CN115350734A - 一种层叠式多通道液滴微流控芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种层叠式多通道液滴微流控芯片及制备方法，本发明通过将微流控管路布置在结构相同的基底上，以层叠方式构成任意的多通道微流控芯片，便于微流控芯片组件的批量生产，避免了传统微流控芯片由于较大长宽比引起的翘曲变形，进而影响微流道结构和密封性。另外，本发明通过引入柔性密封垫圈与其他刚性组件的机械配合，在压力作用下自动完成密封，保障了微管道内部的气密性及液相流动稳定性，进而提升了生成微液滴的尺寸均一性，可广泛应用于微流控技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，尤其是一种层叠式多通道液滴微流控芯片及制备方法。
背景技术
液滴微流控技术是在微尺度流道内，利用粘性剪切力与表面张力之间的相互作用将连续的流体分割分离成离散的纳升级及以下体积微液滴的一种微流控技术。基于液滴的微流控技术具有试剂消耗低、反应速度快、分析通量高、液滴操作灵活、液滴间无交叉污染等优点，已成为一种广泛应用的多功能工具。微液滴具有比表面积大、体积小、通量高、体系独立等特性，在药物控释、核酸检测、微球材料合成、微胶囊合成、催化剂、化妆品和食品等领域中均有重要应用；另外，微液滴还涉及芯片实验室的应用，被用作微反应器来进行化学和生物化学反应。
液滴微流控芯片是基于微纳加工技术制备的具有微流道结构、反应室和其他功能部件的玻璃或聚合物芯片，是实现微流控技术的平台。微流控芯片具有液相流向可控、样本消耗量少、检测分析速度快等优势，在实现样本预处理及分析全过程方面具有广阔的应用潜力。
而现有可批量生产的多通道液滴微流控芯片需要通过模具把微流道转印在塑料基底上，再进行键合封装和疏水化处理。但是由于塑料芯片在成型过程中经历熔融和冷却过程时易发生尺寸收缩和翘曲变形，尤其对于长宽比较大的多通道液滴芯片，翘曲变形尤为明显，影响批量生产的多通道液滴微流控芯片的良品率。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种层叠式多通道液滴微流控芯片及制备方法，有效的防止芯片的翘曲变形，保证了多通道液滴微流控芯片的成品质量。
一方面，本发明实施例提供了一种层叠式多通道液滴微流控芯片，包括多通道收集槽、液滴生成模块和若干柔性密封垫圈；所述液滴生成模块与所述多通道收集槽连接，若干所述柔性密封垫圈分别设置于所述所述液滴生成模块与所述多通道收集槽的连接处；
所述多通道收集槽设有若干圆筒型的通孔；
所述液滴生成模块包括层叠布置的若干液滴生成单元；每个所述液滴生成单元设有依次连接的液相输入管道和液相输出管道；所述液滴生成单元的所述液相输出管道接入所述多通道收集槽的所述通孔；
所述柔性密封垫圈的内壁与所述液相输出管道的输出端过盈配合；所述柔性密封垫圈的外壁与所述多通道收集槽的所述通孔内腔接触。
可选地，所述多通道收集槽与所述液滴生成模块的连接方式包括以下至少之一：螺丝紧固、等离子键合、热压键合、超声波键合、胶黏剂键合。
可选地，所述多通道收集槽的各个通孔均包括第一通孔和第二通孔，所述第一通孔的深度小于所述第二通孔，所述第一通孔的直径大于所述柔性密封垫圈的外径，所述第二通孔的直径小于所述柔性密封垫圈的外径。
可选地，所述液滴生成单元包括注塑件基底，所述注塑件基底内设有管路槽，所述液相输入管道和所述液相输出管道通过所述管路槽固定安装于所述注塑件基底内。
可选地，所述注塑件基底安装所述液相输出管道的一端还设有垫圈槽，所述垫圈槽的深度小于所述柔性密封垫圈的高度，所述垫圈槽的宽度小于所述柔性密封垫圈的外径。
可选地，所述液相输入管道包括连续相样本输入管路和离散相样本输入管路，所述连续相样本输入管路的输出端和所述离散相样本输入管路的输出端均与所述液相输出管道的输入端连接。
可选地，所述液相输入管道为输入端直径大于输出端直径的变径管道。
可选地，所述所述液相输出管道为中间直径小于两端直径的变径管道。
另一方面，本发明实施例提供了如第一方法所述的一种层叠式多通道液滴微流控芯片的制备方法，包括：
将若干液滴生成单元层叠并进行紧固处理，形成液滴生成模块；其中，每个所述液滴生成单元设有依次连接的液相输入管道和液相输出管道；
在各个所述液滴生成单元的所述液相输出管道的输出端安装柔性密封垫圈；
将所述液滴生成模块与多通道收集槽连接，施加压力使所述液滴生成模块与所述多通道收集槽紧密贴合并进行紧固处理；其中，所述多通道收集槽设有若干圆筒型的通孔，各个所述液滴生成单元的所述液相输出管道与所述多通道收集槽的各个所述通孔一一对应，所述柔性密封垫圈的外壁与所述多通道收集槽的所述通孔内腔接触。
另一方面，本发明实施例提供了一种使用如第一方面所述的层叠式多通道液滴微流控芯片的微液滴制备方法，包括：
将液滴生成模块的各个液滴生成单元的液相输入管道分别接入样本溶液；
通过硅胶气路管道在多通道收集槽的各个圆筒型的通孔处分别连接气路阀门，施加负压，辅助所述样本溶液依次经过所述液滴生成单元的液相输入管道和液相输出管道生成微液滴；
通过所述多通道收集槽各个所述圆筒型的通孔收集所述微液滴。
本发明实施例提出了一种层叠式多通道液滴微流控芯片，包括多通道收集槽、液滴生成模块和若干柔性密封垫圈；所述液滴生成模块与所述多通道收集槽连接，若干所述柔性密封垫圈分别设置于所述所述液滴生成模块与所述多通道收集槽的连接处；所述多通道收集槽设有若干圆筒型的通孔；所述液滴生成模块包括层叠布置的若干液滴生成单元；每个所述液滴生成单元设有依次连接的液相输入管道和液相输出管道；所述液滴生成单元的所述液相输出管道接入所述多通道收集槽的所述通孔；所述柔性密封垫圈的内壁与所述液相输出管道的输出端过盈配合；所述柔性密封垫圈的外壁与所述多通道收集槽的所述通孔内腔接触。本发明通过单独集成液相输入管道和液相输出管道形成液滴生成单元的结构，进而通过层叠的液滴生成单元组成液滴生成模块，配合多通道收集槽以及柔性密封垫圈，形成多通道液滴微流控芯片，通过对多通道的各个通道的管道进行分离布置，有效减小了布置各个通道的基底的长宽比，避免了芯片的过度翘曲变形，也为多通道液滴微流控芯片的批量生产提供一种全新的技术路线。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种层叠式多通道液滴微流控芯片的外观示意图；
图2为本发明实施例提供的一种层叠式多通道液滴微流控芯片的连接处截面示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种层叠式多通道液滴微流控芯片的多通道收集槽的截面示意图；
图4为本发明实施例提供的一种层叠式多通道液滴微流控芯片的管路布置的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的一种层叠式多通道液滴微流控芯片的液滴生成效果图；
图6为本发明实施例提供的一种层叠式多通道液滴微流控芯片的8通道液滴直径批次间差异表征图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
为了使本申请内容及技术方案更加清楚明白，对相关术语及含义进行说明：
同轴聚焦(co-f low)：同轴流聚焦是指，连续相流道与离散相流道形成同心或同轴的平行流道，连续相和离散相的流体在流道内平行流动，当离散相在进入连续相流道时，在连续相流体粘性剪切力的作用下，被挤压或拉伸断裂形成液滴。
毛细管：凡内径很细的管子叫“毛细管”。通常指的是内径等于或小于1毫米的细管，因管径有的细如毛发故称毛细管。目前主要应用在医学和建筑材料上。
过盈配合：过盈配合是当孔的公差带在轴的公差带之下时，利用材料的弹性使孔扩大、变形并套在轴上，进而产生对轴的箍紧力，使两零件连接的一种机械装配方法。
一方面，本发明实施例提供了一种层叠式多通道液滴微流控芯片，包括多通道收集槽、液滴生成模块和若干柔性密封垫圈；液滴生成模块与多通道收集槽连接，若干柔性密封垫圈分别设置于液滴生成模块与多通道收集槽的连接处；多通道收集槽设有若干圆筒型的通孔；液滴生成模块包括层叠布置的若干液滴生成单元；每个液滴生成单元设有依次连接的液相输入管道和液相输出管道；液滴生成单元的液相输出管道接入多通道收集槽的通孔；柔性密封垫圈的内壁与液相输出管道的输出端过盈配合；柔性密封垫圈的外壁与多通道收集槽的通孔内腔接触。
需要说明的是，柔性密封垫圈基于上下面的多通道收集槽和液滴生成模块的纵向压力，形变产生周向压力，使通孔处形成密封，进而实现芯片自动密封。
可选地，多通道收集槽与液滴生成模块的连接方式包括以下至少之一：螺丝紧固、等离子键合、热压键合、超声波键合、胶黏剂键合。
可选地，多通道收集槽的各个通孔均包括第一通孔和第二通孔，第一通孔的深度小于第二通孔，第一通孔的直径大于柔性密封垫圈的外径，第二通孔的直径小于柔性密封垫圈的外径。
需要说明的是，二阶通孔设计使多通道收集槽能够便捷的安装多个柔性密封垫圈之上。安装后多通道收集槽底面与液滴生成模块顶面预留公差间隙，通过对多通道收集槽上端施加压力，使柔性密封垫圈同时受到上表面边缘的垂直压力和下底面的支撑力，密封垫圈基于力矩作用发生变形，对内置的液相输出管道产生周向压力，在多个力的协同作用下，整个芯片自动完成密封。
可选地，液滴生成单元包括注塑件基底，注塑件基底内设有管路槽，液相输入管道和液相输出管道通过管路槽固定安装于注塑件基底内。
可选地，注塑件基底安装液相输出管道的一端还设有垫圈槽，垫圈槽的深度小于柔性密封垫圈的高度，垫圈槽的宽度小于柔性密封垫圈的外径。
可选地，液相输入管道包括连续相样本输入管路和离散相样本输入管路，连续相样本输入管路的输出端和离散相样本输入管路的输出端均与液相输出管道的输入端连接。
可选地，液相输入管道为输入端直径大于输出端直径的变径管道。
可选地，液相输出管道为中间直径小于两端直径的变径管道。
另一方面，本发明实施例提供了如第一方法的一种层叠式多通道液滴微流控芯片的制备方法，包括：
将若干液滴生成单元层叠并进行紧固处理，形成液滴生成模块；其中，每个液滴生成单元设有依次连接的液相输入管道和液相输出管道；
在各个液滴生成单元的液相输出管道的输出端安装柔性密封垫圈；
将液滴生成模块与多通道收集槽连接，施加压力使液滴生成模块与多通道收集槽紧密贴合并进行紧固处理；其中，多通道收集槽设有若干圆筒型的通孔，各个液滴生成单元的液相输出管道与多通道收集槽的各个通孔一一对应，柔性密封垫圈的外壁与多通道收集槽的通孔内腔接触。
需要说明的是，液滴生成模块通过设置基底、安装管路和密封垫圈、封装三个步骤组装成单个独立的液滴生成单元，可根据需求叠加至任意多通道。每个液滴生成单元的管路布置基底结构完全相同，便于批量生产，节约成本。
另一方面，本发明实施例提供了一种使用如第一方面的层叠式多通道液滴微流控芯片的微液滴制备方法，包括：
将液滴生成模块的各个液滴生成单元的液相输入管道分别接入样本溶液；
通过硅胶气路管道在多通道收集槽的各个圆筒型的通孔处分别连接气路阀门，施加负压，辅助样本溶液依次经过液滴生成单元的液相输入管道和液相输出管道生成微液滴；
通过多通道收集槽各个圆筒型的通孔收集微液滴。
本发明装置实施例的内容均适用于本方法实施例，本方法实施例所具体实现的功能与上述装置实施例具有的功能相同，并且达到的有益效果与上述装置实施例达到的有益效果也相同。
下面结合说明书附图，对本发明实施例的结构功能及实现原理进行详细说明：
参照图1和图2，本发明实施例提供一种层叠式多通道液滴微流控芯片，包括多通道收集槽1、液滴生成模块2、液相输入管道3、液相输出管道4和柔性密封垫圈5。液相输入管道3和液相输出管道4设置在液滴生成模块2的各个基底上，液滴生成模块2由多个相同的注塑件基底叠加组成，每个注塑件基底可设置独立的液相输入管道3和液相输出管道4，并组成同轴聚焦式微流控管路，用于生成同轴聚焦流微液滴。液相输出管道4与柔性密封垫圈5通过过盈配合连接。柔性密封垫圈5与多通道收集槽1底面的二阶通孔接触，并通过施加压力自动密封。
参照图3，多通道收集槽设有二阶通孔，包括第一通孔1-1和第二通孔1-2，第一通孔1-1的深度小于第二通孔1-2，如图2所示，第一通孔1-1的直径大于柔性密封垫圈5的外径，第二通孔1-2的直径小于柔性密封垫圈5的外径，使多通道收集槽1能够便捷的安装多个柔性密封垫圈5之上。安装后多通道收集槽1底面与液滴生成模块2顶面预留公差间隙，通过对多通道收集槽1上端施加压力，使柔性密封垫圈5同时受到上表面边缘的垂直压力和下底面的支撑力，柔性密封垫圈5基于力矩作用发生变形，对内置的液相输出管道4产生周向压力，在多个力的协同作用下，整个芯片自动完成密封。
进而保持受力状态对多通道收集槽底面和液滴生成模块进行紧固处理，紧固处理方式包括螺丝紧固、等离子键合、热压键合、超声波键合、胶黏剂键合等。
液滴生成模块由多个独立的管路布置基底叠加而成，管路布置基底表面设有布置槽，用于安装和固定液相输入管道、液相输出管道以及密封垫圈。
参照图4，液滴生成模块通过设置基底、安装管路和密封垫圈、封装三个步骤组装成单个独立的液滴生成模块，可根据需求叠加至任意多通道。每个液滴生成模块的管路布置基底结构完全相同，便于批量生产，节约成本。
液相输入管道为入口端直径大于出口端直径的变径管道，包括第一液相输入管道和第二液相输入管道。第一液相输入管道用于输入连续相样本，第二液相输入管道用于输入离散相样本。
液相输出管道为中间直径小于两端直径的变径管道。第一液相输入管道的出口端从液相输出管道的入口端插入至内径变小前的位置，第二液相输入管道的出口端从液相输出管道的入口端插入至内径变小后的位置，形成同轴聚焦流微流道管路，用于生成同轴聚焦微液滴。生成的微液滴通过液相输出管道储存在多通道收集槽内。
柔性密封垫圈为设有通孔的圆环结构，通孔与液相输出管道的出口端过盈配合连接，保持密封性。
需要说明的是，多通道液滴收集槽和液滴生成模块为刚性材料，包括有机玻璃、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯等聚合物材质，以及铝合金、不锈钢等金属材质。优选的，采用铝合金材质，并做喷砂氧化处理，降低材料表面粘性，在液滴生成后便于拆卸管道和胶黏剂，以实现重复利用，节约成本。
液相输入管道和液相输出管道为便于成型加工的聚合物材质，包括聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚丙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、硅橡胶等。优选地，液相输入管道采用聚醚醚酮材质，液相输出管道采用聚四氟乙烯材质。
柔性密封垫圈为具有优质弹性的聚合物材质，包括硅橡胶、聚氨酯等。优选地，采用硅胶材质。
下面结合附图对本发明装置微液滴制备的应用做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。具体步骤如下：
1.加样：准备0.2mL，16孔PCR板(8连排管)，在1排8孔中加入40μL油相样本(即连续相样本)，在2排8孔中加入20μL水相样本(即离散相样本)；
2.设置负压：将硅胶气路管道6套在多通道收集槽1圆筒结构的外侧，打开负压驱动泵，利用调压阀将压力调至-15kPa，等待压力稳定；
3.液滴生成：打开硅胶气路管道6连接的气路阀门7，使16孔PCR板(8连排管)中的油相和水相样本在压差驱动下，通过液滴生成模块中各个液滴生成单元的同轴聚焦管路，生成同轴聚焦微液滴，并经过液相输出管道收集在多通道收集槽内。
4.观察和测量：利用移液枪从多通道收集槽中抽取1μL生成的微液滴样本，滴在凹面载玻片上，盖上一层透明玻璃板防止油相挥发。利用光学显微镜对生成的液滴进行观察了测量，液滴生成效果如图5所示，参照图6，本实施例测量的8通道液滴直径的平均值为128.85μm，标准差为1.40μm，CV值为1.08％，最大值131.26μm，最小值125.91μm，极差为5.35μm，其中，横坐标表示层叠式多通道液滴微流控芯片的通道编号，纵坐标表示从相应编号的通道中采集到的液滴测量出的直径数据，包括平均值和标准偏差。
综上所述，本发明提供一种层叠式多通道液滴微流控芯片及制备方法，通过将微流控管路布置在结构相同的基底上，以层叠方式构成任意的多通道微流控芯片，便于微流控芯片组件的批量生产，避免了传统微流控芯片由于较大长宽比引起的翘曲变形，进而影响微流道结构和密封性。另外，本发明通过引入柔性密封垫圈与其他刚性组件的机械配合，在压力作用下自动完成密封，保障了微管道内部的气密性及液相流动稳定性，进而提升了生成微液滴的尺寸均一性。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种层叠式多通道液滴微流控芯片，其特征在于，包括多通道收集槽、液滴生成模块和若干柔性密封垫圈；所述液滴生成模块与所述多通道收集槽连接，若干所述柔性密封垫圈分别设置于所述所述液滴生成模块与所述多通道收集槽的连接处；
所述多通道收集槽设有若干圆筒型的通孔；
所述液滴生成模块包括层叠布置的若干液滴生成单元；每个所述液滴生成单元设有依次连接的液相输入管道和液相输出管道；所述液滴生成单元的所述液相输出管道接入所述多通道收集槽的所述通孔；
所述柔性密封垫圈的内壁与所述液相输出管道的输出端过盈配合；所述柔性密封垫圈的外壁与所述多通道收集槽的所述通孔内腔接触。
2.根据权利要求1所述的层叠式多通道液滴微流控芯片，其特征在于，所述多通道收集槽与所述液滴生成模块的连接方式包括以下至少之一：螺丝紧固、等离子键合、热压键合、超声波键合、胶黏剂键合。
3.根据权利要求1所述的层叠式多通道液滴微流控芯片，其特征在于，所述多通道收集槽的各个通孔均包括第一通孔和第二通孔，所述第一通孔的深度小于所述第二通孔，所述第一通孔的直径大于所述柔性密封垫圈的外径，所述第二通孔的直径小于所述柔性密封垫圈的外径。
4.根据权利要求1所述的层叠式多通道液滴微流控芯片，其特征在于，所述液滴生成单元包括注塑件基底，所述注塑件基底内设有管路槽，所述液相输入管道和所述液相输出管道通过所述管路槽固定安装于所述注塑件基底内。
5.根据权利要求4所述的层叠式多通道液滴微流控芯片，其特征在于，所述注塑件基底安装所述液相输出管道的一端还设有垫圈槽，所述垫圈槽的深度小于所述柔性密封垫圈的高度，所述垫圈槽的宽度小于所述柔性密封垫圈的外径。
6.根据权利要求1所述的层叠式多通道液滴微流控芯片，其特征在于，所述液相输入管道包括连续相样本输入管路和离散相样本输入管路，所述连续相样本输入管路的输出端和所述离散相样本输入管路的输出端均与所述液相输出管道的输入端连接。
7.根据权利要求1所述的层叠式多通道液滴微流控芯片，其特征在于，所述液相输入管道为输入端直径大于输出端直径的变径管道。
8.根据权利要求1所述的层叠式多通道液滴微流控芯片，其特征在于，所述所述液相输出管道为中间直径小于两端直径的变径管道。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的层叠式多通道液滴微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括：
将若干液滴生成单元层叠并进行紧固处理，形成液滴生成模块；其中，每个所述液滴生成单元设有依次连接的液相输入管道和液相输出管道；
在各个所述液滴生成单元的所述液相输出管道的输出端安装柔性密封垫圈；
将所述液滴生成模块与多通道收集槽连接，施加压力使所述液滴生成模块与所述多通道收集槽紧密贴合并进行紧固处理；其中，所述多通道收集槽设有若干圆筒型的通孔，各个所述液滴生成单元的所述液相输出管道与所述多通道收集槽的各个所述通孔一一对应，所述柔性密封垫圈的外壁与所述多通道收集槽的所述通孔内腔接触。
10.一种使用如权利要求1-8任一项所述的层叠式多通道液滴微流控芯片的微液滴制备方法，包括：
将液滴生成模块的各个液滴生成单元的液相输入管道分别接入样本溶液；
通过硅胶气路管道在多通道收集槽的各个圆筒型的通孔处分别连接气路阀门，施加负压，辅助所述样本溶液依次经过所述液滴生成单元的液相输入管道和液相输出管道生成微液滴；
通过所述多通道收集槽各个所述圆筒型的通孔收集所述微液滴。
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