述微滴(15)被捕集在所述毛细管阱(12)中。

Description

包含具有溶胶-凝胶基质的微滴的微流体装置
技术领域
本发明涉及一种微流体装置，其包括被捕集在该装置的毛细管阱中的微滴，该微滴具有溶胶-凝胶基质。本发明还涉及一种用于制造这种装置的方法。最后，本发明涉及一种用于检测和/或捕集一个或多个分析物的方法，以及一种用于使用这种微流体装置评估溶胶-凝胶基质的方法。
背景技术
来自Chokkalingam V.、Weidenhof B.、
Figure BDA0003535499430000011
M.、Maier W.、Herminghaus S.、Seemann R.(2013)“优化的用于溶胶-凝胶反应实验室芯片的基于液滴的微流体方案2013(Optimized droplet-based microfluidics scheme for sol–gel reactions Lab Chip2013)”的已知实践是使用在微流体装置中形成的溶胶微滴，通过溶胶-凝胶工艺形成微孔二氧化硅的微滴。凝胶形成和脱水收缩发生在微流体装置外部，在聚四氟乙烯管中，然后在烧杯中。
国际专利申请WO 2011/039475公开了一种微流体装置，其包括捕集区，一个或多个微滴被捕集在该捕集区中。
专利申请FR 2 952 436、FR3 069 534、FR 3 031 592、WO 2012/080665、FR 3 053602和WO 2005/100371也公开了溶胶-凝胶材料，其包括适用于特定目标分析物的分子传感器。
需要一种能够精确控制溶胶-凝胶基质形成以便进行简单、快速、可重复、均匀、可靠和低成本分析的微流体装置。
发明内容
为此，根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种微流体装置，包括：
-至少一个毛细管阱，以及
-至少一个包括溶胶-凝胶基质的微滴，所述微滴被捕集在所述毛细管阱中。
术语“微流体装置”指连接在一起的一组微通道和/或微室，其部分至少包括从一条边到另一条边的直线测量的尺寸小于一毫米的维度。
术语“毛细管阱”是指微流体装置的空间区域，其能够临时或永久固定在微流体装置中循环的一个或多个微滴。
术语“微滴”是指体积小于或等于1μL，更好的是小于或等于50nL，甚至更好的是小于或等于40nL的滴或珠。
术语“溶胶-凝胶基质”是指通过溶胶-凝胶过程获得的基质。该过程可以尤其使用式M(OR)n或R’-M(OR)n-1的醇盐或硅酸钠作为前体来执行，M为金属、过渡金属或类金属，尤其是硅，且R或R'为烷基，n为金属的氧化态。在有水的情况下，烷氧基(OR)发生水解，形成通常尺寸小于1纳米的小颗粒。这些颗粒聚集在一起，形成保持悬浮状态而不沉淀的团块，从而形成所谓的溶胶。团块的增加及其凝聚增加了介质的粘度，形成了所谓的凝胶。然后，凝胶可以在老化阶段继续发展，在老化阶段中，凝胶中存在的聚合物网络变得致密。然后，在被称为脱水收缩的步骤期间，凝胶收缩，将溶剂从形成的聚合物网络中排出。然后，在被称为干燥的步骤中，将溶剂蒸发掉，从而形成多孔玻璃类型的固体材料。脱水收缩和干燥步骤可同时进行。
在溶胶-凝胶过程的脱水收缩和/或干燥步骤之后，微滴的溶胶-凝胶基质可以是凝胶或固体的形式；溶胶-凝胶基质尤其是多孔固体，例如干凝胶。优选地，根据微流体装置中溶胶-凝胶过程的进展状态，溶胶-凝胶基质在脱水收缩步骤之前、期间或之后以及在干燥步骤之前、期间或之后具有形式。优选地，在微流体装置中的脱水收缩和干燥步骤之后，所述微滴或每个微滴的溶胶-凝胶基质为固体形式，尤其是多孔形式，例如干凝胶。
优选地，微滴具有由溶胶-凝胶基质限定的结构。因此，微滴可具有凝胶或固体的性质，优选多孔固体，例如干凝胶。
这种微流体装置使微滴可以固定在毛细管阱中，从而能够精确控制在小且易于控制的样品上的溶胶-凝胶基质的老化和/或脱水收缩和干燥。这使得能够对所涉及的溶胶-凝胶过程的精确研究。
此外，通过使用一个或多个分子传感器预掺杂微滴，可以通过微滴检测气相或液相中的一个或多个分析物。这使得可以直接、快速的检测，占用的体积小，只需要少量的溶胶-凝胶材料和分子传感器。
优选地，微流体装置包括多个间隔开的毛细管阱和多个微滴，每个微滴包括溶胶-凝胶基质，所述微滴各自被捕集在一个毛细管阱中。毛细管阱的数量可以大于或等于10，更好地是大于或等于100，优选在100和1000之间。优选地，毛细管阱彼此隔开。优选地，毛细管阱布置在微流体装置的矩阵中。优选地，毛细管阱均以相同的恒定距离隔开。具有毛细管阱矩阵，每个毛细管阱接收一个或多个微滴，这使得能够在小体积上用大量数据进行研究或测量。然后，可以进行观察或统计测量，以限制再现性和/或同质性问题，和/或在各种微滴上以用户快速且容易的方式以及在小体积上对观察或测量进行多路复用。这种装置可以进行快速、可重复、均匀、可靠和低成本的观察或测量。
优选地，微流体装置包括具有捕集室的通道，捕集室包括毛细管阱。优选地，捕集室由四个侧壁、一个上壁和一个下壁界定，毛细管阱在捕集室的上壁和/或下壁上延伸。
优选地，微流体装置包括在微流体装置、尤其是捕集室中的至少一个流体入口通道和至少一个流体出口通道。除了入口通道和出口通道之外，微流体装置、尤其是捕集室优选地靠近液体。优选地，入口通道从捕集室的相对于毛细管阱的第一侧伸出，且出口通道从捕集室的与相对于毛细管阱的第一侧相反的第二侧伸出。此类通道允许精确控制流体在微流体装置中的循环，并且尤其通过使流体从入口通道流向出口通道，而使流体可以与毛细管阱中捕集的微滴接触。
捕集室可包括位于捕集室的第一侧或第二侧的台阶，该台阶在上壁和下壁之间测量的高度大于捕集室其余部分(毛细管阱除外)的高度。该台阶允许在毛细管阱的一侧形成液体前端(liquid front)，从而尤其能够通过蒸发所述液体或其中包含的一种化合物，使所述阱暴露于来自液体前端的气体梯度中。
微流体装置、尤其是捕集室可包括至少一个由至少部分地透气的多孔材料制成的壁，尤其是由PDMS制成的壁。这种多孔壁允许在脱水收缩步骤中溶剂蒸发。脱水收缩步骤和/或干燥步骤的速率可通过多孔材料的孔隙率和/或通过控制入口通道和出口通道之间的气流来控制。
作为变型，微流体装置由一种或多种无孔材料构成，尤其由玻璃或热塑性材料制成，例如环烯烃聚合物(COP)、环烯烃共聚物(COC)、聚碳酸酯或模制塑料。在这种情况下，可通过将微滴置于入口通道和出口通道之间的流体流中来进行脱水收缩和/或干燥步骤。控制流体流的速度可以精确控制脱水收缩和/或干燥。
优选地，每个毛细管阱在微流体装置的壁中、尤其是在捕集室的壁中形成空腔。
优选地，空腔的高度对应于空腔的底部和微流体装置的相反壁之间的距离，该高度大于或等于微流体装置在毛细管阱边缘处的高度的两倍，所述微流体装置在毛细管阱边缘处的该高度对应于在形成空腔的壁与毛细管阱边缘处的相反壁之间的距离。
优选地，空腔的最小宽度大于或等于微流体装置在毛细管阱边缘处的高度的两倍。
优选地，微流体装置在毛细管阱边缘处的高度小于或等于所捕集的微滴或每个所捕集的微滴(包括溶胶-凝胶基质)的最小尺寸，尤其小于或等于所捕集的微滴或每个所捕集的微滴在脱水收缩后的最小尺寸。这样，在微流体装置不被破坏的情况下，所述微滴或每个微滴都不能从毛细管阱中出来。这使得能够永久精确地定位微滴，从而便于随时观察。
空腔的这种尺寸还允许通过破碎形成溶胶或溶胶的一部分的液体，直接在毛细管阱中形成微滴，如下文关于制造微流体装置的工艺所述。
至少一个毛细管阱可以包括第一捕集区和至少一个第二捕集区，包括溶胶-凝胶基质的微滴被捕集在第一捕集区中，第二捕集区具有与第一捕集区不同的捕集给定微滴的力以捕集不同的微滴。此类毛细管阱尤其在通过引用并入本文的国际专利申请WO 2018/060471中进行了描述。
至少一个毛细管阱可以具有单个捕集区，其配置为捕集单个微滴(该微滴包括溶胶-凝胶基质)或多个微滴(其中至少一个微滴包括溶胶-凝胶基质)。
优选地，通过水解溶胶-凝胶过程获得一种或多种溶胶-凝胶基质。
优选地，溶胶-凝胶基质从选择自醇盐(alkoxide)的前体获得，所述醇盐尤其是锆醇盐，尤其是丁醇锆(ZTBO)、丙醇锆(ZTPO)、钛醇盐、铌醇盐、钒醇盐、钇醇盐、铈醇盐、铝醇盐或硅醇盐，尤其是四甲氧基硅烷(TMOS)、四乙氧基硅烷(TEOS)、四丙氧基硅烷(TPOS)、四丁氧基硅烷(TBOS)、三甲氧基硅烷(尤其是甲基三甲氧基硅烷(MTMOS)、丙基三甲氧基硅烷(PTMOS)和乙基三甲氧基硅烷(ETMOS))、三乙氧基硅烷(尤其是甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)、乙基三乙氧基硅烷(ETEOS)、丙基三乙氧基硅烷(PTEOS)和氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES))、及其混合物。
微滴可包括溶剂，尤其是选自水、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、2-甲氧基乙醇、丙酮、DMSO、DMF、NMF、甲酰胺、甲乙酮、氯仿、二氯甲烷、乙酸及其混合物的溶剂，优选是水和丁醇的混合物。
微滴可包括其他添加剂，尤其是一种或多种催化剂(尤其是选自乙酸、硝酸、硫酸、氢氟酸和氢氧化铵)和/或一种或多种稳定剂(尤其是选自乙酸、乙酰丙酮、二醇、甲氧基乙醇、甘醇和β-酮酯)。
微滴可以是半透明的，优选透明的。
该装置可包括单个微滴，其包括在毛细管阱中或每个毛细管阱中的溶胶-凝胶基质。
作为变型，该装置包括多个微滴，其包括在毛细管阱中或每个毛细管阱中的溶胶-凝胶基质。包括溶胶-凝胶基质的微滴可以作为柱状物布置在毛细管阱中。
优选地，所述装置包括多个微滴，其包括被捕集在微流体装置的毛细管阱中的溶胶-凝胶基质。
所述微滴可以基本上相同，并且可以尤其具有基本相同的组成。对于包含数个毛细管阱的微流体装置而言，这尤其使得能够用单个微流体装置进行统计研究。这限制了再现性和/或同质性问题以及边缘效应。
作为变型，至少有一些微滴是不同的，尤其是具有不同的组成或结构。对于包含数个毛细管阱的微流体装置而言，这尤其使得能够在小体积上用单个微流体装置进行多路复用(multiplexing)。
微滴可全部包括构成溶胶-凝胶基质的相同溶胶-凝胶材料。这使得研究能够在特定的溶胶-凝胶材料上进行。
微滴可包括具有相同组成的溶胶-凝胶基质。这可以使对溶胶-凝胶基质的结构进行统计研究，或使相同初始溶液在相同条件下容易形成微滴。
作为变型，至少两个微滴包括不同的溶胶-凝胶基质，尤其是具有不同结构或组成的基质。这可以使得在相同微流体装置上研究不同的溶胶-凝胶基质，并实现溶胶-凝胶基质的多路复用。
包括溶胶-凝胶基质的微滴可各自包括一个或多个分子传感器。每个分子传感器优选地包括一个或多个相同的检测单元，每个检测单元能够在目标分析物的存在下反应以诱导可观察到的变化并且包括一个或多个分子。分子传感器优选地并入溶胶-凝胶基质中，以在每个相应的毛细管阱中检测一个或多个特定目标分析物的存在。优选地，分子传感器分布在溶胶-凝胶基质内的每个微滴中。优选地，所述分子传感器或每个分子传感器被配置为具有光学特性，尤其是颜色、吸光度、反射率、荧光或发光，该光学特性在存在目标分析物时是不同的，尤其是通过与目标分析物的反应或结合。然后，通过将液态或气态流体与微流体系统中的微滴接触，可以使用微流体装置分析液态或气态流体中一个或多个目标分析物的存在。在与目标分析物形成结合的情况下，也可以使用分子传感器捕集待测试流体的目标分析物。通过改变光学特性进行检测，使得视觉检测或通过简单的光学设备进行检测变得简单直接。
微滴可包括至少两个用于检测不同目标分析物的分子传感器。
至少一个微滴可包括至少两个分子传感器，其被配置为检测不同目标分析物的存在，所述分子传感器优选在存在相应目标分析物时具有彼此不同的光学特性。优选地，分子传感器与其对应的彼此独立的目标分析物发生反应。这使得在同一微滴中平行检测不同分析物变得简单。例如，每个微滴的颜色使得能够确定它们之间的目标分析物的相对浓度和每个分析物的浓度。
优选地，至少两个微滴包括用于检测不同目标分析物的分子传感器。这使得能够通过不同的微滴平行检测目标分析物，尤其是在分子传感器对相应目标分析物的存在具有类似响应的情况下。这样的装置易于使用，并且能够容易且立即地分析不同目标分析物的存在或不存在。
至少两个微滴可以包括具有不同浓度的相同检测单元的分子传感器。优选地，若干微滴可包括成对具有不同浓度的相同检测单元的分子传感器。微滴可布置在多个毛细管阱或同一毛细管阱中，以在入口通道和出口通道之间形成检测单元的浓度梯度。
分子传感器可包括选自以下的检测单元：4-氨基-3-戊烯-2-酮、对二甲氨基苯甲醛、对二甲氨基肉桂醛、对甲氧基苯甲醛、4-甲氧基萘甲醛、巴豆酸、对重氮苯磺酸、4-氨基安替比林、胭脂红靛蓝、醌化合物、碘化物和物选自淀粉、直链淀粉、支链淀粉、木聚糖、壳聚糖、糖原、聚乙烯醇或聚乙烯醇化合物、纤维素或纤维素化合物、α-环糊精、可可碱、或聚氧化丙烯和聚氧化乙烯的嵌段聚合物的化合物的混合物、包括苯酚和硝普钠的混合物、以及通过引用并入本文的专利申请WO 2005/100371中所述的化合物。分子传感器可包括一个或多个用于促进与目标分析物的反应的添加剂，尤其是从溶剂、酸和碱、氧化剂和还原剂中选择的添加剂；和/或一个或多个额外分子，其单独或与其他分子组合，能够与目标分析物进行或多或少的选择性相互作用，和/或进行特定的化学功能，尤其是产生特定的颜色，通过颜色变化对pH值反应，或产生特定的荧光。
优选地，分子传感器由相同的检测单元和任选的一种或多种添加剂组成。每个分子传感器都可以检测选自挥发性有机化合物的目标分析物，尤其是来自ANSE(国家环境、食品、健康和工作安全机构，Agence Nationale de Sécurité Sanitaire de l’alimentation de l’environnement et du travail)的优选污染物列表中定义的目标分析物，尤其是醛(如甲醛、乙醛和己醛)、一氧化碳或二氧化碳、双氧、氢、苯酚及其衍生物、吲哚化合物，尤其是吲哚、粪臭素(scatole)或色氨酸、氯胺、二氧化氮、臭氧、卤化化合物，尤其是三氟化硼、其衍生物和三氯化硼、芳香烃(例如萘、苯、甲苯)，和非芳香烃(如戊烷、己烷和庚烷、丙烯醛、二氧化氮和乙苯)。
优选地，微流体装置包括多个间隔开的毛细管阱，每个阱包括微滴，所述微滴包含溶胶-凝胶基质和一个或多个在每个溶胶-凝胶基质中的分子传感器，该溶胶-凝胶基质尤其由脱水收缩后的固体材料制成。在溶胶-凝胶基质是在脱水收缩后获得的固体基质的情况下，给定形式的微流体装置是特别稳定的。因此，可在使用前(例如在实验室中)制备溶胶-凝胶基质，然后储存，并可随后使用，尤其是直接在现场使用。
一个或多个微滴可包括在溶胶-凝胶基质中可观察到的、尤其是发荧光的微珠。这种微珠能够评估溶胶-凝胶基质形成过程中的凝胶时间。
所述装置可包括用于控制微流体装置的温度的系统，该系统使得微流体装置能够尤其被冷却或加热，以通过溶胶-凝胶过程控制溶胶-凝胶基质的形成。
优选地，所述装置包括用于微流体装置中的流体循环、尤其是从入口通道到出口通道的循环的系统，所述系统尤其是泵、注射泵或压差。
根据本发明的第二个方面，本发明的主题也是一种用于制造微流体装置、尤其是如前所述的微流体装置的方法，所述方法包括将至少一个包括溶胶的微滴捕集在微流体装置的毛细管阱中，以及通过溶胶-凝胶过程使用溶胶在捕集的微滴中形成溶胶-凝胶基质。
这种方法允许直接在微流体装置中精确定位的毛细管阱中形成含有溶胶-凝胶基质的微滴。溶胶-凝胶基质在毛细管阱中形成的事实使得能够精确且可重复地控制其形成。此外，所涉及的小体积有助于形成的均匀性和速度。
微滴被捕集在毛细管阱中的事实也允许精确了解其在微流体装置中的位置，从而促进其分析或其用于尤其检测目标分析物的目的(当其包括一个或多个分子传感器时)。
优选地，所述方法包括将多个包括溶胶的微滴捕集在微流体装置的一个或多个毛细管阱中，尤其是在捕集室中，以及通过溶胶-凝胶过程使用溶胶在每个微滴中形成溶胶-凝胶基质。
优选地，所述方法包括：将包括溶胶的至少一个微滴、尤其是单个微滴捕集在微流体芯片的每个毛细管阱中，所述微流体芯片包括多个间隔开的毛细管阱；以及通过溶胶-凝胶过程使用溶胶在每个微滴中形成溶胶-凝胶基质。一个或多个微滴被捕集在数个毛细管阱中的事实使得能够在微流体装置中形成空间定位的微滴矩阵，使得能够根据微滴的组成执行统计分析和/或多路复用。
作为变型，所述方法包括：将多个包括溶胶-凝胶基质的微滴捕集在微流体装置的毛细管阱中，所述装置包括一个或多个可捕集多个微滴的毛细管阱；以及通过溶胶-凝胶过程使用溶胶在每个微滴中形成溶胶-凝胶基质。在这种情况下，毛细管阱可以包含例如成列布置并且包括溶胶的微滴。
优选地，所述方法包括在溶胶-凝胶基质形成之前或之后，优选在脱水收缩步骤之前，添加一个或多个在微滴中可观察到的分子传感器和/或微珠，每个分子传感器能够检测至少一种目标分析物。分子传感器可以如先前关于微流体装置所描述的。
一个或多个可观察到的分子传感器和/或微珠的添加可在包括溶胶的微滴捕集后在包括溶胶的微滴中发生。该方法可包括添加额外的微滴，其包括可在微流体装置中观察到的分子传感器和/或微珠；将一个或多个额外的微滴捕集在所述或每个毛细管阱中；并将额外的微滴和包括溶胶或溶胶-凝胶基质的微滴合并。在这种情况下，每个毛细管阱在捕集期间优选只捕集一个包括溶胶的微滴。可根据专利申请FR 3 056 927中描述的方法，使用包括具有不同捕集力的不同捕集区的毛细管阱添加一个或多个微滴。
作为变型，在捕集微滴之前，尤其是在形成微滴之前的步骤中，或在形成微滴之前直接在溶胶中添加可在溶胶中可观察到的分子传感器和/或微珠。
将一个或多个微滴(每个微滴包括溶胶)捕集在毛细管阱中可包括：
(i)将包括溶胶的一部分的第一微滴捕集在所述毛细管阱或每个毛细管阱中，
(ii)将一个或多个互补的微滴(包括溶胶的另一部分，尤其是水)n次依次添加到微流体装置中，以将其捕集在所述或每个毛细管阱中，n是优选在1和10之间的整数，以及将第一微滴和互补的微滴在每个毛细管阱中聚结，以获得溶胶，聚结在每次依次添加后或所有依次添加后发生，
(iii)任选地添加额外的微滴到微流体装置中，所述额外的微滴包括一个或多个可观察到的分子传感器和/或微珠，将所述额外的微滴捕集在毛细管阱中，并将额外的微滴和微滴聚结在所述毛细管阱或每个毛细管阱中，步骤(iii)在步骤(ii)之前或之后发生。
额外的微滴的聚结可与互补的微滴的聚结同时发生。额外的微滴可以是相同的或不同的。
优选地，将一个或多个微滴(每个微滴包括溶胶)捕集在毛细管阱中可包括：
(i)将包括溶胶的一部分的第一微滴捕集在所述毛细管阱或每个毛细管阱中；
(ii)任选地，向微流体装置中添加包括一个或多个分子传感器和/或微珠的额外的微滴，将所述额外的微滴捕集在毛细管阱中并将额外的微滴和第一微滴在所述或每个毛细管阱中聚结以形成第一掺杂微滴；
(iii)向微流体装置中添加一个或多个互补的微滴，其包括溶胶的剩余部分，尤其是水，以将所述互补的微滴捕集在所述毛细管阱或每个毛细管捕集器中；以及
(iv)第一掺杂或未掺杂的微滴和互补的微滴在每个毛细管阱中聚结以获得溶胶。
优选地，包括溶胶的微滴的捕集发生在围绕所述微滴或每个微滴的载液中。
所述方法可包括在捕集在毛细管阱中的步骤之前形成包括溶胶的微滴或包括溶胶的一部分的第一微滴的先前步骤。微滴可以在辅助微滴形成系统中形成，尤其是在另一个微流体装置中，或者直接在微流体装置中在毛细管阱上游的形成，尤其是在捕集室的入口处。微滴优选形成并混合在与溶胶不混溶的载液中，并被微流体装置中的载液在循环中夹带，以被捕集在毛细管阱中。在捕集微滴之前形成微滴，使得能够在适当的情况下通过毛细管阱捕集多个微滴，和/或捕集一组不完全相同的微滴，尤其是在组成方面不完全相同的微滴。
作为变型，捕集包括溶胶的微滴或包括溶胶的一部分的第一微滴包括：
-用第一溶液填充微流体装置，所述第一溶液包括溶胶或溶胶部分以及任选地在溶胶中的一个或多个分子传感器和/或一个或多个微珠，
-注入与毛细管阱上游的溶胶不混溶的载液的第二溶液，以将第一溶液推向毛细管阱下游的微流体装置的出口，所述微流体装置被配置成在将所述第二溶液注入所述微流体装置期间，能够在所述或每个毛细管阱中形成所述第一溶液的微滴。通过这种捕集过程，微滴直接在毛细管阱中形成，并在形成后立即被捕集。这使得能够无需在捕集微滴之前对其进行处理以及在捕集之前与微滴形成相关的限制。这也使得可以同时形成所有微滴，其限制了毛细管阱外微滴中形成凝胶的风险。在这个捕集过程中，每个毛细管阱中只形成一个微滴，并且形成的微滴都具有相同的组成，因为它们是由相同的第一溶液形成的。
捕集在一个或两个不同毛细管阱(优选两个不同阱)中的至少两个微滴可以不同，并且可以尤其包括不同的溶胶，尤其它的性质和/或溶胶的至少一种化合物的浓度不同，或者可以包括不同的分子传感器，尤其是在检测单元的浓度或检测单元的性质方面。这种差异可以通过以下方式获得：
-捕集包括溶胶的微滴，或捕集包括溶胶不同部分的第一微滴，和/或
-捕集不同的额外的微滴，尤其是在一个或多个分子传感器的不同浓度或不同分子传感器或不同数量的微珠方面，和/或
-在毛细管阱中捕集不同数量的相同或不同的额外的微滴，和/或
-在毛细管阱中形成第一微滴，所述第一微滴包括在相同毛细管阱中的溶胶的一部分，并向包含第一微滴的毛细管阱中添加不同组成或不同量的互补的微滴。
在不同的毛细管阱中具有不同的微滴能够实现微流体装置的多路复用。因此，在相同微流体装置上，研究不同溶胶的演变或检测不同的目标分析物是可能的。
捕集在一个或两个不同毛细管阱中、优选地在两个不同阱中的至少两个微滴，可以包括相同的溶胶。这样能够在相同微流体芯片上对溶胶的演变进行统计研究，尤其是它的凝胶时间或直径。
微流体装置可包括多个毛细管阱，每个毛细管阱捕集包括溶胶的微滴，所述微滴源于一组(panel)微滴，所述一组微滴具有其中微滴为相同的成组的微滴组，所述成组的微滴包括彼此不同的溶胶。
作为变型，所述微流体装置包括多个毛细管阱，每个毛细管阱捕集包括溶胶的微滴，所述微滴源自相同的一组微滴。
优选地，溶胶中乙醇的体积百分比小于或等于80％。优选地，溶胶中乙醇的体积百分比大于或等于20％。
优选地，微滴、载液和微流体装置壁的物理特性，微滴和载液的粘度以及装置的运行模式，尤其是微滴和载液在微流体装置中的流速，被选择使得包括溶胶的微滴与微流体装置的壁隔开，尤其是通过一层载液与所述壁隔开。优选地，载液完全围绕所述或每个微滴。优选地，载液与微流体装置壁的润湿性比所述或每个微滴的溶胶更大。
优选地，溶胶的凝胶时间大于或等于5分钟，更好地是大于或等于10分钟。
所述方法可包括：在捕集包括溶胶的微滴期间和/或在形成溶胶-凝胶基质期间，流体在入口通道和出口通道之间的循环。这种流体循环使得捕集的微滴的内容物能够置于运动中，以便使所述微滴的内容物均质化。当通过添加一个或多个互补的微滴和/或额外的微滴和/或在溶胶-凝胶基质形成期间形成溶胶微滴时，这尤其有用。这也使得可以在溶胶中放置运动中的微珠，以便能够评估凝胶的形成。
所述方法可包括控制微流体装置的温度，尤其是在捕集微滴期间降低微流体装置的温度，以及在形成溶胶-凝胶基质期间提高微流体装置的温度。优选地，捕集过程中微流体装置的温度在0℃和30℃之间，优选在5℃和15℃之间。优选地，溶胶-凝胶基质形成过程中微流体装置的温度在20℃和80℃之间，优选在20℃和60℃之间，甚至更好地在30℃和50℃之间。在过程中控制装置的温度能够精确控制溶胶-凝胶基质的形成，并使可以具有可再生装置。在捕集过程中降低温度使得能够增加凝胶时间，并避免在毛细管阱外形成溶胶-凝胶基质，这可能会阻塞微流体装置。在溶胶-凝胶基质形成过程中增加温度，使得能够控制脱水收缩和/或干燥步骤，尤其是通过加速凝胶的形成。
优选地，所述方法包括通过蒸发微滴中包含的溶剂来干燥微流体基质的附加步骤。干燥可包括通过微流体装置的气体多孔(gas-porous)表面蒸发溶剂和/或微流体装置中的流体在毛细管阱上游的至少一个入口通道和毛细管阱下游的至少一个出口通道之间循环。所述方法可包括通过控制微流体装置中的流体流动和/或通过选择孔径来控制干燥速率。
所述方法可包括在干燥步骤后排空围绕微滴的流体的步骤。在液体情况下，这种排空可以通过微通道的入口和出口或通过多孔表面通过蒸发该液体进行。也可以通过微通道注入另一种液体或气体来强制排空。在这种情况下，液体或气体的流动取代了最初的液体。
所述方法可包括借助于用于观察所述或每个毛细管阱中的溶胶-凝胶基质的装置，尤其是借助于用于形成每个微滴图像的光学装置，实时可视化脱水收缩和干燥。
根据第三方面，本发明的主题也是一种用于检测和/或捕集待测试流体中的一个或多个分析物的方法，其使用如前所述的微流体装置或通过如前所述的方法制造的微流体装置，捕集在毛细管阱中的微滴分别包括在溶胶-凝胶基质中的一个或多个分子传感器，所述一个或多个分子传感器配置成检测和/或捕集一个或多个目标分析物，所述方法包括将捕集在微流体装置中的微滴暴露于待测试流体以及检测和/或捕集待测试流体中的目标分析物。
微流体装置中微滴的精确定位能够使待测试流体中目标分析物的存在直接可视化。捕集目标分析物可使其能够从待测试流体中提取，从而降低离开微流体装置的流体中的目标分析物的浓度和/或捕集流体中的目标分析物，以便回收它们并任选地随后使用它们。
将微滴集成到微流体装置中并将其固定在其中，使其能够容易地暴露于待测试流体，并且能够检测和/或捕集目标分析物，而无需处理微滴或改进装置。这也有助于分析微滴。
在所述装置包括多个分子传感器的情况下，它允许检测和/或平行捕集待处理流体中的多个目标分析物。
此外，与用于检测一个或多个目标分析物的电子装置相比，这种装置不需要任何特定的校准。
优选地，分子传感器如先前关于微流体装置所述。
优选地，待测试流体为液体或气体。
优选地，所述方法包括借助微流体系统(尤其是泵、注射泵或压差)使微流体装置中的流体从微流体装置的毛细管阱上游的入口通道到微流体装置的毛细管阱下游的出口通道循环。
优选地，目标分析物的存在通过所述或每个分子传感器的光学特性的变化来检测，尤其是所述或每个分子传感器的颜色、吸光度、反射率、荧光或发光。
优选地，流体是气体，尤其是环境空气，并且微滴的暴露通过在微流体装置中的入口通道和出口通道之间循环气体而发生，尤其是在捕集室中。气体的强制循环可通过质量流速调节器、泵、注射泵、压差或等效系统实现。为了检测分析物，用户只需将待进行检测的环境中存在的气体注入微流体装置中，以检查目标分析物的存在或不存在和/或其浓度和/或捕集它。
当流体为气体(尤其是环境空气)时，微滴的暴露可通过微流体装置(尤其是捕集室)的气体多孔壁发生。然后，它足以将微流体装置置于将要进行检测的环境中，以便检查目标分析物的存在或不存在和/或其浓度和/或捕集目标分析物。
所述方法可包括将液体引入微流体装置中，直到在微滴附近形成液体前端，尤其是沿着微流体装置中的台阶，所述微滴不与液体接触，但与微流体装置中的液体从液体前端蒸发形成的气体接触。
作为变型，所述方法包括将液体引入微流体装置中以及其在入口通道和出口通道之间循环，以及直接在液体中检测目标分析物的存在或不存在。
优选地，所述方法包括确定待测试流体中至少一个目标分析物的浓度(微流体装置的所述微滴或每个微滴暴露于该浓度)，尤其是通过测量的光学特性的强度，尤其是颜色、荧光或发光强度。在这种情况下，可通过参考预先建立的校准曲线精确确定浓度。
所述方法可包括根据微滴在微流体装置上的位置，通过尤其是不同检测强度的可视化，检测待测试流体中一个或多个目标分析物的浓度梯度。
根据第四方面，本发明的主题也是一种用于评估微流体装置中的溶胶-凝胶基质的方法，所述微流体装置如前所述或通过先前所述的方法制造，被捕集在毛细管阱中的所述微滴包括所述溶胶-凝胶基质。
所述方法可包括实时观察基质的形成或溶胶-凝胶基质的脱水收缩，尤其是实时观察在凝胶形成、脱水收缩和干燥步骤期间微滴的直径。
所述方法可包括在形成微滴中的所述基质期间评估微滴中溶胶的溶胶-凝胶基质的凝胶时间，尤其是从中推断宏观体积的溶胶-凝胶材料的凝胶时间。所述方法可包括在微流体装置中应用流体流、尤其是油，以在所述微滴或每个微滴中产生流体的运动，以及观察可观察的微珠、尤其是荧光微珠在微滴中的运动，凝胶时间通过观察微珠在凝胶中的固定来确定。
所述方法可包括控制微滴或每个微滴的温度。
结合附图，通过阅读以下本发明非限制性实施例的描述，可以更好地理解本发明，其中：
附图说明
[图1]图1示意性地描绘了根据本发明的微流体装置的示例；
[图2]图2是沿图1装置的II-II的截面视图；
[图3]图3是根据本发明的微流体装置变型的透视图；
[图4]图4是沿图3的微流体装置的IV的示意图；
[图5]图5是沿图3和图4的微流体装置的V-V的截面示意图；
[图6A]图6A示出用于制造根据本发明的装置的方法的一个步骤；
[图6B]图6B示出图6A的方法的另一个步骤；
[图6C]图6C示出图6A和图6B的方法的另一个步骤；
[图7]图7是在溶胶-凝胶基质脱水收缩和干燥后，通过图6A至图6C所示方法获得的装置的细节视图；
[图8]图8是根据本发明的装置的变型；
[图9]图9是沿图8装置的IX-IX的截面视图；
[图10]图10示出根据实施例3生产的图4装置的细节X的荧光测量结果；
[图11]图11是示出实施例3的装置的微滴的荧光强度根据不同组微滴的时间的曲线图；
[图12]图12示出在凝胶形成过程中不同时间根据实施例4生产的装置的微滴的图像；
[图13]图13是示出用实施例4的装置测得的凝胶时间根据温度的曲线图；
[图14]图14是示出用实施例4的装置计算的微流体装置和宏观装置之间的凝胶时间差异根据温度的曲线图；
[图15]图15示出在脱水收缩前后根据实施例4生产的装置的微滴的图像；
[图16]图16是示出用实施例4的装置测量的微滴直径根据时间的曲线图；
[图17]图17是用实施例5的装置测量的凝胶时间根据温度的曲线图；和
[图18]图18是示出用实施例5的装置计算的微流体装置和宏观装置之间的凝胶时间差异根据温度的曲线图。
具体实施方式
图1示意性地描绘了根据本发明的微流体装置1的第一实施方式。
在图1所示的示例中，该装置包括微通道2，其包括毛细管阱12，包括溶胶-凝胶基质的微滴15被捕集在毛细管阱12中。微通道2具有矩形横截面，其由上壁4、下壁6和两个侧壁8界定，如图2所示。
在图1和图2所示的示例中，微滴15是微珠，其包括在溶胶-凝胶工艺的脱水收缩步骤后的固体形式的溶胶-凝胶基质，即微珠不含任何溶剂，所述溶剂已蒸发且溶胶-凝胶基质已收缩。这样，微滴具有它所能采用的并且是不可变形的最小尺寸。
毛细管阱12由下壁6中的空腔形成，微滴被捕集在该空腔中。在图2所示的示例中，空腔是下壁6的空腔，但也可以是上壁4的空腔；微滴也会以同样的方式被捕集。如下文所示，微滴以液体形式被捕集在毛细管阱12中，基质尤其是溶胶形式。放置在微通道2中并压碎的液体微滴具有大的外表面积。因此，该微滴自然地寻求减少其外表面积，这使其在进入毛细管阱附近时向具有更高高度的毛细管阱12迁移。毛细管阱12使得能够固定一个或多个微滴，这使得例如能够使用显微镜对其进行检查和/或长时间监测阱内的反应过程。
在图2所示的示例中，在毛细管阱12边缘处由上壁4和下壁6之间的距离定义的微通道2的高度H小于在溶胶-凝胶工艺的脱水收缩步骤后微滴15的最小尺寸d。因此，微滴15最终被捕集在毛细管阱12中。
优选地，毛细管阱12的高度h(定义在毛细管阱12的底部和微通道2的相反壁之间)大于或等于毛细管阱12边缘处微通道2的高度H的两倍。优选地，毛细管阱12的宽度l大于或等于毛细管阱12边缘处微通道2的高度H的两倍。这些尺寸允许在溶胶-凝胶工艺的凝胶形成、脱水收缩和干燥步骤之前有效捕集微滴，以获得溶胶-凝胶基质。
在毛细管阱12边缘处微通道2的高度H优选在15μm和200μm之间，更好地在50μm和150μm之间，例如基本上等于100μm。
毛细管阱12的高度h优选在30μm和800μm之间，更好地在450μm和600μm之间，例如基本上等于520μm。
在图1所示的示例中，毛细管阱15具有六边形横截面。然而，本发明不限于这种形状的毛细管阱。如专利申请WO 2018/060471中所述，所述阱可具有例如圆形或多边形横截面，或可包括主捕集区和一个或多个次级捕集区，该申请通过引用并入本文。
溶胶-凝胶基质优选通过水解溶胶-凝胶工艺获得。
它由选自醇盐的前体获得，所述醇盐尤其是锆醇盐，尤其是丁醇锆(ZTBO)、丙醇锆(ZTPO)、钛醇盐、铌醇盐、钒醇盐、钇醇盐、铈醇盐、铝醇盐或硅醇盐，尤其是四甲氧基硅烷(TMOS)、四乙氧基硅烷(TEOS)、四丙氧基硅烷(TPOS)、四丁氧基硅烷(TBOS)、三甲氧基硅烷(尤其是甲基三甲氧基硅烷(MTMOS)、丙基三甲氧基硅烷(PTMOS)和乙基三甲氧基硅烷(ETMOS))、三乙氧基硅烷(尤其是甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)、乙基三乙氧基硅烷(ETEOS)、丙基三乙氧基硅烷(PTEOS)和氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES))、及其混合物。
微滴可包括溶剂，尤其是选自水、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、2-甲氧基乙醇、丙酮、DMSO、DMF、NMF、甲酰胺、甲乙酮、氯仿、二氯甲烷、乙酸及其混合物的溶剂，优选水和丁醇的混合物。
微滴可包括其他添加剂，尤其是催化剂，诸如乙酸、硝酸、硫酸、氢氟酸和氢氧化铵，或稳定剂，例如乙酸、乙酰丙酮、二醇、甲氧基乙醇、甘醇和β-酮酯。
图3和图5示意性地描绘了根据本发明的微流体装置1的第二实施方式。
在图3至图5所示的示例中，装置1包括捕集室20，该捕集室20包括多个毛细管阱12，这些毛细管阱12排列成多行阱12，彼此交错布置。捕集室20在毛细管阱12的上游连接至经由两个流体供给微通道32供给流体的入口微通道30，并在下游连接至出口微通道34。捕集室20具有矩形截面，由上壁24和下壁26(在图5中明显可见)和四个侧壁28(在图3和4中明显可见)界定。
毛细管阱的数量优选在10和5000之间，尤其是在100和500之间，例如等于231。
如图3所示，微流体装置1可通过使用已知的通用柔性光刻技术在适当材料(例如PDMS(聚二甲基硅氧烷))的板中形成。微通道30和捕集室20可以形成在板的表面上，例如将玻璃显微镜载玻片粘结在板上。
捕集室20还包括毛细管阱12下游的台阶40，其高度m大于捕集室在该台阶边缘处的高度。这样的台阶40使得可以通过经由出口通道34插入液体，在捕集室20中形成毛细管阱12下游的液体前端，液体前端由台阶的形状定义。具体而言，液体通过最大高度区域中的界面张力保持。优选地，台阶的高度m在80μm和250μm之间，优选地在100μm和150μm之间。优选地，台阶的高度m基本上在台阶40的边缘处的捕集室20的高度的105％和200％，优选地110％和130％，尤其是基本上等于115％。
每个毛细管阱12优选如上所述，并且可以捕集包括溶胶-凝胶基质的微滴15。
优选地，溶胶中醇的体积百分比在80％和20％之间。
毛细管阱可通过下文描述为“毛细管阱中的液滴破裂”的图6A至图6C所示的过程捕集微滴，例如在专利申请FR3056927中描述，其内容通过引用并入本文。
在图6A所示的第一步骤中，包括溶胶的第一溶液42经由一个供给微通道32被引入捕集室20以填充它。
在图6B所示的第二步骤中，通过一个供给微通道32将第二溶液44(包括与第一溶液不混溶的溶剂，尤其是油)引入捕集室20。第二溶液从捕集室冲洗第一溶液，并通过打破每个毛细管阱中的第一溶液，而直接在毛细管阱12中形成第一溶液的微滴，如图6C所示。
优选地，润湿性使得载液润湿固体壁，从而在包括溶胶的微滴周围形成膜。在这种情况下，毛细管阱中形成的微滴是基本上相同的。
作为变型(未示出)，微滴15的捕集通过形成微滴(包括毛细管阱12上游的溶胶)和捕集已经形成的微滴15来发生。微滴的形成可以在入口通道30和出口通道34之间的流动相中直接在微流体装置中发生。
已经提出了许多方法来在流动相中形成这样的第一微滴。例如，可提及以下方法示例：
a)例如在S.L.Anna、N.Bontoux和H.a.Stone的“Formation of dispersionsusing‘flow-focusing’in microchannels”(Appl.Phys.Lett.82,364(2003))中描述的“流动聚焦”工艺，其内容通过引用并入本文；
b)例如由R.Seemann、M.Brinkmann、T.Pfohl和S.Herminghaus在“Droplet-basedmicrofluidics.,”(Rep.Prog.Phys.,第75卷,第1期,第016601页,2012年1月)中描述的“分步乳化”工艺，其内容通过引用并入本文，
c)例如由V.Chokkalingam、S.Herminghaus和R.Seemann在“Self-synchronizingpairwise production of monodisperse droplets by microfluidic stepemulsification”(Appl.Phys.Lett.,第93卷,第25期,第254101页,2008)中描述的组合“流动聚焦”和“分步乳化”工艺的方法，其内容通过引用并入本文；
d)例如由G.F.Christopher和S.L.Anna在“Microfluidic methods forgenerating continuous droplet streams”(J.Phys.D.Appl.Phys.,第40卷，第19期，R319–R336页,2007年10月)中描述的“T型连接”工艺，其内容通过引用并入本文；
e)例如由R.Dangla、S.C.Kayi和C.N.Baroud在“Droplet microfluidics drivenby gradients of confinement.,”(Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.,第110卷，第3期，第853–8页，2013年1月)中描述的“限制梯度”工艺，其内容通过引用并入本文；或
f)例如由A.Funfak、R.Hartung、J.Cao、K.Martin、K.H.Wiesmüller、O.S.Wolfbeis和J.M.
Figure BDA0003535499430000201
在“Highly resolved dose-response functions for drug-modulatedbacteria cultivation obtained by fluorometric and photometric flow-throughsensing in microsegmented flow”(Sensors Actuators,B Chem.,第142卷，第1期，第66-72页,2009)中描述的“微分段流”工艺，其内容通过引用并入本文，其中以不同比例和受控的两种溶液在微流体系统外的功能水平上混合，形成由不混溶相分离的微升液滴，然后为将这些液滴注入例如含有梯度的微流体系统中将其分成微滴的工艺。
这些工艺尤其使得能够形成多个尺寸基本上相等的微滴。可通过修改微滴形成参数、尤其是装置中流体的流速和/或装置的形状，控制获得的微滴的尺寸。
微滴15可在与工艺相同的微流体系统上或在不同的装置上产生。在后一种情况下，微滴15可在注入微流体系统之前储存在一个或多个外部容器中。这些微滴15可能全部相同，或者其中一些可能具有不同的组成、浓度和/或尺寸。
在形成这些微滴15后，可通过流体流夹带和/或通过梯度或轨道形式的浮凸将其输送至毛细管阱12。在这两种情况下，轨道的添加可以选择性地优化毛细管阱12的填充，例如通过结合使用红外激光器，如由E.Fradet，C.McDougall，P.Abbyad，R.Dangla，D.McGloin和C.N.Baroud在“Combining rails and anchors with laser forcing for selectivemanipulation within 2D droplet arrays.,”中所述(Lab Chip，第11卷，第24期，第4228-34页，2011年12月)。
如果微滴生产是在微流体装置外部进行的，则微滴从储存器到微流体装置1的运输可直接通过例如连接生产系统和捕集系统的管进行，或通过注射器抽吸和注射进行。
捕集在毛细管阱中的微滴15则包括溶胶，该溶胶通过溶胶-凝胶工艺形成溶胶-凝胶基质。在前面描述的工艺中，一旦形成溶胶，则溶胶-凝胶工艺在捕集微滴15之前开始。然后，优选凝胶时间小于溶胶制备和微滴15捕集之间所需的时间，以避免在毛细管阱12外部形成溶胶-凝胶基质，这将阻止毛细管阱外部的相关微滴。
作为变型，通过在每个毛细管阱12中聚结多个微滴，可以分几个步骤形成包括被捕集在毛细管阱12中的溶胶的微滴15。可在一个或多个步骤中添加允许形成包括溶胶的微滴的微滴。通过添加互补的微滴，在微滴中分几步制备溶胶，可以使可能性成倍增加。可以在毛细管阱中具有完全相同的第一微滴，并将不同组成的互补的微滴加入其中和/或以不同量添加到不同的毛细管阱中。这也允许仅在毛细管阱12中形成溶胶-凝胶基质，只要溶胶不完整，溶胶-凝胶过程就不会发生。例如，包括溶胶的一部分的第一溶液的微滴可以通过前述方法中的一者被捕集在毛细管阱12中，并且包括溶胶的另一部分(例如水)的互补的微滴随后可以被添加并捕集在每个毛细管阱12中，通过聚结形成包括溶胶的微滴15。
聚结可以是选择性的，或者可以不是选择性的。
为了在捕集室20中融合所有接触的微滴，可向该装置灌注无表面活性剂的流体。微流体系统流体中的表面活性剂浓度降低，使得界面处的表面活性剂吸附平衡转向解吸。这些微滴失去了其稳定作用，并与其接触的微滴自发融合。
作为变型，微流体装置注入含有失稳剂的流体。例如，在含水微滴的情况下，失稳剂为氟油中的1H,1H,2H,2H-全氟辛烷-1-醇。
作为变型，通过提供外部物理刺激，诸如机械波、压力波、温度变化或电场，使捕集室20中接触的所有微滴融合。
如由E.Fradet、P.Abbyad、M.H.Vos和C.N.Baroud在“Parallel measurements ofreaction kinetics using ultralow-volumes.,”(Lab Chip，第13卷，第22号，第4326-30页，2013年10月)中所述，可使用红外激光选择性地融合微滴，或者如图51中所示，位于捕集区之间的微滴界面处的电极37可以被激活，或者机械波可以聚焦在一个或多个点上。
本发明不限于上述聚结示例。任何破坏接触的两个微滴之间界面稳定性的方法都可用于融合微滴。
然后可以测量所获得的微滴的状态和/或对所述微滴进行实时观察。例如，这使能够研究溶胶-凝胶过程。
上述捕集方法允许在毛细管阱中捕集相同和/或不同的微滴15，尤其是具有不同溶胶组成或不同溶胶化合物浓度的微滴。
在该溶胶-凝胶过程中，每个溶胶-凝胶基质通过溶胶-凝胶基质收缩的步骤排出溶剂，换句话说，脱水收缩和溶剂蒸发(也称为基质干燥)，以形成包括溶胶-凝胶基质的微珠，如图7所示。在如上所述的微流体装置中，微滴15被封装在微流体装置中。在这种情况下，当所述壁为气体多孔的时，溶剂可以通过装置的壁蒸发，尤其是通过由PDM制成的壁或通过入口通道30和出口通道34之间的微流体装置中的气体循环而蒸发。脱水收缩步骤中溶剂的蒸发可通过控制多孔壁的孔尺寸和/或通过控制微流体装置中气体的流速来控制。
优选地，微流体装置1包括用于控制捕集室20中的温度的系统(未示出)，其使得能够尤其控制溶胶-凝胶基质的形成。该控制系统尤其使得能够在捕集微滴15期间降低微流体装置1的温度，以减缓凝胶的形成并防止在捕集微滴15之前形成所述凝胶，和/或在溶胶-凝胶基质形成期间提高微流体装置的温度以加速其形成。优选地，捕集期间微流体装置的温度在0℃和30℃之间，更好地在5℃和15℃之间，并且溶胶-凝胶基质形成期间微流体装置的温度在20℃和80℃之间，更好地在20℃和60℃之间，甚至更好地在30℃和50℃之间。
在上述示例中，微滴15还可包括并入到溶胶-凝胶基质中的一个或多个分子传感器，其具有光学性质(尤其是在颜色或荧光方面)，其在与特定目标分析物接触时发生变化。光学性质的变化可以通过与目标分析物的反应或结合来发生，并且可以通过简单地观察位于毛细管阱12中的微滴15，快速检测与微滴接触的流体中是否存在相应的目标分析物。在分子传感器与相应目标分析物形成结合(bond)的情况下，也可以通过回收毛细管阱中的微滴来收集分析物。
分子传感器可包括选自以下的检测分子：4-氨基-3-戊烯-2-酮、对二甲氨基苯甲醛、对二甲氨基肉桂醛、对甲氧基苯甲醛、4-甲氧基萘甲醛、巴豆酸、对重氮苯磺酸、4-氨基安替比林、胭脂红靛蓝、醌化合物、碘化物和化合物(该化合物选自淀粉、直链淀粉、支链淀粉、木聚糖、壳聚糖、糖原、聚乙烯醇或聚乙烯醇化合物、纤维素或纤维素化合物、α-环糊精、可可碱、和聚氧化丙烯和聚氧化乙烯的嵌段聚合物)的混合物、包括苯酚和硝普钠的传感器、以及通过引用并入本文的专利申请WO 2005/100371中所述的化合物。可添加诸如溶剂、氧化剂、还原剂、酸或碱的添加剂，以促进与目标分析物的反应。该列表并非是详尽的：任何单独地或与其他分子组合允许与目标分析物进行或多或少选择性相互作用或化学功能的分子，尤其是聚合物、络合剂、有色pH指示剂、染料、荧光团、酞菁和卟啉，都可以被添加到分子传感器中。
每个分子传感器都可以检测选自挥发性有机化合物的目标分析物，尤其是来自ANSE(Agence Nationale de Sécurité Sanitaire de l’alimentation de l’environnement et du travail)的优选污染物列表中定义的目标分析物，尤其是醛(如甲醛、乙醛和己醛)、一氧化碳或二氧化碳、双氧、氢、苯酚及其衍生物、吲哚化合物(尤其是吲哚)、粪臭素(scatole)或色氨酸、氯胺、二氧化氮、臭氧、卤化化合物(尤其是三氟化硼、其衍生物和三氯化硼)、芳香烃(例如萘、苯、甲苯)，和非芳香烃(如戊烷、己烷和庚烷、丙烯醛、二氧化氮和乙苯)。
在溶胶微滴中构成分子传感器的检测分子的浓度可以调整为具有最高的可能浓度，同时在微滴中保持可溶性，并以专用于分析的最终形式，尤其是凝胶或固体材料。最佳浓度取决于构成分子传感器的分子和溶胶-凝胶配方。例如，利用溶胶配方来检测甲醛的4-氨基-3-戊烯-2-酮在作为微滴15前体的溶胶中的浓度优选地在0.05M和0.4M之间，更好地在溶胶中在0.2M和0.3M之间，该溶胶配方含有丁醇锆、乙酸乙酯、丁醇、TEOS和水，其各自的摩尔比例为(1:1:16:1:22)。
微滴15可以全部包括相同浓度的相同分子传感器，或者可以包括不同的分子传感器或不同浓度的分子传感器。
作为变型，微滴15可各自包括对目标分析物具有不同响应(例如不同颜色)的多个分子传感器。
分子传感器可在捕集之前在溶胶形成期间直接插入溶胶中，或可以直接插入包括溶胶的一部分的第一溶液中。
作为变型，可将分子传感器以额外微滴的形式插入毛细管阱12中，然后在形成凝胶之前与包括溶胶的一部分或者包括溶胶的微滴融合，或者与包括正在形成的凝胶的微滴融合。额外微滴可以相同或不同，并且可以尤其包括一个或多个不同的分子传感器和/或不同浓度的分子传感器，和/或每个毛细管阱中捕集的额外微滴的数量可以相同或不同。
如通过引用并入的专利申请FR 3 056 927中所述，可以通过微滴的形式和添加额外微滴或补充微滴的过程来控制补充微滴或额外微滴的添加。
然后可以清楚地看到，前面描述的各种过程，结合微流体装置1的形式，尤其是毛细管阱12的形式，以及微滴的组成和形式，使得能够获得用于执行研究或统计测量和/或多路复用的广泛多样性的装置。
必须检测分析物的浓度通常与精确规范(尤其是特定工业过程)或法规响应相关。微滴的组成和溶胶-凝胶基质的形成取决于必须根据规范和/或法规检测的浓度。例如，法国关于甲醛的现行法规规定，在处于甲醛阈值100μg/m3及以上采取行动。在实施例中形成的包括溶胶-凝胶基质的微滴15优选地能够检测浓度在10μg/m3和500μg/m3之间的甲醛。
该装置还可以根据待测流体在微流体装置上的位置来确定待测流体中的分析物浓度或待测流体中分析物的浓度梯度，特别是通过可视化每个包括溶胶-凝胶基质的微滴15的检测强度。
在检测目标分析物的步骤期间，待测流体优选地通过入口通道30引入装置中，尤其是通过未示出的流体循环系统，并在装置中循环以与微滴15接触。
作为变型，当待测试流体为气态时，通过扩散穿过微流体装置的多孔壁、特别是由PDMS制成的多孔壁，使其与微滴15接触。然后该装置只需放置在含有待测气体的环境中。
作为进一步的变型，待测试的流体以液体形式被插入到装置中以形成由如前所述的步骤40界定的液体前端，然后将微滴15设置成与来自液体的扩散到微流体装置中的蒸汽接触。
图8和图9示意性地描绘了根据本发明的微流体装置1的第三实施方式，其与前述装置的不同之处在于该装置包括捕集多个包括溶胶-凝胶基质的微滴15的毛细管阱12。在该装置中，微滴12优选在被捕集之前形成。在所示的实施例中，毛细管阱12由上壁4中的空腔形成，并且包括溶胶-凝胶基质的微滴15在毛细管阱12中形成微滴柱。优选地，在这样的每个毛细管阱12包括数个微滴的装置中，微滴15包括用于防止液滴相互聚结的表面活性剂。
在该实施方式中，包括溶胶的微滴15在被捕集在毛细管阱12中之前形成。
实施例1
为了获得丁醇锆溶液，在室温(20℃)下，用相等比例的丁醇锆和乙酰乙酸盐以丁醇为溶剂制备第一混合物。在优选模式下，各自的摩尔比例为(1:1:16)。将混合物静置过夜，然后向其中添加TEOS和水，以获得最终的各自摩尔比例(1:1:16:1:22)，然后剧烈搅拌。然后在20℃，将获得的溶胶溶液快速引入根据上述第二实施方式的微流体装置中，其预先填充氟油。溶胶溶液通过前面描述的破碎方法分布在毛细管阱中。然后将微系统加热至例如40℃，以加速微滴15中凝胶的形成、溶剂通过微流体装置的PDMS壁的脱水收缩和蒸发。
然后获得如图7所示的微流体装置。
实施例2
按照实施例1制造微流体装置，除了在添加TEOS和水之前将4-氨基-3-戊烯-2-酮溶解在丁醇锆溶液中外。4-氨基-3-戊烯-2-酮是用于检测甲醛的检测单元(unit)。在甲醛的存在下，它从无色变为深黄色，发出黄色荧光。
确实形成了微滴15。
实施例3
根据前述方法通过定位液态甲醛溶液60的前端，将如实施例2中制造的微流体装置连续暴露于气态甲醛中。随着时间观察到微滴15的荧光。图10显示了在给定时间该装置靠近液体前端60的部分的照片。从该图中可以看出，靠近液体前端的微滴15的荧光大于距离较远的微滴15的荧光。根据微滴15与液体前端的距离，将装置中的微滴15分为三组，且在图11中根据组的荧光的统计测量值是根据时间的，A组最靠近液体前端60，C组最远离液体前端60。由曲线A表示的A组微滴15最具有荧光性，而由曲线C表示的C组微滴15最不具有荧光性。对微滴15的荧光监测说明了气态甲醛和微滴中的4-氨基-3-戊烯-2-酮之间的反应。根据距前端的距离，强度随时间推移逐渐增加，说明了测量流体中气态甲醛浓度的可能性。因此，微滴15检测甲醛的存在，并根据其浓度正确响应。此外，它们能够记录微小的局部变化。微滴在柱中的重新分组清楚地表明，该微系统使得能够用单个微系统来以统计方式测量浓度。
实施例4
将荧光微珠50添加到根据实施例1制造的微流体装置的溶胶中，然后注入微流体系统中。封闭在毛细管阱12中的溶胶微滴15受到油流的影响，油流导致微珠在溶胶中的移动。当凝胶凝固时，珠的移动停止，在图12中可以看出，其中在不同时间在微滴15中观察到荧光微珠50，从而能够确定与溶胶形成和凝胶凝固之间的时间相对应的凝胶时间。该观察是在不同温度下进行的，如图13所示，显示了微流体装置中以统计方式测量的凝胶时间tG随着温度T的变化。微流体装置中的温度由珀尔贴效应(Peltier-effect)模块控制，微流体装置位于该模块上，并且在几个微滴、尤其是20个微滴上进行凝胶时间的估算，以便获得统计测量值。
在微流体装置中测得的凝胶时间比在管中通常测得的凝胶时间短得多。图14显示了一条表示数学关系的曲线，这使得研究的溶胶-凝胶基质可以从一个到另一个。
也可以观察随着时间的脱水收缩，如图15所示，图15示出在脱水收缩后t＝0和t＝65小时的三个微滴15。然后可以以统计方式测量微滴16随时间的尺寸，如图15所示。该曲线是通过拍摄在十个不同阱中的十个微滴在不同时间一系列图像，并通过测量每个图像中的微滴尺寸来获得的。微滴15的尺寸从380μm到175μm不等，收缩率超过50％。这尤其使得可以优化用于制备用于检测分析物的微流体装置的溶胶-凝胶工艺。
实施例5
图17和图18中的曲线是使用与实施例4相同的程序获得的，但使用不同的溶胶且并在更宽的温度范围内获得的。为了获得正硅酸四甲酯(TMOS)溶液，在室温(20℃)用TMOS和水以甲醇作为溶剂制备第一混合物。TMOS、甲醇和水的摩尔比例分别为1:2:4。将混合物在70℃加热10分钟，然后向其中添加水，以获得最终的各自摩尔比例1:2:9，然后剧烈搅拌。将荧光微珠50添加到制备的微流体装置的溶胶中，然后注入预填充有氟油的微流体系统中。将溶胶溶液通过前面描述的破碎方法分布在毛细管阱中。然后将微系统加热到给定温度T。
凝胶时间是通过观察珠的移动来确定的。该观察是在不同温度进行的，如图17所示，示出根据温度T的微流体装置中以统计方式测量的凝胶时间tG。本实施例中定义的溶胶可用于至多70℃的微流体装置中。
图18示出表示数学关系的曲线，该数学关系使得可以从根据本发明的微流体装置到用于所研究的溶胶-凝胶基质的常规管。
如实施例4和5中清晰所见，通过使用相同的溶胶-凝胶过程研究微滴，可以在宏观尺度上预测溶胶-凝胶过程的凝胶时间。这使得可以非常快速地在根据本发明的微流体装置中测量不同的凝胶时间，而无需执行宏观实验，从而节省时间、自动化测量并消耗更少的试剂。

Claims (30)

1.一种微流体装置(1)，包括：
-至少一个毛细管阱(12)，以及
-至少一个包括溶胶-凝胶基质的微滴(15)，所述微滴(15)被捕集在所述毛细管阱(12)中。
2.根据权利要求1所述的装置，包括多个间隔开的毛细管阱(12)和多个微滴(15)，每个微滴(15)包括溶胶-凝胶基质，所述微滴(15)各自被捕集在毛细管阱(12)的一者中。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述毛细管阱(12)的数量大于或等于10，更好地是大于或等于100，优选在100和1000之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述毛细管阱(12)各自在所述微流体装置(1)的壁(4，6)中形成空腔。
5.根据权利要求4所述的装置，所述装置的在所述毛细管阱(12)边缘处的高度H小于或等于所述被捕集的包括溶胶-凝胶基质的微滴(15)或每个被捕集的包括溶胶-凝胶基质的微滴(15)的最小尺寸、尤其小于或等于在所述溶胶-凝胶基质的溶胶-凝胶过程的脱水收缩步骤后所述被捕集的微滴(15)或每个被捕集的微滴(15)的最小尺寸，所述高度H对应于形成所述空腔的壁(4，6)和所述毛细管阱(12)边缘处的相反壁(4，6)之间的距离。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，在溶胶-凝胶过程的脱水收缩和/或干燥步骤后，所述微滴(15)或每个微滴(15)中的溶胶-凝胶基质是凝胶形式或固体形式。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置(1)在所述毛细管阱(12)或每个毛细管阱(12)中仅包括一个微滴(15)，所述微滴(15)包括溶胶-凝胶基质。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，包括多个在所述毛细管阱或每个毛细管阱中的包括溶胶-凝胶基质的微滴，所述包括溶胶-凝胶基质的微滴尤其成列布置在所述毛细管阱中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置(1)包括多个微滴(15)，所述多个微滴(15)都包括基本上相同的溶胶-凝胶基质。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述微滴(15)各自包括一个或多个在溶胶-凝胶基质中的分子传感器，所述传感器各自配置为检测目标分析物的存在。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述分子传感器或每个分子传感器配置为具有光学特性，尤其是颜色、吸光度、反射率、荧光或发光，所述光学特性在存在目标分析物时是不同的，尤其是通过与所述目标分析物的反应或结合。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其中，所述微滴(15)包括至少两个不同的用于检测不同目标分析物的分子传感器。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其中，至少一个微滴(15)包括在所述溶胶-凝胶基质中的至少两个不同的分子传感器，所述分子传感器配置为检测不同目标分析物的存在，所述分子传感器优选在存在相应目标分析物时具有彼此不同的光学特性。
14.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其中，至少两个微滴(15)包括用于检测不同目标分析物的不同分子传感器。
15.根据权利要求10至13中任一项所述的装置，其中，至少两个微滴(15)包括不同浓度的至少一个分子传感器。
16.一种用于制造微流体装置(1)、尤其是如前述权利要求中任一项所述的微流体装置的方法，所述方法包括：将至少一个包括溶胶的微滴(15)捕集在所述微流体装置的毛细管阱(12)中，以及通过溶胶-凝胶过程使用所述溶胶在所述微滴(15)中形成溶胶-凝胶基质。
17.根据权利要求16所述的方法，包括：将多个包括溶胶的微滴(15)捕集在所述微流体装置(1)的一个或多个毛细管阱(12)中，以及通过溶胶-凝胶过程使用所述溶胶在每个微滴(15)中形成溶胶-凝胶基质。
18.根据权利要求16或17所述的方法，包括：在所述溶胶-凝胶基质形成之前或之后，优选在脱水收缩步骤之前，添加一个或多个分子传感器到所述微滴中，每个分子传感器能够检测至少一个目标分析物。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，将一个或多个各自包括溶胶的微滴(15)捕集在所述毛细管阱(12)中包括：
(i)将包括所述溶胶的一部分的第一微滴捕集在所述毛细管阱或每个毛细管阱中，
(ii)将一个或多个互补的微滴n次依次添加到所述微流体装置中，以将其捕集在所述毛细管阱(12)或每个毛细管阱(12)中，所述互补的微滴包括溶胶的另一部分、尤其是水，n是优选在1和10之间的整数，以及将所述第一微滴和所述互补的微滴在每个毛细管阱(12)中聚结以获得所述包括溶胶的微滴(15)，所述聚结在每次依次添加后或在所有依次添加后发生；
(iii)任选地添加额外的微滴到所述微流体装置中，所述额外的微滴包括一个或多个分子传感器，将所述额外的微滴捕集在所述毛细管阱(12)中，并将所述额外的微滴和所述微滴在所述毛细管阱或每个毛细管阱中聚结，步骤(iii)在步骤(ii)之前或之后发生。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，包括在捕集在所述毛细管阱中的步骤之前，形成所述包括溶胶的微滴(15)的先前步骤或形成包括所述溶胶的一部分的第一微滴的先前步骤。
21.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中，捕集所述包括溶胶的微滴(15)或者捕集包括所述溶胶的一部分的所述第一微滴包括：
-用第一溶液(42)填充所述微流体装置(1)，所述第一溶液包括所述溶胶或溶胶部分以及任选地一个或多个在所述溶胶中的分子传感器，
-在所述毛细管阱(12)上游注入第二溶液(44)，以将第一溶液推向所述微流体装置(1)的所述毛细管阱下游的出口，所述微流体装置(1)配置成在将所述第二溶液注入所述微流体装置(1)期间，能够在所述毛细管阱(12)或每个毛细管阱(12)中形成所述第一溶液(42)的微滴。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的方法，其中，所述溶胶的凝胶时间大于或等于5分钟，更好地大于或等于10分钟。
23.根据权利要求16至22中任一项所述的方法，包括在所述方法期间控制所述微流体装置(1)的温度，尤其是在捕集所述包括溶胶的微滴(15)期间降低所述微流体装置的温度，以及在形成所述溶胶-凝胶基质期间提高所述微流体装置的温度。
24.根据权利要求16至23中任一项所述的方法，包括通过所述微流体装置(1)的气体多孔表面蒸发所述溶胶-凝胶基质中含有的溶剂或通过所述微流体装置(1)中的流体在所述毛细管阱上游的至少一个入口通道(30)和所述毛细管阱(12)下游的至少一个出口通道(34)之间循环来脱水收缩，尤其是控制所述溶胶-凝胶基质的形成，特别是控制脱水收缩和干燥步骤。
25.一种用于检测和/或捕集待测试流体中的一个或多个分析物的方法，所述待测试流体尤其是液体或气体，所述方法使用如权利要求1至15中任一项所述的微流体装置(1)或通过权利要求16至24中任一项所述的方法制造的微流体装置(1)，捕集在毛细管阱中的微滴(15)各自包括在溶胶-凝胶基质中的一个或多个分子传感器，所述分子传感器配置成检测和/或捕集一个或多个目标分析物，所述方法包括将捕集在所述微流体装置中的微滴(15)暴露于待测试流体并且检测和/或捕集所述待测试流体中的目标分析物。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述流体是气体、尤其是环境空气，并且借助于微流体系统，尤其是泵、注射泵或压差，所述微滴的暴露通过所述微流体装置(1)的气体多孔壁发生或通过所述微流体装置(12)中的气体从所述微流体装置的所述毛细管阱(12)上游的入口通道(30)到所述微流体装置的所述毛细管阱(12)下游的出口通道(34)的循环发生。
27.根据权利要求25所述的方法，包括将液体引入所述微流体装置(1)中，直到在所述微滴(15)附近形成液体前端、尤其是沿着所述微流体装置(1)中的台阶，所述微滴(15)不与所述液体接触，所述微滴(15)暴露于由所述微流体装置(1)中的液体从所述液体前端蒸发所形成的气体。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，包括确定所述待测试流体中至少一个目标分析物的浓度，尤其是通过测量的光学特性的强度，尤其是颜色强度、荧光强度或发光强度，所述微流体装置中的所述微滴(15)或每个微滴(15)暴露于所述浓度。
29.一种用于评估微流体装置(1)中的溶胶-凝胶基质的方法，所述微流体装置(1)如权利要求1至15中任一项所述或通过权利要求16至24中任一项所述的方法制造，被捕集在毛细管阱(12)中的微滴(15)包括所述溶胶-凝胶基质。
30.根据权利要求29所述的方法，包括在所述微滴(15)中形成溶胶-凝胶基质期间评估所述溶胶的凝胶时间，尤其是从中推断宏观体积的溶胶-凝胶材料的凝胶时间。
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