CN116237103A - 微流控芯片 - Google Patents

Abstract

一种微流控芯片，涉及微流体技术领域。该微流控芯片包括本体和分别设于本体上的水相加样腔、油相加样腔和液滴生成腔，水相加样腔和液滴生成腔通过样本流道连通，油相加样腔和液滴生成腔通过油流道连通；其中，水相加样腔和油相加样腔均位于液滴生成腔和微流控芯片的转动中心之间，且油流道的流阻小于样本流道的流阻。该微流控芯片能够在生成油包水液滴时同步或者连续的依次加入两种液体，进而能够节省操作时间，提高生成效率。

Description

微流控芯片

技术领域

本发明涉及微流体技术领域，具体而言，涉及一种微流控芯片。

背景技术

微流控芯片系统又称芯片实验室，其借助微机电加工技术将传统实验室的功能集成在一块几平方厘米的芯片上，进而实现采样、分离、反应、分析检测等功能。微流控芯片具有消耗试剂少、检测精度高、方便携带等优点，具有广泛的适用性及应用前景。液滴微流控是在微尺度的通道内，对两种不相容的液体(一种为连续相，另外一种为离散相)，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作用将流体分割分离成离散的纳升级至皮升级体积的液滴的一种技术。微液滴主要有气-液相液滴和液-液相液滴两种类型，其中液-液相液滴又包括水包油，油包水，油包水包油以及水包油包水等，与连续流动的微流控系统相比，液滴微流控系统可以在短时间内可以生成大量的微反应器，液滴内反应条件稳定并且每个液滴均可作为独立的微反应器。具有混合速度快、反应时间少、分析速度快等优点，已经被用于化学和生命科学等领域。

然而，现有的油包水液滴的两种不相容液体的混合，需要进行分步骤操作，即先加入油相，待确保油相完全进入芯片的液滴生成腔后，再加入水相，从而使得水相也进入液滴生成腔并能够包覆油层，从而在液滴生成腔内形成油包水液滴。也就是说，目前的油包水液滴的形成需要分步骤操作，且不同步骤之间需要等待，这就使得油包水液滴的形成需要耗费大量的时间，效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微流控芯片，其能够在生成油包水液滴时同步或者连续的依次加入两种液体，进而能够节省操作时间，提高生成效率。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明的一方面，提供一种微流控芯片，该微流控芯片包括本体和分别设于本体上的水相加样腔、油相加样腔和液滴生成腔，水相加样腔和液滴生成腔通过样本流道连通，油相加样腔和液滴生成腔通过油流道连通；其中，水相加样腔和油相加样腔均位于液滴生成腔和微流控芯片的转动中心之间，且油流道的流阻小于样本流道的流阻。该微流控芯片能够在生成油包水液滴时同步或者连续的依次加入两种液体，进而能够节省操作时间，提高生成效率。

可选地，液滴生成腔上设有排气孔。

可选地，样本流道和液滴生成腔的连接处位于液滴生成腔远离转动中心的一面。

可选地，油流道和液滴生成腔的连接处位于液滴生成腔的第一侧面，第一侧面与液滴生成腔远离转动中心的一面相邻。

可选地，油流道和液滴生成腔的连接处位于液滴生成腔远离转动中心的一面。

可选地，油流道和液滴生成腔的连接处位于液滴生成腔的第一侧面，样本流道和液滴生成腔的连接处位于液滴生成腔的第二侧面，第一侧面和第二侧面相对设置且分别与液滴生成腔远离转动中心的一面相邻；在微流控芯片处于离心旋转状态时，样本流道和液滴生成腔的连接处位于进入液滴生成腔的油液的液面下方。

可选地，液滴生成腔远离转动中心的一面为平面或弧面。

可选地，液滴生成腔远离转动中心的一面与第一方向呈夹角设置，第一方向为微流控芯片的转动中心与液滴生成腔的连线方向。

可选地，样本流道远离水相加样腔的一端连通有多个并列设置的支路流道，支路流道远离水相加样腔的一端与液滴生成腔连通。

可选地，油流道和样本流道的流阻均满足以下公式：

其中，R为流阻，C _geometry为流道形状系数，η为液体动力粘度，l为流道长度，A为流道截面积。

本发明的有益效果包括：

本申请提供的微流控芯片包括本体和分别设于本体上的水相加样腔、油相加样腔和液滴生成腔，水相加样腔和液滴生成腔通过样本流道连通，油相加样腔和液滴生成腔通过油流道连通；其中，水相加样腔和油相加样腔均位于液滴生成腔和微流控芯片的转动中心之间，且油流道的流阻小于样本流道的流阻。本申请通过分别设置水相加样腔和油相加样腔，这样，油液和样本液可以分别加入至液滴生成腔内，且通过将油流道的流阻小于所述样本流道的流阻，如此可以使得往油相加样腔内加入油液后紧接着就往水相加样腔内加入样本液，甚至可以油液和样本液同时加入加样腔内，都能够保证油液相比样本液来说先行进入液滴生成腔内，从而形成油包水液滴。由于本申请能够同步或者连续的依次加入两种液体，因此相对现有技术而言本申请能够节省操作时间，提高生成效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的微流控芯片的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的微流控芯片的结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的微流控芯片的结构示意图之三。

图标：10-水相加样腔；20-油相加样腔；30-液滴生成腔；31-第一侧面；32-第二侧面；40-样本流道；50-油流道；60-排气孔；70-支路流道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

随着生物技术的发展，PCR(Polymerase Chain Reaction，聚合酶链式反应)技术已经被广泛应用于分子生物学检测及分析。荧光定量PCR是一种在核酸扩增反应中，以荧光化学物质测每次聚合酶链式反应循环后产物总量的方法。为了便于检测，微流控芯片一般可划分为用于进行扩增反应的腔体，以及用于向芯片内输送样本液的加样腔，通过向芯片加样腔注入样本液，使用高速离心装置驱动微流控芯片高速旋转，使样本液进行高速离心运动，均匀地分布到芯片的腔体内；然后将芯片转成低速旋转，同时对芯片进行加热，使样本液在腔体进行扩增反应，扩增反应完成后再对腔体内的样本液进行检测，观察样本液的扩增现象。

其中，微流控芯片上可以生成均匀的油包水液滴，然而，现有的油包水液滴的两种不相容液体的混合，需要进行分步骤操作，即先加入油相，待油液完全进入芯片的液滴生成腔30后，再加入水相。也就是说，目前的油包水液滴的形成需要分步骤操作，且不同步骤之间需要等待，这就使得油包水液滴的形成需要耗费大量的时间，效率较低。为解决上述问题，本申请提供了一种新的微流控芯片，该微流控芯片在向加样腔内加样时不限定必须等待油液完全进入芯片的液滴生成腔30后，再加入样本液，也可以保证油液先行进入液滴生成腔30内，从而保证油包水液滴的形成，能够节省加样时间，提高效率。下文将对本申请提供的微流控芯片的具体结构进行详细说明。

请参照图1，本实施例提供一种微流控芯片，该微流控芯片包括本体和分别设于本体上的水相加样腔10、油相加样腔20和液滴生成腔30，水相加样腔10和液滴生成腔30通过样本流道40连通，油相加样腔20和液滴生成腔30通过油流道50连通；其中，水相加样腔10和油相加样腔20均位于液滴生成腔30和微流控芯片的转动中心之间，且油流道50的流阻小于样本流道40的流阻。该微流控芯片能够在生成油包水液滴时同步或者连续的依次加入两种液体，进而能够节省操作时间，提高生成效率。

需要说明的是，上述水相加样腔10通过样本流道40与液滴生成腔30连通，水相加样腔10用于加入水相（下文称为样本液），从而使得样本液自水相加样腔10通过样本流道40进入液滴生成腔30内。

上述油相加样腔20通过油流道50与液滴生成腔30连通，油相加样腔20用于加入油相（下文称为油液），从而使得油液自油相加样腔20通过油流道50进入液滴生成腔30内。

在本实施例中，上述水相加样腔10、油相加样腔20和液滴生成腔30均位于微流控芯片的本体上。示例性地，该水相加样腔10、油相加样腔20和液滴生成腔30可以通过刻蚀本体以形成凹设的腔体得到。具体地，本申请对水相加样腔10、油相加样腔20和液滴生成腔30在本体上的形成方式不做限制，本领域技术人员可以自行选择合适方式。

另外，上述水相加样腔10和油相加样腔20均位于液滴生成腔30和微流控芯片的转动中心之间。如此，微流控芯片发生旋转离心运动时，不会对各个腔室内的液体造成影响。

样本流道40用于连通水相加样腔10和液滴生成腔30，油流道50用于连通油相加样腔20和液滴生成腔30，本申请对样本流道40和油流道50的具体结构形式不做限制，只要能保证油流道50的流阻小于样本流道40的流阻即可。

本申请通过设置油流道50的流阻小于样本流道40的流阻，这样，可以在往油相加样腔20内加入油液后紧接着（无需等待）就往水相加样腔10内加入样本液，甚至可以油液和样本液同时加入加样腔内，都能够保证油液相比样本液来说先行进入液滴生成腔30内，如此，便能够在离心力的作用下使得油液集中于液滴生成腔30远离微流控芯片的转动中心的一侧，而后到达的样本液则可以穿入至油液中从而形成油包水液滴。

还有，需要说明的是，油液先进入液滴生成腔30后会部分进入样本流道40，从而使得样本流道40有部分空气被困在样本流道40内，从而可以进一步阻止样本液自样本流道40的进入，这样，可以进一步保证样本液的延迟进入，之后增加微流控芯片的转速或持续转动微流控芯片则可以让样本液进入液滴生成腔30内，从而形成油包水液滴。

综上所述，本申请提供的微流控芯片包括本体和分别设于本体上的水相加样腔10、油相加样腔20和液滴生成腔30，水相加样腔10和液滴生成腔30通过样本流道40连通，油相加样腔20和液滴生成腔30通过油流道50连通；其中，水相加样腔10和油相加样腔20均位于液滴生成腔30和微流控芯片的转动中心之间，且油流道50的流阻小于样本流道40的流阻。本申请通过分别设置水相加样腔10和油相加样腔20，这样，油液和样本液可以分别加入至液滴生成腔30内，且通过将油流道50的流阻小于所述样本流道40的流阻，如此可以使得往油相加样腔20内加入油液后紧接着就往水相加样腔10内加入样本液，甚至可以油液和样本液同时加入加样腔内，都能够保证油液相比样本液来说先行进入液滴生成腔30内，从而形成油包水液滴。由于本申请能够同步或者连续的依次加入两种液体，因此相对现有技术而言本申请能够节省操作时间，提高生成效率。

为平衡液滴生成腔30内外的压差，在本实施例中，可选地，液滴生成腔30上设有排气孔60。具体地，排气孔60的大小和位置本领域技术人员可以自行设置。

需要说明的是，在本实施例中，样本流道40和液滴生成腔30的连接位置，以及油流道50和液滴生成腔30的连接位置包括多种设置形式。

其中，在一种实施方式中，可选地，如图1和图2，样本流道40和液滴生成腔30的连接处位于液滴生成腔30远离转动中心的一面。

即，对应至图1中的方位，样本流道40和液滴生成腔30的连接处位于液滴生成腔30的底部。

在该实施方式中，可选地，在一种情况下，如图1所示，油流道50和液滴生成腔30的连接处位于液滴生成腔30的第一侧面31，第一侧面31与液滴生成腔30远离转动中心的一面相邻。

即，对应至图1中的方位，油流道50和液滴生成腔30的连接处位于液滴生成腔30的侧面。也就是说，油流道50和液滴生成腔30的连接处与样本流道40和液滴生成腔30的连接处，一个在液滴生成腔30的一侧，一个在液滴生成腔30的底部。

在另一种情况下，如图2所示，油流道50和液滴生成腔30的连接处位于液滴生成腔30远离转动中心的一面。

即，对应至图2中的方位，油流道50和液滴生成腔30的连接处位于液滴生成腔30的底部。也就是说，油流道50和液滴生成腔30的连接处以及样本流道40和液滴生成腔30的连接处，都在液滴生成腔30的底部。

在另一种实施方式中，可选地，油流道50和液滴生成腔30的连接处位于液滴生成腔30的第一侧面31，样本流道40和液滴生成腔30的连接处位于液滴生成腔30的第二侧面32，第一侧面31和第二侧面32相对设置且分别与液滴生成腔30远离转动中心的一面相邻；在微流控芯片处于离心旋转状态时，样本流道40和液滴生成腔30的连接处位于进入液滴生成腔30的油液的液面下方。

简言之，在该实施方式中，油流道50和液滴生成腔30的连接处以及样本流道40和液滴生成腔30的连接处分别位于液滴生成腔30的相对两侧，且两个连接处的连线与液滴生成腔30和微流控芯片的转动中心的连线垂直。即以图1所示方位来说，两个连接处分别位于图1所示方位的液滴生成腔30的左右两侧。

可选地，液滴生成腔30远离转动中心的一面（对应至图1的方位中则为液滴生成腔30的底部）为平面或弧面。

或者，液滴生成腔30远离转动中心的一面（对应至图1的方位中则为液滴生成腔30的底部）与第一方向呈夹角设置，第一方向为微流控芯片的转动中心与液滴生成腔30的连线方向。也就是说，液滴生成腔30远离转动中心的一面为倾斜面。

请参照图3所示，可选地，样本流道40远离水相加样腔10的一端连通有多个并列设置的支路流道70，支路流道70远离水相加样腔10的一端与液滴生成腔30连通。

具体地，本申请对支路流道70的数量不做限制，可以为两个，也可以为三个或者四个等，本领域技术人员可以自行设置。

另外，可选地，油流道50和样本流道40的流阻均满足以下公式：

其中，R为流阻，C _geometry为流道形状系数，η为液体动力粘度，l为流道长度，A为流道截面积。

需要说明的是，当流道的形状不同时，上述的流道形状系数也将不同。为便于理解和说明，下文将以最常用的截面为方形的流道为例对流阻进行说明。流阻应当与流道的截面形状、流道的长度和液体动力粘度和流道的截面积有关。

当流道形状系数为定量的情况下（即油流道50和样本流道40的流道形状相同时），为使得油液相比样本液来说先行进入液滴生成腔30内，从而形成油包水液滴。在本实施例中，可以使得油液在油流道50内的最大流速大于样本液在样本流道40内的最大流速。其中，液体的最大流速的计算公式如下：

其中，

为液体最大流速，/>

为离心液压，η为液体动力粘度，l为流道长度，d为流道宽度的一半。

而微流控芯片转动时，产生的离心液压

满足以下公式：

其中，r₁为位于加样腔内的液体靠近微流控芯片的转动中心的一面至微流控芯片的转动中心的距离（即加样腔内的液体相对微流控芯片的转动中心的内径），r₂为位于加样腔内的液体远离微流控芯片的转动中心的一面至微流控芯片的转动中心的距离（即加样腔内的液体相对微流控芯片的转动中心的外径），ρ为液体密度，ω为微流控芯片的转速。

在本实施例中，为使得油相具有更大的离心液压，可以选用密度大于水相密度的油相。

当流道的形状为长方形时，如图1所示，这时，在本实施例中，油流道50和样本流道40的流阻均满足以下公式：

其中，R为流阻，η为液体粘度，L为流道长度，h为流道高度，w为流道宽度。

本领域技术人员可以根据上述公式对油流道50和样本流道40的尺寸进行调整，或者对选用的油相和水相的具体类型进行调整，从而使其满足油流道50的流阻小于样本流道40的流阻。具体选用方式本申请不做限制。

以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括本体和分别设于所述本体上的水相加样腔、油相加样腔和液滴生成腔，所述水相加样腔和所述液滴生成腔通过样本流道连通，所述油相加样腔和所述液滴生成腔通过油流道连通；

其中，所述水相加样腔和所述油相加样腔均位于所述液滴生成腔和微流控芯片的转动中心之间，且所述油流道的流阻小于所述样本流道的流阻。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述液滴生成腔上设有排气孔。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述样本流道和所述液滴生成腔的连接处位于所述液滴生成腔远离所述转动中心的一面。

4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述油流道和所述液滴生成腔的连接处位于所述液滴生成腔的第一侧面，所述第一侧面与所述液滴生成腔远离所述转动中心的一面相邻。

5.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述油流道和所述液滴生成腔的连接处位于所述液滴生成腔远离所述转动中心的一面。

6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述油流道和所述液滴生成腔的连接处位于所述液滴生成腔的第一侧面，所述样本流道和所述液滴生成腔的连接处位于所述液滴生成腔的第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面相对设置且分别与所述液滴生成腔远离所述转动中心的一面相邻；在所述微流控芯片处于离心旋转状态时，所述样本流道和所述液滴生成腔的连接处位于进入所述液滴生成腔的油液的液面下方。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述液滴生成腔远离所述转动中心的一面为平面或弧面。

8.根据权利要求1至6任意一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述液滴生成腔远离所述转动中心的一面与第一方向呈夹角设置，所述第一方向为所述微流控芯片的转动中心与所述液滴生成腔的连线方向。

9.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述样本流道远离所述水相加样腔的一端连通有多个并列设置的支路流道，所述支路流道远离所述水相加样腔的一端与所述液滴生成腔连通。

10.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述油流道和所述样本流道的流阻均满足以下公式：

其中，R为流阻，C _geometry为流道形状系数，η为液体动力粘度，l为流道长度，A为流道截面积。

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