CN209348659U - 微流控芯片及样本融合装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及微流控芯片领域，特别涉及微流控芯片及样本融合装置。本实用新型提供的多通道复合式液滴合并系统，可使多种试剂与样本产生微小液滴并进行低电压、高效率合并，达到在微流控芯片内进行少量试剂样本的混合。合并腔4结合发散式流道使液滴减速造成前后碰撞，结合微结构引流与限制液滴流动路径，达到同时降低液滴流速亦不会造成液滴随流场发散到合并部4，使其经过大范围交流电场时多重液滴可以有效融合。由合并腔4与其内部的导流排柱6与大范围交流电场，使多重微液滴(2～100颗)可于高通量高流速(>600droplets/s)下有效率的融合。

Description

微流控芯片及样本融合装置

技术领域

本实用新型涉及微流控芯片领域，特别涉及微流控芯片及样本融合装置。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)又被称为芯片实验室(Lab-on-a-chip)，能在一个几平方厘米的微小芯片上集成传统的生物和化学实验室的基本功能，包括样品分离、制备、化学反应、检测等操作。

微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析,并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。

液滴微流控技术是微流控芯片技术的一个重要分支。液滴微流控技术是在传统的单相微流控芯片技术发展而来的，最早由芝加哥大学Rustem F. Ismagilov教授首先提出三入口T型微液滴芯片设计，并在之后的几年中得到广泛关注和应用。与单相微流控系统相比，由于其水/油两相分离的特征，具有如消耗样品和试剂量更少，混合速度更快不易造成交叉污染，易于操控等优势。因此，在污染物快速高通量检测，生物样本分离、培育，观察化学反应进度等领域中有着重要的应用。微液滴因具有通量高，无交叉污染等优势，其在喷墨打印、微混合、DNA分析、材料合成、蛋白质结晶等领域呈现出巨大的应用潜力。一些基于微液滴的生化反应，如微纳颗粒合成，过程中需要将两种不同的液滴融合在一起，以便获得较好的混合反应效果。

由此，液滴的可控融合已成为一项重要的液滴微流控技术，对于在液滴内实现多步反应十分重要。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种微流控芯片及样本融合装置。该微流控芯片可以使多种不同样本或试剂经由芯片形成微小液滴，并能在其中完成多种极微量液滴(pL-nL)的融合，可达到少量样本分析与减少试剂用量的目的。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供以下技术方案：

本实用新型提供了一种微流控芯片，包括基片；以及依次设置在所述基片上的进油部1、进样部2、合并腔4和出口部3，以及依次连接所述进油部 1、所述进样部2、所述合并腔4和所述出口部3的微流道；还包括电极5，所述电极5产生的电场垂直于所述合并腔4；所述合并腔4还设置有导流排柱6。

在本实用新型的一些具体实施方案中，所述合并腔4的纵截面为菱形，所述导流排柱6之间的间隙小于液滴的直径。

在本实用新型的一些具体实施方案中，所述合并腔4近进样部2的一端的横截面面积小于近出口部3一端的横截面面积。作为优选，所述合并腔4 近进样部2的一端的横截面的长度与所述合并腔4近出口部3一端的横截面的长度的比为1∶(1.1～1.5)。

在本实用新型的一些具体实施方案中，所述合并腔4与所述出口部3之间的微流道的横截面面积逐渐变大。

在本实用新型的一些具体实施方案中，所述进样部2至少为1个。进油部1至进样部2之间的微流道呈放射状发散设置；合并腔4至进样部2之间的微流道呈放射状发散设置。

在本实用新型的一些具体实施方案中，电极5为接触流道式电极或非接触流道式电极；优选的，接触流道式电极为指叉式电极。

此外，本实用新型还提供了所述的微流控芯片在样本融合中的应用。

在本实用新型的一些具体实施方案中，所述样本为液滴，所述液滴包括试剂液滴或包覆细胞的液滴。

本实用新型还提供了一种样本融合装置，包括所述的微流控芯片。

本实用新型还提供了基于所述的微流控芯片或样本融合装置的融合样本的方法，包括如下步骤：

步骤A、向所述进油部1加入油相；

步骤B、向所述进样部2加入样本；

步骤C、控制所述电极5的参数和所述油相、所述样本的流速，获得融合后的液滴；

其中，步骤A、步骤B的顺序不分先后。

在本实用新型的一些具体实施方案中，所述电极5的参数与流速的关系为：依流速快慢不同进行电压调控，交流电压为0.5～20V_pp，频率为50～200 kHz，流速与所需的液滴融合电压成正比，利用数组式指交状电极增加液滴于电场中的被作用时间，可达到用小电压进行高效率的小液滴融合。

液滴融合所需要的电压可以下式表示：

△T^e∝∈₀∈_rE²

△T^e为马克斯威应力张量变化，∈₀为真空下之介电常数，∈_r为相对介电常数，E为电场强度，将马克斯威应力张量与油相黏滞度平衡，可推得：

v_ec为因电场作用力促使两颗液滴融合的融合速度，γ为某界面活性剂之下，油水之界面张量，η油相黏滞度，d为两颗液滴的距离，一般于两物质接口形态下 (在此为油相与水相)，两液滴之间的距离存在于电双层厚度的极微小距离(约 1-100nm)，故若是两液滴为接触状态，其d距离非常小，d＝1-100nm，故可以用很小的电场即可进行两液滴的融合。

其中，E为所施加的电场强度，E＝V/d₂，V为电压d2为电极间距。可由上述得知，所施加的电压大小影响表面张力的大小，进而影响液滴融合的速度，液滴融合的速度需快于液滴通过指叉状电极数组的速度(v_ec＜v_flow)才能成功融合所有液滴。

在本实用新型的一些具体实施方案中，油相或样本的流速为600个液滴 /s。

在本实用新型的一些具体实施方案中，流通道的直径为500μm～1000μm。

具体的，当所述油相与所述样本汇合后，根据油水不互融的原理产生油包水现象，所述样本在所述油相中以液滴的状态存在，因为合并腔4的纵截面为菱形，在相同流量下，所述液滴流向合并腔4时，由于横截面的面积逐渐变大而流速逐渐减慢，后面的液滴逐渐追赶上前面的液滴使得液滴紧紧相依，配合合并腔4的导流排柱6能够减少液滴扩散，从而拉近不同液滴之间的距离；此时合并电极施予电信号使得液滴之间表面电荷受影响，发生电合并现象，最终能够达到将不同样本融合的目的；在经过合并腔4的菱形中线后，菱形的横截面面积逐渐缩小使得液滴流速逐渐增加，避免下一轮的液滴追赶上一轮的液滴导致错误融合。合并腔4近进样部2的一端的横截面面积小于近出口部3一端的横截面面积，避免合并成一颗液滴后接近出口处会被油相的侧向力切断成数颗液滴。

本实用新型提供微流控芯片可以使多种不同样本或试剂经由芯片形成微小液滴，并能在其中完成多种极微量液滴(～pL)的融合，可达到少量样本分析与减少试剂用量的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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。

图1示本实用新型提供的微流控芯片的示意图；其中，1-进油部；2-进样部；3-出口部；4-合并腔；5-电极；6-导流排柱；

图2示合并电极5的工作原理示意图；其中，图2a、图2d示合并腔4设计为菱形形状，在相同流量下流进合并腔时截面积逐渐变大而流速逐渐减慢，后面的液滴会追赶上前面液滴使得液滴紧紧相依；图2b、图2c示在经过菱形中线后截面积逐渐缩小而流速逐渐增加，避免下一轮的液滴追赶上导致错误合并；图2e示电极5施予电讯号使液滴与液滴间表面电荷受影响，产生电合并现象；图2f示合并腔4出口处设计比入口处较宽，避免合并成一颗后当接近出口处会被油的侧向力所切断成数颗。

具体实施方式

本实用新型公开了一种微流控芯片及样本融合装置，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本实用新型。本实用新型的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本实用新型内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本实用新型技术。

本实用新型提供的微流控芯片可以使多种不同样本或试剂形成微小液滴，并能在其中完成多种极微量液滴(pL-nL)合并的功能，可达成少量样本分析与减少试剂用量的目的。

本实用新型提供的微流控芯片示意图如图1，基本分成五部分(可随需求增减)，分别为进油部1、进样部2(本实用新型有一、二、三、四个，亦可做更多或减少)、合并腔4、电极5与出口部3。工作原理为：将油相从进油部 1加入，各种不同样本或试剂由进样部2加入，根据油水不互融原理产生油包水现象，使样本或试剂于油中以微小液滴(～pL)状态存在。这些不同种微液滴流往合并腔4时，会因为本实用新型提供的微流控芯片的结构使液滴产生减速效果，后面的液滴会追赶上前面液滴使得液滴紧紧相依(图2a、d)，此时电极5施予电讯号使液滴与液滴间表面电荷受影响，产生电合并现象(droplet elecrto-coalescence)(图2d、e)，最终能够将不同样本或试剂合并成一颗液滴达成混合的目的。

电极5是设计成接触(流道)式电极(亦可作为非接触式，但须施予高电压)，接触式电极直接在流道内与液滴距离较近，使产生电合并现象(droplet electro-coalescence)所需求电压较低；而指叉式多排电极能够减少未成功合并液滴的机率，且可增加液滴与交流电场的作用时间，于高流量高液滴速度下有效进行融合。电极5与液滴流向相互垂直的设计，借与交流电产生正介电泳吸引力(positive dielectrophoretic force)和液滴流向垂直，使液滴流向轻微受阻而加以辅助减缓液滴流速，使合并效果更加显著，提升液滴与高流速下成功融合的效率。

合并腔4的纵截面设计为菱形形状，在相同流量下流进合并腔时截面积逐渐变大而流速逐渐减慢(图2a、d)，搭配导流排柱6能够使液滴被保持在中间而不会随流线扩散进而可拉近不同液滴的距离；在经过菱形中线后截面积逐渐缩小而流速逐渐增加(图2b、c)，避免下一轮的液滴追赶上导致错误合并。而合并腔4出口处设计比入口处较宽，避免合并成一颗后当接近出口处会被油的侧向力所切断成数颗(图2f)。

本实用新型提供的多通道复合式液滴合并系统，可使多种试剂与样本产生微小液滴并进行低电压、高效率合并，达到在微流控芯片内进行少量试剂样本的混合。

合并腔4结合发散式流道使液滴减速造成前后碰撞，结合微结构同时降低液滴流速亦不会造成液滴随流场发散到合并腔4，使其经过大范围交流电场时多重液滴可以有效融合。

由合并腔4与其内部的微结构(入口的横截面面积小于出口的横截面面积)与大范围交流电场，致使使多重微液滴(2～100颗)可于高通量高流速(>600 droplets/s)下有效率的融合。

本实用新型提供的微流控芯片及基于该芯片融合样本的方法中所用原料、设备、部件均可由市场购得。

下面结合实施例，进一步阐述本实用新型：

本实用新型提供了一种微流控芯片，包括基片；以及依次设置在基片上的进油部1、进样部2、合并腔4和出口部3，以及依次连接进油部1、进样部2、合并腔4和出口部3的微流道；还包括电极5，电极5产生的电场垂直于合并腔4；合并腔4还设置有导流排柱6。合并部4的横截面为菱形；导流排柱(6)之间的间隙小于液滴的直径。合并腔4近进样部2的一端的横截面面积小于近出口部3一端的横截面面积。在另一个具体实施方案中，合并腔 4近进样部2的一端的横截面的长度与合并腔4近出口部3一端的横截面的长度的比为1∶(1.1～1.5)。

合并腔4与出口部3之间的微流道的横截面面积逐渐变大。

如图2a，本实用新型提供的合并腔的尺寸为：合并腔4近进样部2的一端的横截面宽度(入口宽度W1)≤合并腔(4)近出口部3一端的横截面宽度(出口宽度W2)<合并腔4的纵截面菱形对角的宽度(发散式流道宽W3)，液滴导引的微结构——导流排柱6的间隙<液滴直径的1/4，使液滴无法穿越该导引微结构(导流排柱6)。作为优选，使用尺寸：W2范围约1～5倍的 W1，W3范围约5～10倍的W1，合并前4的纵截面菱形长对角限的长度——发散式流道长(L)约5～50倍的W1，在本实用新型的一些具体实施方案中， W1约25～30μm；导流排柱6的间距2～5μm，可引导大于间距4倍以上 (10-20μm)以上之液滴尺寸。若搭配不同进样部2(1-N)与进油部的流速比例产生不同尺寸的多重液滴，也可按照上述主要设计原则来更改不同尺寸比例和导流排柱6的间距，达到多重液滴融合效果。

进样部2至少为1个。进油部1至进样部2之间的微流道呈放射状发散设置；合并腔4至进样部2之间的微流道呈放射状发散设置。

电极5为接触流道式电极或非接触流道式电极；本实施例中，接触流道式电极为指叉式电极。

本实施例中，样本可以为细胞或液滴。

基于上述微流控芯片或该有该微流控芯片的样本装置的融合样本的方法，包括如下步骤：

步骤A、向所述进油部1加入油相；

步骤B、向所述进样部2加入样本；

步骤C、控制所述电极5的参数和所述油相、所述样本的流速，获得融合后的液滴；

其中，步骤A、步骤B的顺序不分先后。

合并电极5的参数与流速的关系为：依流速快慢不同进行电压调控，交流电压为0.5～20V_pp，频率为50～200kHz间，流速与所需的液滴融合电压成正比，利用数组式指交状电极增加液滴于电场中的被作用时间，可达到用小电压进行高效率的液滴融合。油相或样本的流速为600个液滴/s。本实用新型提供的芯片中微流道、的直径为500μm～1000μm。

具体的工作原理：当所述油相与所述样本汇合后，根据油水不互融的原理产生油包水现象，所述样本在所述油相中以液滴的状态存在，因为合并腔 4为菱形，在相同流量下，所述液滴流向合并腔4时，由于横截面的面积逐渐变大而流速逐渐减慢，后面的液滴逐渐追赶上前面的液滴使得液滴紧紧相依，配合合并腔4的导流排柱6能够减少液滴扩散，从而拉近不同液滴之间的距离；此时合并电极施予电信号使得液滴之间表面电荷受影响，发生电合并现象，最终能够达到将不同样本融合的目的；在经过合并腔4的菱形中线后，菱形的横截面面积逐渐缩小使得液滴流速逐渐增加，避免下一轮的液滴追赶上一轮的液滴导致错误融合。合并腔4近进样部2的一端的横截面面积小于近出口部3一端的横截面面积，避免合并成一颗液滴后接近出口处会被油相的侧向力切断成数颗液滴。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.微流控芯片，包括：基片；以及依次设置在所述基片上的进油部(1)、进样部(2)、合并腔(4)和出口部(3)，以及依次连接所述进油部(1)、所述进样部(2)、所述合并腔(4)和所述出口部(3)的微流道；还包括电极(5)，所述电极(5)产生的电场垂直于所述合并腔(4)；所述合并腔(4)还设置有导流排柱(6)。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述合并腔(4)的纵截面为菱形，所述导流排柱(6)之间的间隙小于液滴的直径的1/4。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述合并腔(4)近进样部(2)的一端的横截面面积小于近出口部(3)一端的横截面面积。

4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述合并腔(4)与所述出口部(3)之间的微流道的横截面面积逐渐变大。

5.根据权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，所述进样部(2)至少为1个。

6.根据权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于，所述电极(5)为接触流道式电极或非接触流道式电极；所述接触流道式电极为指叉式电极。

7.一种样本融合装置，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的微流控芯片。