CN115555068A - 一种阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置，包括：待筛选液滴注射泵、缓冲液注射泵、微流控液滴分选芯片、两液滴收集装置、两气压控制器；微流控液滴分选芯片包括：两入口通道、分选区、两出口通道；两入口通道分别与待筛选液滴注射泵、缓冲液注射泵连通，两出口通道一相交处为分选区；两液滴收集装置均密封，两出口通道的出口分别与两液滴收集装置连通且密封，两气压控制器的输出口分别与两液滴收集装置连通且密封；分别调节两气压控制器的气压大小，实现不同阈值的液滴尺寸分选。本发明在不需要改变装置结构条件下，通过改变两出口通道的气压大小，实现液滴按尺寸筛选且筛选阈值可调控。

Description

一种阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置
技术领域
本发明涉及微流控领域以及医药、新材料、环境领域，尤其涉及一种阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置。
背景技术
基于微流控的液滴尺寸分选在化学合成、生物分析、药物制备等领域具有重要的应用价值。目前液滴分选方法分为主动式和被动式。
主动式是通过外加能量如电、磁、声波等方式来实现液滴的筛选。虽然这种外加能量的液滴分选方法具有较高的可控性，但是其在分选过程中需要对液滴尺寸进行检测，筛选速率受到限制，筛选通量较低，并且存在装置制作复杂的缺点。
被动式的液滴分选方式则是利用不同尺寸液滴在微通道中流动时所受的惯性力、离心力和粘性力的不同而自发的根据尺寸进行分类筛选。这一液滴分选方法具有筛选通量高，装置设计简单等优点。但是，在被动式分选方法中，筛选阈值往往由装置几何形状和尺寸决定。装置完成后阈值很难进行大范围的调节，导致液滴分选装置灵活性、通用性不足。因此，一种制作简单、阈值可调节的液滴分选装置有待开发。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出如下技术方案：
一种阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置，包括：待筛选液滴注射泵、缓冲液注射泵、微流控液滴分选芯片、液滴收集装置一、气压控制器一、气压控制器二、液滴收集装置二；
所述微流控液滴分选芯片为空心管状结构，从上到下包括：入口通道一、入口通道二、分选区、出口通道一、出口通道二；所述入口通道一与所述待筛选液滴注射泵连通，所述待筛选液滴注射泵内装有待筛选液滴；所述入口通道二与所述缓冲液注射泵连通，所述缓冲液注射泵内装有缓冲液，所述缓冲液不与所述待筛选液滴相溶；所述入口通道一与所述入口通道二相交并连通，所述入口通道一、入口通道二相交后与所述分选区连通；所述出口通道一与所述出口通道二相交并连通，所述出口通道一、出口通道二相交处为所述分选区；
所述液滴收集装置一、液滴收集装置二密封，所述出口通道一的出口与所述液滴收集装置一连通且密封，所述气压控制器一的输出口与所述液滴收集装置一连通且密封；所述出口通道二的出口与所述液滴收集装置二连通且密封，所述气压控制器二的输出口与所述液滴收集装置二连通且密封；调节所述气压控制器一、气压控制器二的气压大小，实现不同阈值的液滴尺寸分选。
进一步地，还包括控制器，所述控制器分别与所述气压控制器一、气压控制器二连接，用于对所述气压控制器一、气压控制器二进行精确控制，分别调控所述气压控制器一、气压控制器二的气压产生和气压大小。
进一步地，所述出口通道一与所述出口通道二相交的夹角处设置微孔连通结构，所述微孔连通结构由一系列平行的互相隔开的微通道组成，让原本被所述分选区被隔离开的所述出口通道一、出口通道二连通，能让所述待筛选液滴所在的、与之不相溶的液体和所述缓冲液通过，而不会让待筛选液滴通过。
进一步地，所述出口通道一与所述出口通道二的管壁相交的夹角小于等于30°时，所述夹角能使超出阈值的大尺寸待筛选液滴分裂，生成两个满足尺寸范围的液滴并实现分选。
进一步地，所述缓冲液和所述待筛选液滴注射泵中的待筛选液滴所在的液体相同。
进一步地，还包括激光检测装置，用于对待筛选液滴的荧光信号进行检测，将所述荧光信号反馈至控制器，所述控制器根据所述荧光信号，对所述气压控制器一、气压控制器二的气压大小进行动态调节，实现更为精确的分选和阈值调节。
进一步地，所述激光检测装置包括光源和光电倍增管，所述光源、光电倍增管相对安装在所述分选区的上方、所述入口通道一和入口通道二相交处下方的区域，使得所述光电倍增管能接收到荧光信号。
进一步地，还包括电极，所述电极成对安装在所述分选区的两侧，用于实现带电的待筛选液滴基于电性的分选，满足多种性能液滴的筛选。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过控制两出口通道的气压大小，实现液滴按照尺寸分选，且可以在线控制阈值，阈值控制精度高，液滴筛选的尺寸范围广。
(2)对通道的几何形状和尺寸的要求小，因而在结合其他复杂功能如微型液滴、细胞自分选等操作时，具有灵活性高，容易与其他功能进行组合设计的特点。
附图说明
图1是本发明阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置示意图。
图2是两通道接触夹角α、两通道轴线夹角β不同时的微流控液滴分选芯片结构示意图，其中(a)为当两通道接触夹角α小于等于30°时的微流控液滴分选芯片结构示意图，(b)为两通道接触夹角α处设置微孔连通结构的示意图。
图3是在图1的基础上增设电场、激光检测装置的阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置示意图。
图4是实施例1中的液滴分选示意图，其中，a)是出口通道一不加压，出口通道二加压100mbar的液滴分选示意图，b)是出口通道一不加压，出口通道二加压130mbar的液滴分选示意图。
图5是实施例2中的液滴分选示意图。
图6是实施例3中大尺寸液滴在尖端处分裂生成满足尺寸范围的液滴并实现分选的示意图。
图7是实施例4中两通道轴线夹角β、两通道接触夹角α都为90°时的液滴分选示意图。
图8是实施例4中在图7情况下测得的出口通道一和出口通道二的液滴分选尺寸分布图。
图中，待筛选液滴注射泵1、缓冲液注射泵2、微流控液滴分选芯片3、入口通道一3-1、入口通道二3-2、分选区3-3、出口通道一3-4、出口通道二3-5、液滴收集装置一4、气压控制器一5、气压控制器二6、液滴收集装置二7、微流控液滴分选芯片固定装置8、控制器9、光源10、光电倍增管11、电极12。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明为一种阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置，包括：待筛选液滴注射泵1、缓冲液注射泵2、微流控液滴分选芯片3、液滴收集装置一4、气压控制器一5、气压控制器二6、液滴收集装置二7、固定装置8、控制器9。
微流控液滴分选芯片3竖直固定在固定装置8上，微流控液滴分选芯片3为“K”形的空心管状结构，包括：入口通道一3-1、入口通道二3-2、分选区3-3、出口通道一3-4、出口通道二3-5。入口通道一3-1与出口通道二3-5共轴，入口通道一3-1与入口通道二3-2相交并连通，且成一定夹角；出口通道一3-4和出口通道二3-5相交并连通，且成一定夹角，令出口通道一3-4的轴线和出口通道二3-5的轴线的夹角为轴线夹角β，出口通道一3-4和出口通道二3-5的管壁相交处的夹角为接触夹角α。出口通道一3-4和出口通道二3-5相交处为分选区3-3，出口通道一3-4、出口通道二3-5的通道直径以及轴线夹角β的大小不做要求，容许微液滴通过即可。
待筛选液滴注射泵1与微流控液滴分选芯片3的入口通道一3-1连通，用于向微流控液滴分选芯片3输送含有待筛选液滴的液体；缓冲液注射泵2与微流控液滴分选芯片3的入口通道二3-2连通，用于向微流控液滴分选芯片3输送缓冲液，起到分散入口通道一3-1处进入的待筛选液滴的作用，有助于提高分选精度。缓冲液和待筛选液滴注射泵1中的待筛选液滴所在的油相相同。
液滴收集装置一4密封，其与微流控液滴分选芯片3的出口通道一3-4连通，用于收集出口通道一3-4得到的液滴；气压控制器一5的输出口与液滴收集装置一4连通，间接控制出口通道一3-4出口处的气压大小。液滴收集装置二7密封，其与微流控液滴分选芯片3的出口通道二3-5连通，用于收集出口通道二3-5得到的液滴；气压控制器二6的输出口与液滴收集装置二7连通，间接控制出口通道二3-5出口处的气压大小。控制器9分别与气压控制器一5、气压控制器二6连接，用于对两气压控制器进行精确控制，分别调控两气压控制器的气压产生和大小。
如图2(a)所示，当两通道接触夹角α小于等于30°时，该接触夹角α产生的尖端可使超出阈值的大尺寸液滴分裂，生成两个满足尺寸范围的液滴并实现分选。如图2(b)所示，在分选区3-3的两通道接触夹角α处设置微孔连通结构，该微孔连通结构由一系列平行的互相隔开的微通道组成，可以让原本被分选区3-3被隔离开的出口通道一3-4、出口通道二3-5连通，该结构可以让油相通过，而不会让待筛选液滴通过。当液滴过大时，出口通道一3-4、出口通道二3-5的油相流体可以通过微孔连通结构互通，避免液滴堵塞通道，提高液滴筛选精度。
本发明装置进行液滴尺寸分选的具体过程为：待筛选的液滴从待筛选液滴注射泵1中输入到微流控液滴分选芯片3中，被通过缓冲液注射泵2中输入微流控液滴分选芯片3的缓冲液分散。液滴到达分选区后，当液滴小于通道尺寸时，液滴流经通道交汇处，液滴会根据两通道的压力差大小选择流动通道；当液滴超过通道尺寸时，液滴流经通道交汇处时，液滴界面受到挤压，由于出口通道一3-4、出口通道二3-5与分选区3-3的交界截面的宽度不同，液滴受到的拉普拉斯压力差大小不同，且两通道内液滴界面与两出口通道压差不同，进一步促进液滴选择流通通道。
这里的压差指的是两出口通道靠近分选区3-3端的压力大小，与两出口通道远离分选区3-3端的压力大小的差值。当两气压控制器产生的压力变大，就会导致压差变小。在两通道都不加压的情况下，待筛选液滴不进行分选，液滴进入哪个通道是随机的；当一侧通道加压时，该通道的压力差不足以支持大液滴通过，大液滴即进入另一侧的通道；当一侧通道加压到一定程度时，该通道的压力差也不足以支持较小的液滴通过，较小的液滴即进入另一侧的通道。
如图3所示，本发明装置还可在图1的基础上增加激光检测装置，用于对液滴的荧光信号进行检测，将荧光信号反馈至电脑端，根据该荧光信号实现动态调节两出口通道的气压大小，实现更为精确的分选和阈值调节。
激光检测装置包括光源10和光电倍增管11，两者相对安装在微流控液滴分选芯片3的分选区3-3上方、入口通道一3-1和入口通道二3-2交汇处下方的区域，使得光电倍增管11可以接收到荧光信号。
如图3所示，本发明装置还可在图1的基础上增加电极12，进一步实现带电液滴基于电性(如正负性)的分选，满足多种性能液滴的筛选。电极12成对安装在微流控液滴分选芯片3的分选区3-3两侧，且带有不同电性的电极12分别安装在靠近出口通道一3-4和出口通道二3-5的一侧。上述激光检测装置和电极12可以同时安装，同时实现两者的作用且互不影响。
下面结合几个实施例具体说明本发明。
实施例1
如图4所示，基于图1的阈值可调的微流控液滴分选和尺寸调控装置，微流控分选芯片3选择PDMS芯片。芯片入口通道一3-1和入口通道二3-2的直径均为42微米，出口通道一3-4的直径为43微米，且出口通道一3-4与分选区3-3的交界处的宽度为83微米；出口通道二3-5的直径和其与分选区3-3的交界处宽度均为43微米。油相采用HFE7500并加入表面活性剂F08，待筛选液滴为水，水本身处于油相中。
待筛选液滴(即水)和油相一起，从待筛选液滴注射泵1注入微流控分选芯片3中，油相作为缓冲液，从缓冲液注射泵2注入微流控分选芯片3中。
如图4a)所示，设置气压控制器一5的气压(即右侧通道出口气压)为0mbar，气压控制器二6气压(即左侧通道出口气压)为100mbar，此时全部大液滴会进入出口通道一3-4(即右侧通道)，小液滴会进入出口通道一3-4和出口通道二3-5。
如图4b)所示，设置气压控制器一5气压为0mbar，气压控制器二6气压为130mbar，此时大液滴小液滴都进入出口通道一3-4(即右侧通道)。
上述实验证明，本发明装置通过控制两通道出口的气压大小，可以控制不同尺寸液滴进入不同通道，实现液滴按尺寸的分选。
实施例2
如图5所示，在实施例1的基础上更换不同尺寸的PDMS芯片，设置芯片入口通道一3-1和入口通道二3-2的直径均为36微米；出口通道一3-4和出口通道二3-5的直径相同，均为36微米，但出口通道一3-4与分选区3-3的交界处的宽度较小，为15微米。油相与待筛选液滴均与实施例1相同。
设置气压控制器一5的气压(即右侧通道出口气压)为150mbar，气压控制器二6气压(即左侧通道出口气压)为50mbar，此时小液滴进入出口通道一3-4(即右侧通道)，大液滴进入出口通道二3-5(即左侧通道)，实现液滴按照液滴尺寸的分选。
本发明将两通道交汇的尖端处结构设计成微孔连通结构，此时左右通道油相连通，可以防止液滴阻塞通道带来的液滴筛选精度的问题。
实施例3
如图6所示，在实施例1的基础上更换不同尺寸的PDMS芯片，设置芯片两出口通道接触夹角α小于等于30°，芯片入口通道一3-1和入口通道二3-2的直径均为36微米，出口通道一3-4的直径及其与分选区3-3的交界处的宽度均为36微米，出口通道二3-5的直径及其与分选区3-3的交界处宽度均为36微米。油相与待筛选液滴均与实施例1相同。
当液滴尺寸超出所需的液滴尺寸范围时，大液滴经过尖端处时，断裂成更小的满足预定尺寸的液滴，同时实现液滴分选。
实施例4
如图7、图8所示，在实施例1的基础上更换不同尺寸的PDMS芯片，设置芯片两出口通道轴线夹角β为90°。芯片入口通道一3-1和入口通道二3-2的直径均为150微米，出口通道一3-4的直径及其与分选区3-3的交界处宽度均为100微米；出口通道二3-5的直径及其与分选区3-3的交界处宽度均为194微米。油相与待筛选液滴均与实施例1相同。
控制两通道出口的压力大小，实现小液滴都进入出口通道一3-4，大液滴都进入出口通道二3-5，中等尺寸的液滴在出口通道一3-4和出口通道二3-5的分布均等。
上述实验证明，本发明装置通过控制两通道出口的气压大小，可以精确控制筛选获得某特定尺寸的液滴分选阈值。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置，其特征在于，包括：待筛选液滴注射泵、缓冲液注射泵、微流控液滴分选芯片、液滴收集装置一、气压控制器一、气压控制器二、液滴收集装置二；
所述微流控液滴分选芯片为空心管状结构，从上到下包括：入口通道一、入口通道二、分选区、出口通道一、出口通道二；所述入口通道一与所述待筛选液滴注射泵连通，所述待筛选液滴注射泵内装有待筛选液滴；所述入口通道二与所述缓冲液注射泵连通，所述缓冲液注射泵内装有缓冲液，所述缓冲液不与所述待筛选液滴相溶；所述入口通道一与所述入口通道二相交并连通，所述入口通道一、入口通道二相交后与所述分选区连通；所述出口通道一与所述出口通道二相交并连通，所述出口通道一、出口通道二相交处为所述分选区；
所述液滴收集装置一、液滴收集装置二密封，所述出口通道一的出口与所述液滴收集装置一连通且密封，所述气压控制器一的输出口与所述液滴收集装置一连通且密封；所述出口通道二的出口与所述液滴收集装置二连通且密封，所述气压控制器二的输出口与所述液滴收集装置二连通且密封；调节所述气压控制器一、气压控制器二的气压大小，实现不同阈值的液滴尺寸分选。
2.根据权利要求1所述的阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器分别与所述气压控制器一、气压控制器二连接，用于对所述气压控制器一、气压控制器二进行精确控制，分别调控所述气压控制器一、气压控制器二的气压产生和气压大小。
3.根据权利要求1所述的阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置，其特征在于，所述出口通道一与所述出口通道二相交的夹角处设置微孔连通结构，所述微孔连通结构由一系列平行的互相隔开的微通道组成，让原本被所述分选区被隔离开的所述出口通道一、出口通道二连通，能让所述待筛选液滴所在的、与之不相溶的液体和所述缓冲液通过，而不会让待筛选液滴通过。
4.根据权利要求1所述的阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置，其特征在于，所述出口通道一与所述出口通道二的管壁相交的夹角小于等于30°时，所述夹角能使超出阈值的大尺寸待筛选液滴分裂，生成两个满足尺寸范围的液滴并实现分选。
5.根据权利要求1所述的阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置，其特征在于，所述缓冲液和所述待筛选液滴注射泵中的待筛选液滴所在的液体相同。
6.根据权利要求2所述的阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置，其特征在于，还包括激光检测装置，用于对待筛选液滴的荧光信号进行检测，将所述荧光信号反馈至控制器，所述控制器根据所述荧光信号，对所述气压控制器一、气压控制器二的气压大小进行动态调节，实现更为精确的分选和阈值调节。
7.根据权利要求6所述的阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置，其特征在于，所述激光检测装置包括光源和光电倍增管，所述光源、光电倍增管相对安装在所述分选区的上方、所述入口通道一和入口通道二相交处下方的区域，使得所述光电倍增管能接收到荧光信号。
8.根据权利要求1所述的阈值可调的微流控液滴尺寸分选装置，其特征在于，还包括电极，所述电极成对安装在所述分选区的两侧，用于实现带电的待筛选液滴基于电性的分选，满足多种性能液滴的筛选。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116355725A (zh) * 2023-03-07 2023-06-30 广州市艾贝泰生物科技有限公司 分配器、分配装置及分配方法

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