CN207614860U - 微液滴生成装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种微液滴生成装置，所述微液滴生成装置包括第一部件和第二部件，第一部件和第二部件固定连接；所述第一部件是微液滴生成芯片，用于微液滴的生成；和所述第二部件是微液滴样品加样和生成微液滴收集装置，用于第一部件的油相样品和水相样品的加样以及生成的微液滴的收集。本实用新型的微液滴生成装置可快速、可靠、并行生成均一的微米量级“油包水”/“水包油”微液滴，材料和批量加工成本低廉；样品注入、液滴收集过程便捷，整个过程不易产生交叉污染。
Description
技术领域
本实用新型涉及微液滴数字PCR技术领域，具体涉及一种微液滴生成装置。
背景技术
微液滴数字PCR技术(droplet digital PCR，ddPCR)是一种基于单分子PCR的核酸绝对定量分析技术。微液滴数字PCR技术以其高灵敏度、高准确性的优势正成为业界下一个革命性技术。近几年来，随着微纳米制造技术和微流体技术(micro-nanofabrication andmicrofluidics)的发展，微液滴数字PCR技术遇到了突破技术瓶颈的最佳契机。该技术借助微流控芯片，生成直径为数微米到数百微米的液滴；微液滴包裹单分子或单细胞，达到反应与检测全封闭，全集成。微液滴数字PCR系统工作原理是：首先通过特殊的微液滴生成仪将待测样品均分到大量纳升级(直径为数微米到数百微米)的“油包水”微液滴中，微液滴的数量在百万级别。由于微液滴数量足够多，微液滴之间被油层相互隔离，因此每个微液滴相当于一个“微型反应器”，微液滴中只含有待测样品的DNA单分子；然后，针对这些微液滴分别进行PCR扩增反应，并通过微液滴分析仪逐个对液滴的荧光信号进行检测，有荧光信号的微滴判读为1，没有荧光信号的微滴判读为0。最后，根据泊松分布原理及阳性微滴的个数与比例即可得出待测样品的目标DNA分子数目，实现对核酸样本的绝对定量。
微液滴数字PCR技术的关键步骤是快速、可靠、并行生成均一的微米量级“油包水”微液滴。生成微液滴的一个核心技术是设计和加工基于微流控技术的微液滴生成装置。微液滴生成装置被广泛应用于临床检测需要具备以下原则：(1)快速、可靠、并行生成均一的微米量级“油包水”/“水包油”微液滴，(2)基于微流控技术的微流体芯片的材料和加工成本低，(3)操作便捷，(4)液滴生成、收集过程中不产生交叉污染。
目前，基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的微流控芯片已被广泛用于生成微液滴。首先，研究人员利用软光刻工艺(人工操作)加工具备微米量级的PDMS微液滴芯片。当PDMS微液滴芯片制备成功后，在其样品入口、微液滴生成出口利用机械加工工艺打孔，装配进样管、出样管。“油相”样品、“水相”样品通过手工方式吸入到注射器中。然后，通过外部注射泵将“油相”样品、“水相”样品经过进样管注入PDMS微液滴芯片中。最后，生成的微液滴经过出样管被收集到常规实验耗材中，例如EP管。尽管PDMS微液滴芯片材料研发成本低、实验室加工工艺简单，但是其存在的不足包括：
(1)PDMS是热弹性聚合物材料，该类材料不适合于工业级注塑、封装工艺。手工加工的PDMS微液滴芯片可靠性差。
(2)PDMS微液滴芯片批量加工成本高昂。
(3)PDMS微液滴芯片样品注入、液滴收集为过程繁琐的人工操作流程，不适于临床检验应用。
(4)液滴生成、收集过程中容易产生交叉污染。
针对PDMS微液滴芯片的不足，工业界针对以上缺点展开研发。美国的BioRad公司和RainDance Technologies公司均已开发基于聚合物材料的微液滴生成装置。Biorad公司的微液滴生成装置，生成的微液滴需要手动从芯片转移到EP管中。RainDance公司的微液滴生成装置，油相样品需要外置仪器加样，并且成本高昂。这些微液滴生成装置自身存在的不足，限制了其在临床检验领域的广泛应用。
实用新型内容
针对现有微液滴生成装置的不足，本实用新型提供一种基于聚合物材料的微液滴生成装置。该微液滴生成装置的特点是：(1)快速、可靠、并行生成均一的微米量级“油包水”或“水包油”微液滴，(2)微液滴芯片采用热塑材料(例如聚碳酸酯材料(PC)、环烯烃共聚物(COP)或聚甲基丙烯酸甲脂材料(PMMA)、聚丙烯(PP))，材料和批量加工成本低廉，(3)借助于外部压力源，使用该微液滴生成装置芯片，样品注入、液滴收集过程变得便捷，(4)集成式微液滴生成装置设计，整个过程不易产生交叉污染。
在一种实施方式中，本实用新型提供一种微液滴生成装置，所述微液滴生成装置包括第一部件和第二部件，第一部件和第二部件固定连接；所述第一部件是微液滴生成芯片，用于微液滴的生成；和所述第二部件是微液滴样品加样和生成微液滴收集装置，用于第一部件的油相样品和水相样品的加样以及生成的微液滴的收集。
在一种实施方式中，所述第一部件和所述第二部件通过点胶方式或超声焊接方式密封固定连接。
在一种实施方式中，所述第一部件和所述第二部件分别通过一体注塑而成。
在一种实施方式中，所述第一部件和所述第二部件是热塑性材料，优选为聚碳酸酯材料、环烯烃共聚物或聚甲基丙烯酸甲脂、聚丙烯。
在一种实施方式中，所述第一部件设置有至少一个微液滴生成单元，优选为四个、八个和十二个微液滴生成单元；所述第二部件设置有至少一个微液滴加样和收集单元，优选为四个、八个和十二个微液滴生成单元；每个微液滴生成单元与其相对应的微液滴加样和收集单元配合进行微液滴的加样、生成和收集。
在一种实施方式中，所述微液滴生成单元包括油相样品接收口，油相微管路，水相样品接收口，水相微管路，和微液滴出口。
在一种实施方式中，所述微液滴生成单元包括二个油相微管路和一个水相微管路，或一个油相微管路和二个水相微管路；所述油相微管路和所述水相微管路形成十字交叉结构，用于形成微液滴。
在一种实施方式中，所述第二部件上方设置有油相样品加样槽、油相加样通孔、水相样品加样槽和水相加样通孔，其中所述油相加样通孔和所述水相加样通孔分别设置在所述油相样品加样槽和所述水相样品加样槽底部中，所述油相样品和所述水相样品分别通过它们进入所述第一部件；和所述第二部件下方设置有样品收集装置。
在一种实施方式中，所述油相样品加样槽和所述水相样品加样槽的容积分别为1～900微升，优选为5～500微升，更优选为100～200微升。
在一种实施方式中，所述样品收集装置包括在其两端分别设置的生成微液滴接收口和微液滴收集口，以及预存储腔；所述第一部件生成的微液滴通过所述微液滴接收口进入第二部件，然后通过所述预存储腔，和最后从所述微液滴收集口进行收集。
在一种实施方式中，所述微液滴收集口设置为具有斜侧壁结构的出口，在其末端设置有连接杆，微液滴经所述连接杆滴入微液滴收集容器中。
在一种实施方式中，所述微液滴收集容器是离心管，所述连接杆具有弧形侧壁；所述连接杆深入所述离心管内部，便于微液滴收集。
在一种实施方式中，所述第二部件上还设置观察窗，用于配合光学系统实时监测生成的微液滴。
在一种实施方式中，所述微液滴生成装置还包括第三部件，所述第三部件密封所述第二部件的油相样品和水相样品，并通过其施加外部压力。
在一种实施方式中，所述第一部件和所述第二部件上还分别设置有便于两者固定连接进行定位的定位孔。
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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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它的附图。
图1是本实用新型的微液滴生成装置总体结构示意图；
图2是本实用新型的微液滴生成装置第一部件结构示意图；
图3是本实用新型的微液滴生成装置第一部件微液滴生成“十字结构”，示意图；
图4是本实用新型的微液滴生成装置第二部件结构示意图；和
图5是本实用新型的第二部件的收集装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术领域人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都应当属于本申请保护的范围。下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。
一.微液滴生成装置结构
如图1所示，本实用新型的微液滴生成装置包括：第一部件1和第二部件2，第一部件1是微液滴生成芯片，第二部件2是微液滴样品加样和生成液滴收集装置。第一部件1与第二部件2固定连接。
在一些实施方式中，本实用新型的微液滴生成装置还包括第三部件3，第三部件是用于密封第二部件2的微液滴油相样品加样槽和水相样品加样槽。第三部件3例如水密封胶垫，例如用硅胶制备，该水密封胶垫可以上可以设置有气孔，用于通过其施加压力，其作用是保证外部压力源和第二部件之间的压接气密性，并且便于施加外部压力。借助于外部压力，两种样品从第二部件流入到第一部件，进入第一部件的微流道中。最后，生成的微液滴被收集到微液滴收集容器，例如离心管(EP管)中。
如图2和3所示，在本实施例中，第一部件1上平行设置8个微液滴生成单元，从左到右，每个微液滴生成单元等间距并行排布在第一部件1上，每个微液滴生成单元独立地生成微液滴。第一部件1中微液滴生成单元的数量多少取决于微液滴生成芯片的尺寸大小和生成液滴的需要。目前常用的微液滴生成结构是生成微液滴的“十字”结构，例如，生成直径为100微米的微液滴，“十字”结构的宽度和深度为70微米。从上往下看，每个微液滴生成单元包括油相样品接收口11，两路油相微管路12，水相样品接收口13，一路水相微管路14，和微液滴出口15。油相样品进入第一部件1的相样品接收口11后，分流到两路油相微管路12。水相样品进入第一部件1的水相样品接收口13后，进入一路水相微管路14。两相液体交汇于十字结构，生成微液滴，微液滴然后从微液滴出口15流出。
第二部件2是实现“油相”样品、“水相”样品的进样，以及微液滴收集。如图4所示，在本实施例中，与第一部件的8个微液滴生成单元相对应，第二部件2上平行设置8个微液滴加样和收集单元，从左到右，每个微液滴加样和收集单元等间距并行排布在第二部件2上，每个微液滴加样和收集单元与每个微液滴生成单元相配合，用于微液滴生成单元的水相和油样样品的加入和生成后的微液滴收集。第二部件2上方设置有油相样品加样槽21、油相加样通孔22、水相样品加样槽23和水相加样通孔24，其中油相加样通孔22和水相加样通孔24分别设置在油相样品加样槽21和水相样品加样槽23底部中央；第二部件2下方设置有样品收集装置25，在样品收集装置25两端分别设置有生成微液滴接收口26和微液滴收集出口27。
在一些实施方式中，第二部件2上设置观察窗4，用于配合光学系统实时监测生成的微液滴。观察窗4为镂空设计，观察窗4位于生成微液滴接收口26之前，能够观察到第一部件1生成的微液滴。
如图5所示，样品收集装置25的生成微液滴接收口26是与第一部件1中微液滴出口15相对应的通孔；生成微液滴接收口26后设置有预存储腔28，预存储腔28后的微液滴收集出口27设置为具有斜侧壁结构的出口，在其末端设置有用于与EP管连接的连接杆29，连接杆29具有弧形侧壁。连接杆29深入EP管内部，便于微液滴收集。
如图5所示，第一部件1中生成的微液滴在压力作用下通过微液滴出口15和第二部件的生成液滴出口通孔26，进入预存储腔28，微液滴的密度小于油相样品，会浮在油的上方，随着微液滴和油的不断流入，微液滴会沿着微液滴收集出口27的斜侧壁滑入EP管中。
在一些实施方式中，第一部件1和第二部件2在油相样品接收口11和油相加样通孔22，水相样品接收口13和水相加样通孔24，微液滴出口15通孔和生成液滴出口26各自周围有一圈点胶密封。
二、微液滴生成装置工作流程
整个工作流程分为三个步骤：(1)样品进样步骤，(2)微液滴生成步骤，和(3)微液滴收集步骤。首先，“油相”样品和“水相”样品被分别加入第二部件2的油相样品加样槽21和水相样品加样槽23。借助于外部压力，两种样品分别经过油相加样通孔22和水相加样通孔24，分别进入到第一部件1的油相样品接收口11和水相样品接收孔13；之后油相进入两路油相微管路12，水相进入一路水相微管路14。油相和水相在第一部件1的十字结构处，形成均一的微液滴。生成的微液滴经过第一部件1的微液滴出口15和第二部件的生成液滴出口26，进入第二部件的预存储腔28，预存储腔28的微液滴通过收集出口27进入连接在样品收集装置上的EP管，完成微液滴的生成和收集。
(1)样品进样步骤
油相样品和水相样品被预先放在第二部件2的油相样品加样槽21和水相样品加样槽23中。在外部压力作用下，两种样品分别经过油相加样通孔22和水相加样通孔24，分别进入到第一部件1的油相样品接收口11和水相样品接收孔13；之后油相进入两路油相微管路12，水相进入一路水相微管路14。
(2)微液滴生成步骤
一个典型的“油包水”微液滴生成过程如图3所示：“油相”样品在外界气压作用下，从水平方向流入微米级别管道；“水相”样品在外界气压作用下，从垂直方向流入微米级别管道。两种不相溶的液体在“十字”微流体结构处交汇。由于“油相”样品和“水相”样品的液体表面张力差和外加压力所产生的剪切力，“水相”样品在十字结构处被“油相”样品从连续相分割为离散的微液滴。微液滴为“油包水”的形式，外部是“油相”样品。
(3)微液滴收集步骤
生成的微液滴经过第一部件1的微液滴出口15和第二部件的生成液滴出口26，进入第二部件的预存储腔28，预存储腔28的微液滴通过收集出口27进入连接在样品收集装置上的EP管，完成微液滴的生成和收集。
由图5可以看出微液滴在第一部件微管道内生成后流到第一部件1的微液滴出口15和第二部件的生成液滴出口26，液滴在压力作用下上浮到第二部件2的预存储腔28，微液滴的密度小于油相样品，会浮在油的上方，随着微液滴和油的不断流入，微液滴会沿着收集出口27的斜侧壁滑入EP管中，连接杆29深入EP管内部，便于微液滴收集。
应该理解到披露的本实用新型不仅仅限于描述的特定的方法、方案和物质，因为这些均可变化。还应理解这里所用的术语仅仅是为了描述特定的实施方式方案的目的，而不是意欲限制本实用新型的范围，本实用新型的范围仅受限于所附的权利要求。
本领域的技术人员还将认识到，或者能够确认使用不超过常规实验，在本文中所述的本实用新型的具体的实施方案的许多等价物。这些等价物也包含在所附的权利要求中。
Claims (19)
1.一种微液滴生成装置，其特征在于：所述微液滴生成装置包括第一部件和第二部件，第一部件和第二部件固定连接；所述第一部件是微液滴生成芯片，用于微液滴的生成；和所述第二部件是微液滴样品加样和生成微液滴收集装置，用于第一部件的油相样品和水相样品的加样以及生成的微液滴的收集。
2.根据权利要求1所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述第一部件和所述第二部件通过点胶方式或超声焊接方式密封固定连接。
3.根据权利要求1所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述第一部件和所述第二部件分别通过一体注塑而成。
4.根据权利要求1所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述第一部件和所述第二部件是热塑性材料。
5.根据权利要求4所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述热塑性材料为聚碳酸酯材料、环烯烃共聚物或聚甲基丙烯酸甲脂、聚丙烯。
6.根据权利要求1所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述第一部件设置有至少一个微液滴生成单元；所述第二部件设置有至少一个微液滴加样和收集单元；每个微液滴生成单元与其相对应的微液滴加样和收集单元配合进行微液滴的加样、生成和收集。
7.根据权利要求6所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述第一部件设置有四个、八个或十二个微液滴生成单元；所述第二部件设置有四个、八个或十二个微液滴生成单元。
8.根据权利要求6所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述微液滴生成单元包括油相样品接收口，油相微管路，水相样品接收口，水相微管路，和微液滴出口。
9.根据权利要求8所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述微液滴生成单元包括二个油相微管路和一个水相微管路，或一个油相微管路和二个水相微管路；所述油相微管路和所述水相微管路形成十字交叉结构，用于形成微液滴。
10.根据权利要求1所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述第二部件上方设置有油相样品加样槽、油相加样通孔、水相样品加样槽和水相加样通孔，其中所述油相加样通孔和所述水相加样通孔分别设置在所述油相样品加样槽和所述水相样品加样槽底部中，所述油相样品和所述水相样品分别通过它们进入所述第一部件；和所述第二部件下方设置有样品收集装置。
11.根据权利要求10所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述油相样品加样槽和所述水相样品加样槽的容积分别为1～900微升。
12.根据权利要求11所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述油相样品加样槽和所述水相样品加样槽的容积分别为5～500微升。
13.根据权利要求12所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述油相样品加样槽和所述水相样品加样槽的容积分别为100～200微升。
14.根据权利要求10所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述样品收集装置包括在其两端分别设置的生成微液滴接收口和微液滴收集口，以及预存储腔；所述第一部件生成的微液滴通过所述微液滴接收口进入第二部件，然后通过所述预存储腔，和最后从所述微液滴收集口进行收集。
15.根据权利要求14所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述微液滴收集口设置为具有斜侧壁结构的出口，在其末端设置有连接杆，微液滴经所述连接杆滴入微液滴收集容器中。
16.根据权利要求15所述的微液滴生成装置，其特征在于：所述微液滴收集容器是离心管，所述连接杆具有弧形侧壁；所述连接杆深入所述离心管内部，便于微液滴收集。
17.根据权利要求1-16任一所述微液滴生成装置，其特征在于：所述第二部件上还设置观察窗，用于配合光学系统实时监测生成的微液滴。
18.根据权利要求1-16任一所述微液滴生成装置，其特征在于：所述微液滴生成装置还包括第三部件，所述第三部件密封所述第二部件的油相样品和水相样品，并通过其施加外部压力。
19.根据权利要求1-16任一所述微液滴生成装置，其特征在于：所述第一部件和所述第二部件上还分别设置有便于两者固定连接进行定位的定位孔。
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