CN114798027B - 微液滴捕获微流控结构及具有其的芯片和捕获/释放方法 - Google Patents

微液滴捕获微流控结构及具有其的芯片和捕获/释放方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微液滴捕获微流控结构及具有其的芯片和捕获/释放方法，微液滴捕获微流控结构包括微液滴捕获单元，在微液滴捕获单元的微通道上设置液滴捕获区，液滴捕获区设置捕获微液滴的介质层；微液滴捕获微流控芯片包括微液滴生成单元和上述的微液滴捕获单元，微液滴生成单元的微通道出口连通微液滴捕获单元的微通道入口；微液滴捕获/释放方法采用上述的微液滴捕获单元，或者采用上述的一种微液滴捕获微流控芯片，通过控制微液滴捕获单元的微通道流速以控制被介质层捕获的微液滴从液滴捕获区中释放出来。本发明简化了微流控芯片的几何结构，降低了液滴分选和回收的难度。

Description

微液滴捕获微流控结构及具有其的芯片和捕获/释放方法
技术领域
本发明涉及液滴微流控技术领域，更具体的说是涉及一种基于亲疏水图案化表面的微液滴捕获微流控结构及具有其的芯片和捕获/释放方法。
背景技术
微流控技术是在微纳米尺度下操控流体的技术，它可以将生物、化学等领域中涉及到的样品处理、生化反应、分析检测等基本操作单元集成在一块几平方厘米大小的芯片上，不仅能够大大降低试剂样本等的消耗，还能显著提高反应的效率和通量。液滴微流控技术作为微流控技术的一个重要分支，主要是在微纳米尺度下利用互不相溶的两相液体所产生的微量(10-5～10-9L)液体单元，即微液滴，来进行实验操作。微液滴之间互不相融，每个液滴都可以作为一个独立的微反应器，再加上液滴微流控技术所特有的制备速度快、均一性好、尺寸可控、便于集成等优势，液滴微流控技术在生物医药、材料化工等领域展现出了巨大的应用前景。
液滴微流控技术通常涉及到液滴的生成、分裂/融合、捕获、反应、检测和分选等操作，其中液滴捕获可使液滴固定在芯片的特定位置，便于后续的观察和检测。目前常用的液滴捕获方法主要是几何诱导液滴捕获方法，即通过特殊的几何“陷阱”结构实现液滴捕获，此类方法的芯片几何结构较为复杂，捕获后的液滴难以释放，不利于后续液滴分选和回收功能的实现。
因此，如何提供一种微液滴捕获微流控结构及具有其的芯片和捕获/释放方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种微液滴捕获微流控结构及具有其的芯片和捕获/释放方法，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种微液滴捕获微流控结构，包括微液滴捕获单元，在所述微液滴捕获单元的微通道上设置液滴捕获区，所述液滴捕获区设置捕获微液滴的介质层。
所述微液滴为油包水(water in oil，W/O)微液滴，所述介质层具有亲水表面，所述微通道具有疏水材料层或为疏水材料制成；或者，所述微液滴为水包油(oil in water，O/W)微液滴，所述介质层具有疏水表面，所述微通道具有亲水材料层或为亲水材料制成。
优选的，所述微通道包括微通道单元，所述微通道单元包括第一流道及第二流道，所述第一流道两端为入口通道和出口通道，所述第二流道与所述第一流道并联在所述入口通道和出口通道之间；所述介质层设置在所述入口通道和出口通道之间的所述第一流道内。
在无所述微液滴流入的情况下，所述第一流道的流阻小于第二流道的流阻，因此，当有O/W液滴通过入口通道进入所述液滴捕获区时，该液滴会优先流入所述第一流道，从而被固定在所述液滴捕获区。
在已有W/O液滴被捕获在所述第一流道的情况下，所述第一流道的流阻会大于所述第二流道的流阻，此后所有流入所述微液滴捕获单元的微液滴则会依次通过所述入口通道、所述第二流道，最后从所述出口通道流出所述微液滴捕获单元。
优选的，所述亲水材料层或亲水材料为玻璃，所述疏水材料层或疏水材料为PDMS。进一步地，所述亲水表面、亲水材料层或亲水材料为玻璃或其他通过亲水表面处理(如等离子体处理、化学液相沉积、紫外辐射等)制得的材料；所述疏水表面、疏水材料层或疏水材料为PDMS或其他通过疏水表面处理(如物理气相沉积、化学液相沉积等)制得的材料。
如为了捕获油包水(water in oil，W/O)液滴，微液滴捕获单元整体采用PDMS疏水材料制备，只在所述液滴捕获区进行亲水介质层的涂覆处理。如此一来，当内部为水相的W/O液滴以一定流速流经所述液滴捕获区时，就能够被亲水表面捕获住。
优选的，所述微通道单元的数量为多个且依次布置，相邻两个所述微通道单元的出口通道的出口和入口通道的入口依次连通。
优选的，所述介质层的材料为亲疏水可逆转换材料。例如，光致亲疏水转换表面，如偶氮苯/Si微柱表面、TiO2纳米柱表面等，在UV照射下，光致亲疏水转换表面转变为亲水表面；而在可见光或黑暗状态下，光致亲疏水转换表面则可以重新变回疏水状态。
具体的：偶氮苯/Si材料在紫外光照射下可由疏水表面转换为亲水表面，在可见光照射下则可重新变回疏水表面。这主要是因为偶氮苯类化合物的分子结构中含有的－N＝N－键会在紫外/可见光或热的作用下发生顺-反或反-顺异构，而其光转换反式和顺式异构体对应于不同的偶极矩和表面润湿性(可参考文献：WH Jiang,et al.Chem.Commun.2005,3550–3552)，偶氮苯/Si材料在紫外光和可见光照射条件下的可逆转换反应方程式为：
TiO2纳米材料在UV照射下可由疏水表面转换为亲水表面，在黑暗状态下则可重新变回疏水表面。这主要是因为TiO2是一种光敏材料，当薄膜被紫外光照射时，由紫外光诱导的空穴会与晶格氧发生反应，形成表面氧空位，水分子与之发生动力学配位，因此可以大大提高表面的亲水性。羟基吸附后，表面转变为能量亚稳态，当薄膜置于黑暗中时，吸附的羟基可以逐渐被大气中的氧气取代。随后，表面又恢复到原来的状态，表面润湿性又从亲水性转变回疏水性。
类似地还有温度敏感材料，如聚N-异丙基丙烯酰胺(聚N-异丙基丙烯酰胺的大分子链上同时具有亲水性的酰氨基和疏水性的异丙基，因此线型PNIPAM的水溶液以及交联后的PNIPAM水凝胶都具有温度敏感特性)；类似地还有电场敏感材料，如聚吡咯(在电场作用下，电子或空穴在共轭π键之间迁移使粒子快速而高度极化，从而改变材料的亲疏水性)等。
。采用此类亲疏水可逆转换表面可实现微液滴的可控捕获与释放。
优选的，所述第二流道设有微阀，来实现微液滴的可控捕获与释放。阀门开启时，除了被液滴捕获区捕获住的微液滴以外，其他流体可正常通过第二流道。而当阀门关闭时，流体无法在第二流道内流通，此时可通过增大流速的方式将被捕获的微液滴从液滴捕获区中释放出来。
本发明还提供了一种微液滴捕获微流控芯片，包括微液滴生成单元和上述的微液滴捕获单元，所述微液滴生成单元的微通道出口连通所述微液滴捕获单元的微通道入口。
其中，所述微液滴生成单元包括由第一流体入口通道、第二流体入口通道和生成单元入口通道组成的三通通道；所述第一流体入口通道的端头与第一进液口连通，所述第二流体入口通道的端头与第二进液口连通，所述生成单元入口通道的端头与所述微液滴捕获单元的微通道入口连通；所述微液滴捕获单元的微通道出口依次连通有终端出口通道和出液口。
所述第一进液口和第二进液口分别用于引入水相和油相流体，两相流体分别通过所述第一流体入口通道和第二流体入口通道汇合于所述生成单元入口通道，由此生成的微液滴可通过生成单元入口通道被引入到微液滴捕获单元内。除了被微液滴捕获单元捕获住的微液滴，其他流体则通过终端出口通道和出液口排出。
本发明还提供了一种微液滴捕获/释放方法，采用上述的微液滴捕获单元，或者采用上述的一种微液滴捕获微流控芯片，通过控制所述微液滴捕获单元的微通道流速以控制被所述介质层捕获的所述微液滴从所述液滴捕获区中释放出来。
本发明提供了一种基于亲疏水图案化表面的微液滴捕获方法，该方法简化了微流控芯片的几何结构，降低了液滴分选和回收的难度。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种微液滴捕获微流控结构及具有其的芯片和捕获/释放方法，具有以下有益效果：
1、本发明基于亲疏水图案化的液滴捕获方法，能够简化微流控芯片的几何结构，降低微流控芯片的加工成本。
2、本发明还能降低微液滴分选和回收的难度，能通过控制流速或通道表面的亲疏水性质等方式来实现微液滴的捕获或释放。
3、本发明基于亲疏水图案化的液滴捕获阵列可实现高通量的微液滴捕获。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的微液滴捕获微流控结构的结构示意图；
图2附图为本发明提供的微液滴捕获微流控芯片的结构示意图。
其中：
10-微液滴捕获单元；100-微通道单元；101-入口通道；102-第一流道；103-第二流道；104-出口通道；105-液滴捕获区；200-第一进液口；300-第二进液口；400-出液口；500-第一流体入口通道；600-第二流体入口通道；700-生成单元入口通道；800-终端出口通道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参见附图1，本发明实施例公开了一种微液滴捕获微流控结构，包括微液滴捕获单元10，在微液滴捕获单元10的微通道上设置液滴捕获区105，液滴捕获区105设置捕获微液滴的介质层。
微通道包括微通道单元100，微通道单元100包括第一流道102及第二流道103，第一流道102两端为入口通道101和出口通道104，第二流道103与第一流道102并联在入口通道101和出口通道104之间；介质层设置在入口通道101和出口通道104之间的第一流道102内。
实施例2：
在实施例1的基础上，微液滴为油包水微液滴，介质层具有亲水表面，微通道具有疏水材料层或为疏水材料制成。
为了进一步优化上述技术方案，亲水表面的材质为玻璃，疏水材料层或疏水材料为PDMS。
实施例3：
在实施例1的基础上，微液滴为水包油微液滴，介质层具有疏水表面，微通道具有亲水材料层或为亲水材料制成。
为了进一步优化上述技术方案，疏水表面的材质为PDMS，亲水材料层或为亲水材料为玻璃。
实施例4：
在实施例1的基础上，介质层的材料为亲疏水可逆转换材料。
在本实施例中，亲疏水可逆转换材料为偶氮苯/Si材料或TiO2纳米材料，在UV照射下，光致亲疏水转换表面转变为亲水表面；而在可见光或黑暗状态下，光致亲疏水转换表面则可以重新变回疏水状态。采用此类亲疏水可逆转换表面可实现微液滴的可控捕获与释放。
实施例5：
在实施例1至实施例4任一种实施例的基础上，微通道单元100的数量为多个且依次布置，相邻两个微通道单元100的出口通道104的出口和入口通道101的入口依次连通。
实施例6：
在实施例1至实施例5任一种实施例的基础上，第二流道103设有微阀。通过控制微液滴捕获单元10的微通道流速以控制被介质层捕获的微液滴从液滴捕获区105中释放出来。
阀门开启时，除了被液滴捕获区105捕获住的微液滴以外，其他流体可正常通过第二流道103。而当阀门关闭时，流体无法在第二流道103内流通，此时可通过增大流速将被捕获的微液滴从液滴捕获区105中释放出来。
实施例7：
参见附图2，本发明实施例公开了一种微液滴捕获微流控芯片，包括微液滴生成单元和实施例1至实施例6任一种实施例的微液滴捕获单元10，微液滴生成单元的微通道出口连通微液滴捕获单元10的微通道入口。
微液滴生成单元包括由第一流体入口通道500、第二流体入口通道600和生成单元入口通道700组成的三通通道；第一流体入口通道500的端头与第一进液口200连通，第二流体入口通道600的端头与第二进液口300连通，生成单元入口通道700的端头与微液滴捕获单元10的微通道入口连通；微液滴捕获单元10的微通道出口依次连通有终端出口通道800和出液口400。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种微液滴捕获微流控结构，其特征在于，包括微液滴捕获单元(10)，在所述微液滴捕获单元(10)的微通道上设置液滴捕获区(105)，所述液滴捕获区(105)设置捕获微液滴的介质层；所述微液滴为油包水微液滴，所述介质层具有亲水表面，所述微通道具有疏水材料层或为疏水材料制成；或者，所述微液滴为水包油微液滴，所述介质层具有疏水表面，所述微通道具有亲水材料层或为亲水材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种微液滴捕获微流控结构，其特征在于，所述亲水表面、亲水材料层或亲水材料为玻璃，所述疏水表面、疏水材料层或疏水材料为PDMS。
3.根据权利要求1所述的一种微液滴捕获微流控结构，其特征在于，所述微通道包括微通道单元(100)，所述微通道单元(100)包括第一流道(102)及第二流道(103)，所述第一流道(102)两端为入口通道(101)和出口通道(104)，所述第二流道(103)与所述第一流道(102)并联在所述入口通道(101)和出口通道(104)之间；所述介质层设置在所述入口通道(101)和出口通道(104)之间的所述第一流道(102)内。
4.根据权利要求3所述的一种微液滴捕获微流控结构，其特征在于，所述微通道单元(100)的数量为多个且依次布置，相邻两个所述微通道单元(100)的所述出口通道(104)的出口和所述入口通道(101)的入口依次连通。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种微液滴捕获微流控结构，其特征在于，所述介质层的材料为亲疏水可逆转换材料。
6.根据权利要求5所述的一种微液滴捕获微流控结构，其特征在于，所述亲疏水可逆转换材料为偶氮苯/Si材料或TiO2纳米材料。
7.根据权利要求3和4中任一项所述的一种微液滴捕获微流控结构，其特征在于，所述第二流道(103)设有微阀。
8.一种微液滴捕获微流控芯片，其特征在于，包括微液滴生成单元和权利要求1至7任一项所述的微液滴捕获单元(10)，所述微液滴生成单元的微通道出口连通所述微液滴捕获单元(10)的微通道入口。
9.一种微液滴捕获/释放方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的微液滴捕获单元(10)，或者采用权利要求8所述的一种微液滴捕获微流控芯片，通过控制所述微液滴捕获单元(10)的微通道流速以控制被所述介质层捕获的所述微液滴从所述液滴捕获区(105)中释放出来。
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