CN218459546U - 一种液滴分选芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及液滴微流控领域，具体的说是涉及一种液滴分选芯片。本实用新型公开的液滴分选芯片外围设置有一圈屏蔽电极，用于屏蔽非均匀电场，使所述液滴分选芯片利用介电用力原理进行液滴分选时，处于液滴分选芯片液滴入口等其他非分选部位的液滴不受到非均匀电场的干扰或受到的干扰减少，以防止这些部位的液滴在非均匀电场中受到介电泳力并发生相互碰撞和融合。

Description

一种液滴分选芯片

技术领域

本实用新型涉及液滴微流控领域，具体的说是涉及一种液滴分选芯片。

背景技术

微流控芯片(Microfuidic chip)又被称为芯片实验室(Lab-on-a-chip)，是指在一块几平方厘米的芯片上集成生物、化学实验中样品的制备、反应、检测、分离等多个功能，堪称一个微型的实验室。微流控芯片以其微型化、集成化、自动化的优势在生物样品处理、疾病的快速诊断等领域具有巨大的应用潜力，在近些年来已取得了重大发展。

液滴微流控是微流控平台的一个重要分支，是一种操作微小体积液体的全新技术，微小体积液体即液滴。液滴是由一种流体在另一种不混溶的载体流体之内形成的，其发生的本质是乳化现象。根据液滴发生过程中两种不混溶流体所处的角色不同，分别称之为连续相和分散相(不连续相)；分散相就是被分散为液滴的流体，连续相是充当液滴载体的流体。根据单层乳化分散相属于水相或油相的不同，液滴可分为O/W型(水包油型)液滴、 W/O型(油包水型)液滴，其中：O/W型液滴指以油相为分散相，水相为连续相形成的油滴，W/O型液滴指以水相为分散相，油相为连续相产生的水滴。

液滴具有体积小、扩散低、无交叉污染、反应速度快等优势，能用于高通量分析。在实际应用过程中需要进行高通量的液滴分选，而单个液滴体积小，通常在纳升至皮升 (10^-9～10^-12L)的范围内，相应的，应用于液滴分选的芯片体积也较小，尤其是分选芯片中的入口、通道等，其尺寸一般与液滴在同一级别，如果出现一些外在的环境或者本身进入微通道的液体含有杂质,可以显著影响液体的分选效率和效果。

实用新型内容

本实用新型发现，当进入微通道的微小的灰尘、纤维等都容易导致液滴分选芯片的堵塞、破裂或者融合。另外，在液滴分选过程中，流速的微小变化或其他微小外力的作用都会对液滴分选的结果产生显著影响。如何准确有效地进行液滴的快速分选一直是本领域的一个技术难题。为了对混合液滴进行分选，准确快速且自动获取目标液滴，本实用新型提供了一种液滴分选系统，包括液滴分选芯片和/用于控制或者容纳芯片的液滴分选仪。

本实用新型的第一个方面，提供了一种液滴分选芯片；该芯片包括液滴入口、间隔油相入口、高压分选电极、分选液滴出口、废液出口以及连接各出入口的通道。其中，液滴入口用于混合溶液进入，所述混合溶液中包含目标液滴和非目标液滴以及连续相。间隔油相入口用于注入连续相使连续相带动混合溶液进一步向前流动，并能调整液滴的间距和控制液滴流速。高压分选电极用于产生非均匀电场，使目标液滴在该非均匀电场中受到介电泳力从而改变其流向，到达分选液滴出口。分选液滴出口用于收集目标液滴。废液出口用于收集非目标液滴。

在一些方式中，所述芯片还包括偏置油相入口，所述偏置油相入口用于注入连续相，防止非目标液滴误流向分选液滴出口。

在一些方式中，所述芯片还包括屏蔽电极，所述屏蔽电极用于屏蔽高压电极产生的非均匀电场，防止该非均匀电场对非目标区域的其他区域产生干扰。

在一些方式中，所述芯片包括玻璃基片和固定在其上的PDMS芯片，上述液滴入口、间隔油相入口、高压分选电极、分选液滴出口、废液出口、通道、偏置油相入口、屏蔽电极均设置于PDMS芯片上，如通过软光刻工艺雕刻制作成这些微小通道或孔隙结构。

本实用新型的第二方面，对液滴分选芯片的液滴入口处进行了改进。

在进行液滴分选芯片的设计和使用过程中，发明人发现现有的液滴分选芯片的液滴入口处容易被灰尘、纤维等杂质堵塞，同时这些杂质也易造成液滴破裂或者融合，最终导致液滴分选过程不能正常进行或液滴分选效率和回收率降低。

在一些方式中，本实用新型的芯片包括空腔区域，该空腔区域是用于容纳杂质的空间，能容纳灰尘、纤维等杂质，从而避免杂质堵塞问题。可根据可能存在杂质的多少或大小设置空腔区域的大小或者个数。空腔区域大小应足够容纳杂质，但也无需过大，以减少液滴滞留空腔区域，造成损失。

在一些方式中，所述芯片包括注入口，所述注入口用于注入混合溶液；所述混合溶液中包含目标液滴和非目标液滴以及连续相。优选地，所述空腔区域与注入口相连通或者处于注入口的下游，这样可使杂质直接被空腔区域滞留，防止进入芯片的其他部位。当然，所述芯片也可以包括液滴生成单元，通过液滴生成单元生成液滴后直接到达分选部位，而无需注入口结构。此时，液滴生成单元处也可设置所述空腔区域，用于容纳可能进入液滴生成单元的杂质。

在一些方式中，所述芯片包括筛状结构，所述筛状结构位于所述注入口的下游；所述溶液通过所述注入口进入所述芯片后，所述筛状结构使溶液中杂质的流向发生偏转，使其流向所述空腔区域，液体通过筛状结构进行排序。发生偏转的原因后面会详细阐述。

在这个时候，如果混合溶液中含有杂质，例如纤维，灰尘，如果没有空腔区域，这些杂质都会进入到筛状结构的区域内，这样会阻塞筛状结构的缝隙或者微孔，或者微小缝隙，从而可能造成液滴不能通过被阻塞的区域，在不改变压力的情况下，造成液滴破裂，融合，或者是不能高效率的排序，从而也会引起后续的分选效率。尤其是当混合溶液中含有稀有或珍贵的目标液滴的时候，这种破裂或者融合造成液滴数目减少，从而获得稀有或珍贵液滴的数目也相应减少。筛选结构的目的是希望液滴连续的排列好，液滴之间的间隔保持相对的固定，这样方便后续的筛选效率，但是如果筛状结构部分被阻塞，则液滴可能出现不连续，例如一段区域只有油相流动，而没有液滴在内，这样影响了后续的筛选效率。

优选地，所述筛状结构靠近所述注入口一端成角形，所述角形的外围为所述空腔区域。

优选地，所述注入口与所述空腔区域直接相连，且连接处为圆滑设置，可使杂质更容易到达空腔区域。

在一些方式中，所述筛状结构包括圆柱和孔隙。圆柱成规律的间隔排列，构成间隔相同的孔隙结构。圆柱和孔隙的大小需根据液滴的大小设置，液滴可通过孔隙不能通过圆柱，圆柱和孔隙改变了液滴的流径，从而改变其流速，最终使液滴一个接一个并按一定间隔流出。纤维等杂质一般大于液滴，尤其是长度大于孔隙，则难以进入孔隙中。

在一些方式中，空腔区域可位于所述芯片深度方向的顶端，也可位于所述芯片深度方向的底端，这里的深度方向的顶端和底端指的是芯片的垂直方向(如图1中与XY平面的垂直方向)的两端，即与芯片上通道或筛状结构等相比，空腔区域在芯片的深度方向上处于更低和/或更高的位置。换句话说，空腔区域的高度大于筛状结构的高度(图6a)。当空腔区域位于所述芯片深度方向的顶端时，可用于容纳密度小、漂浮在液面上的杂质(图6b)；空腔区域位于所述芯片深度方向的底端时，可用于容纳密度大、位于液面底部的杂质(图 6c)。这个时候，进入筛状结构的混合液就减少了杂质的进入，而防止了杂质造成的空隙的阻塞问题。当然，所述空腔区域也可同时位于所述芯片的深度方向的顶端和底端以及同一水平高度处(图6d)，例如在所述注入口下游，筛状结构上游设置一空腔区域，该空腔区域的深度大于所述筛状结构，底端比所述筛状结构更深，顶端比所述筛状结构更高。

在一些方式中，所述杂质除了芯片制作过程中可能残留在芯片中的纤维或是混合溶液中带入的纤维、灰尘外，也可能是玻璃碎片等其他杂质。

本实用新型的第三方面，对液滴分选芯片的分选通道的结构进行了改进。

发明人发现现有的液滴分选芯片的分选通道多成分叉的“Y”形，没有防止非目标液滴进入分选液滴出口一侧的设置。例如专利202110644418.6(CN113477282A)的分选通道为Y形：在检测到目标液滴时，施加负压改变目标液滴运动方向使其流向收集口；而非目标液滴到达分选部位时，无阻碍非目标液滴流向收集口一侧的作用力或使非目标液滴流向废液口一侧的作用力，非目标液滴也可能流向收集口，造成分选失败或最终获得的目标液滴中混有一定量非目标液滴的情况，分选的准确性低。

在一些方式中，本实用新型的所述分选通道为通道的一部分(如图1和图7)，所述分选通道由主通道、目标通道、偏置通道、废液通道和分选部位组成，其形状类似“X”形，所述主通道和偏置通道位于所述分选通道的上游，所述偏置通道和废液通道位于所述分选通道的下游。所述主通道用于混合溶液通过，所述混合溶液包括液滴和连续相；所述偏置通道用于流体通过并产生横向阻力，该横向阻力能防止非目标液滴由主通道通过分选部位后进入目标通道，从而提高了分选的准确性。偏置通道中的流体可以为气体也可以为液体，例如，由偏置通道通入氮气，该氮气吹向非目标液滴，使其流向废液通道。优选地，该流体为液体且与混合溶液中的连续相相同。

应当说明的是，该处的横向阻力不能太大，太大可能使液滴碰撞通道壁并造成液滴破裂。若是如专利202110644418.6中利用负压进行分选，该阻力应小于作用于目标液滴的压力。应根据待分选液滴、芯片结构、分选力(如磁力、水动力等)等来确定该阻力的大小范围。可通过偏置通道的方向和大小、流体的流速大小等来改变阻力的大小。

在一些方式中，所述主通道与偏置通道相互平行且尺寸相同。应当说明的是，通道截面指通道在竖直方向上的截面(如与图1中XY平面垂直的Z方向截面)，可以是圆形、半圆形、长方形或其他不规则多边形。这里的相互平行是指在流路方向上，主通道与偏置通道是相互平行的，尺寸相同是指二者通道截面的大小和形状相同。

在一些方式中，所述流体为连续相，所述连续相在所述偏置通道中的流速小于或等于所述混合溶液在所述主通道中的流速。

在一些方式中，所述偏置通道与主通道呈一定的夹角，该夹角为0～90°。

在一些方式中，所述芯片还包括高压分选电极，所述高压分选电极用于导电，产生非均匀电场，使目标液滴在介电泳力的作用下偏转至目标通道。

在一些方式中，所述芯片包括间隔油相入口和偏置油相入口，所述偏置油相入口用于向所述主通道泵入连续相，所述偏置油相入口用于向所述偏置通道泵入流体，优选地，所述流体与所述连续相相同。

在一些方式中，所述流体与所述连续相相同，所述芯片包括油相入口，所述油相入口向所述主通道和偏置通道泵入所述连续相，可通过改变所述主通道和偏置通道的尺寸大小来调控两通道中的流速大小。

优选地，所述目标通道和废液通道的尺寸均大于所述主通道和偏置通道的尺寸(尺寸指通道竖直截面的大小和形状)。

优选地，所述目标通道和所述废液通道通过分支通道相互连通，所述分支通道允许所述连续相或所述流体通过，不允许液滴通过。所述分支通道能使所述目标通道和所述废液通道进行液体交换，从而平衡两通道的压力，防止两通道间存在较大的压力差，干扰液滴分选过程。所述分支通道的数目大于1，分支通道的数目和大小应根据液滴分选芯片的大小，分选的液滴大小及通道尺寸等具体情况进行设定。

本实用新型的第四方面，本实用新型提供的液滴分选芯片具有屏蔽电场干扰的屏蔽电极。

在一些方式中，所述芯片利用介电泳力进行液滴的分选，此时，可在所述芯片外围设置一圈屏蔽电极。这里的一圈指沿芯片中各通道、微机构等的外围分布环绕一圈(如图1)，在芯片使用过程中其与仪器保护地线相连接。该设置能对各区域的干扰电场进行屏蔽，且屏蔽电极成一体结构，制备时只需将液态的金属或电解质溶液注入刻好的河道即可，简单方便。

如专利201910470013.8中设置有两个分选电场，这两个电场除了能在分选部位产生非均匀电场外，其产生的电场也可到达芯片的其他部位如入口、各通道等，在这些部位同样会有作用于液滴的介电泳力，可引起液滴碰撞融合、流速变化等干扰作用，另外，专利201310102904.0中的利用介电泳力的颗粒分选装置中同样存在电场干扰问题。本实用新型的屏蔽电极屏蔽了分选部位以外的的电场干扰，可使液滴分选过程更加稳定顺利地进行。

优选地，所述屏蔽电极为金属电极。

在一些方式中，所述金属电极由液态的金属凝固后形成。

在一些方式中，所述金属电极为下述的一种或多种金属组成：铟、锡、锌。

在一些方式中，所述金属电极为合金，合金的熔点低于200℃，优选40℃～80℃，以便于在电极制备过程中使合金呈液体状态。例如所述金属电极为铟、锡、锌合金时，其熔点在40℃～80℃间，制备金属电极时，只需将该合金加热至80℃使其呈液体状态，再倒入刻好的电极河道中，冷却后即可形成所述金属电极，该过程可避免使用高温，降低了加热成本和烫伤风险，且缩短了加热和冷却时间。在一些方式中，如本实用新型的第一方面，所述芯片包括液滴入口、油相入口、高压分选电极、分选液滴出口、废液出口以及连接各出入口的通道，屏蔽电极为围绕这些结构的一圈金属丝且其深度大于或等于通道。

本实用新型的第五方面，提供了一种液滴分选系统，所述系统包括液滴分选芯片、液滴分选仪、计算机系统。

所述液滴分选仪包括监测模块，所述监测模块包括识别单元，所述识别单元用于采集分选后液滴的信息并传输到计算机系统，所述计算机系统判断所述分选后液滴是否为目标液滴。

在一些方式中，所述识别单元为光学相机，所述光学相机为CCD相机和/或CMOS相机。

在一些方式中，所述计算机系统包括灰度对比程序，该程序能对比光学相机采集图片中的灰度信息，并判断液滴是否被分选成功。

在一些方式中，所述计算机系统包括深度学习模型，所述深度学习模型用于识别所述 CCD相机或CMOS相机获取的液滴信息图片，从而判断液滴是否被正确分选。

在一些方式中，所述深度学习模型包括VggNet、ResNet和YOLOv等，优选YOLOv5。

在一些方式中，所述识别单元具有荧光激发和采集功能，通过提供激发光至分选后液滴，若为目标液滴则产生一定强度的荧光，再采集该荧光即可判断液滴是否被正确分选。

在一些方式中，所述识别单元采集每一个分选后液滴信息并传输到计算机系统，所述计算机系统判断所述每一个分选后液滴是否为正确分选液滴并统计正确分选液滴和非正确分选液滴的数目。这里的正确分选液滴是指进入目标通道中的液滴与预期的液滴是相同的，非正确分选液滴指进入目标通道的液滴与预期不同。

在一些方式中，当所述计算机系统判断所述分选后液滴不是正确分选液滴或非正确分选液滴的数目累计达到一定数目或者非正确分选液滴累计达到一定比例时，发出预警和/ 或向所述液滴分选仪发出指令停止液滴分选过程。实际使用过程中，可根据具体的需求设置预警和/或停止液滴分选过程的阈值。若是对最终分选液滴出口收集液滴的被正确分选液滴的比例要求高，如100％，则可一旦发现非正确分选就停止液滴分选过程；若是要求较低，也可经过多次分选错误后，例如100次后停止液滴分选过程。当然，也可统计非正确分选液滴累计达到的比例，即非正确分选液滴数与通过目标通道中液滴总数的比值，当该比例达到一定值时发出预警和/或停止液滴分选过程。例如，当非正确分选液滴比例为1％、2％、3％或10％时，计算机系统发出停止液滴分选过程的指令。

在一些方式中，所述液滴分选仪还包括芯片模块、荧光模块和电极驱动模块；所述芯片模块用于放置所述液滴分选芯片，所述荧光模块用于激发和检测荧光，所述电极驱动模块用于向所述液滴分选芯片提供高压电。

在一些方式中，所述液滴分选芯片为本实用新型第一方面提供的液滴分选芯片。

在一些方式中，所述监测模块还包括压力监测单元和流速监测单元，所述压力监测单元用于监测所述系统的压力，所述流速监测单元用来监测所述系统的流速。

本实用新型的第六方面，提供了一种液滴分选的方法。

在一些方式中，所述方法通过本实用新型第五方面的液滴分选系统进行，其具体包括以下步骤：

S1、将液滴分选芯片置于芯片模块中，通过计算机系统设置分选参数；

S2、混合溶液在样品压力泵的推动下从液滴入口进入液滴分选芯片并形成依次排列的液滴流。连续相在间隔油压力泵的推动下由间隔油相入口注入连续相，该连续相与液滴流汇合，进一步使液滴流中的液滴成一定间隔的单个依次排列，并带动液滴流继续向前移动。同时，连续相由偏置油相入口注入并进入偏置通道。

S3、待分选液滴到达分选部位时，所述荧光模块提供激发光照射待分选液滴、检测荧光信号、将该荧光信号放大后转变为电信号并传输到计算机系统；计算机系统通过接收的电信号判断所述待分选液滴是否为目标液滴，若为目标液滴则输出指令至电极驱动模块，电极驱动模块传输高压电至高压分选电极，产生非均匀电场，在非均匀电场作用下，产生作用于待分选液滴的介电泳力使待分选液滴发生偏转流向目标通道；若为非目标液滴，则计算机系统判断为非目标液滴，不向电极驱动模块发出指令，待分选液滴流向废液通道，此时，在分选部位，由偏置通道进入的连续相可产生阻碍待分选液滴进入目标通道的横向阻力，防止非目标液滴误流进目标通道。

S4、所述识别单元采集目标通道中分选后液滴的信息并传输到计算机系统，所述计算机系统判断所述分选后液滴是否正确被分选。

在一些方式中，在进行液滴分选时，所述计算机系统统计正确被分选液滴的数目、比例等信息并能显示和反馈系统的运行状态。

本实用新型的优势在于：

一、本实用新型提供了一种液滴分选芯片(1)该芯片设置有容纳杂质的空腔区域，能有效减少或避免芯片堵塞问题；(2)该芯片设有防误流结构，提高了分选的准确性；(3)该芯片外围设置了一圈静电屏蔽电极，可防止电场干扰，使芯片工作时更加稳定。

二、本实用新型提供了一种液滴分选系统(1)通过该系统可进行全自动的液滴分选，减少了人为操作；(2)该系统设有监督机制，能对分选后液滴进行监测，增加了系统的稳定性和可控性；(3)该系统能统计分选后液滴的个数或目标液滴比例数据，无需进行进一步的统计或确认；(4)通过该系统能进行高通量的液滴分选且液滴分选的准确性高。

附图说明

图1一种液滴分选芯片的平面结构示意图。

图2现有技术中的两种液滴入口结构示意图。

图3实施例2提供的一种液滴入口结构示意图。

图4杂质进入含空腔结构(a)和不含空腔结构(b)的液滴入口时的对比图。

图5图3中液滴入口结构工作时的显微电镜图。

图6实施例2中空腔区域与筛状结构的深度方向位置关系示意图。

图7实施例3提供的一种分选通道结构示意图。

图8实施例3提供的另一种分选通道结构示意图。

图9一种“Y型分选通道。

图10本实用新型提供的一种液滴分选仪的整体示意图。

图11为图10液滴分选仪的内部结构示意图。

图12为图10液滴分选仪内部另一方向的结构示意图。

图13灰度采集图片以及采集区域灰度与时间关系曲线。

图中：1-液滴入口，2-偏置油相入口，3-间隔油相入口，4-高压分选电极，5-屏蔽电极， 6-分选液滴出口，7-废液出口，8-通道，9-杂质，10-液滴，11-注入口，12-颈通道，111-圆滑设置，13-调节结构，131-筛状结构，1311-圆柱，1312-孔隙，1313-角形，132-空腔区域，81-分选通道，811-主通道，812-目标通道，813-偏置通道，814-废液通道815-分选部位，815a-左侧，815b-右测，816-分支通道，100-玻璃底片，101-PDMS芯片，200-芯片模块、 300-荧光模块、400-泵驱动模块、500-电极驱动模块、600-电路模块、700-监测模块。

详细说明

1、混合溶液、目标液滴和非目标液滴

本申请中混合溶液均是指含有液滴和连续相的溶液。其中，液滴包括目标液滴和非目标液滴。液滴可以是W/O型、O/W型、W/O/W、O/W/O中的一种，或W/O型和O/W/O，或O/W型和W/O/W型。连续相可以为单一的油相或水相，也可能是多种互溶的液体试剂。目标液滴指需要的液滴，在本申请中包括通过分选部位时能激发产生一定强度荧光的液滴或包裹目标物的液滴。非目标液滴指混合溶液中目标液滴以外的其他液滴。例如由液滴生成芯片制备含有W/O型液滴的溶液(即混合溶液)，其中，液滴生成时能产生包裹目标细胞、蛋白等的液滴(即目标液滴)，也可能产生无包裹物或包裹物错误的其他液滴(即非目标液滴)。

2、待分选液滴和分选后液滴

本申请中待分选液滴指将通过液滴分选芯片进行分选的液滴，为混合溶液中的液滴、或者在液滴分选时位于分选部位前端通道中液滴或位于液滴分选部位的液滴。分选后液滴指已通过液滴分选芯片进行分选的液滴，为分选后到达目标通道中的液滴、或者由分选液滴出口收集的液滴、或者到达废液通道的液滴。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。应当指出的是，实施例只是对本实用新型的详细阐述，不能以此限定本实用新型的保护范围。本实用新型的实施例中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均能够以任何方式组合，均在本实用新型的保护范围之内。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，按本实用新型的技术思想所做的任何改动都应在本实用新型的保护范围之内。本实用新型未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

实施例1液滴分选芯片

如图1为本实用新型提供的一种液滴分选芯片，该芯片由玻璃底片100和固定在其上的PDMS芯片101组成。PDMS芯片131上设置有液滴入口1、间隔油相入口3、偏置油相入口2、高压分选电极4、分选液滴出口6、废液出口7、连接各出入口的通道8以及屏蔽电极5。

液滴入口1用于包含液滴的混合溶液进入。间隔油相入口3用于注入连续相使连续相带动混合溶液进一步向前流动，并能调整液滴的间距和控制液滴流速。偏置油相入口2用于注入连续相，防止非目标液滴误流向分选液滴出口。高压分选电极4用于产生非均匀电场，使目标液滴在该非均匀电场中受到介电泳力从而改变其流向，到达分选液滴出口6。分选液滴出口6用于收集目标液滴。废液出口7用于收集非目标液滴。屏蔽电极5用于屏蔽高压电极产生的非均匀电场，防止该非均匀电场对非目标区域的其他区域产生干扰。

实施例2液滴入口

在液滴入口1处，发明人发现注入口11通过一段颈通道12与调节结构13连接，调节结构13中有筛状结构131(如图2a)，在进行液滴分选的过程中容易发生芯片部分或全部堵塞的情况，导致分选过程不能继续进行。电镜下观察发现，纤维等杂质堵塞了颈通道12 并且存在纤维等杂质进入筛状结构131的孔隙1312造成堵塞的情况。另外，如利用专利202021628514.0所示的液滴腔室结构(图2b)作为液滴入口1，仍然存在堵塞问题。

这些杂质可能来自于芯片制作过程，例如PDMS切割产生的PDMS纤维，也可能是混合溶液中带入的杂质，例如灰尘、微小颗粒等等。为了解决以上问题，本实用新型提供了新的设计，可以有效减少杂质对芯片的堵塞，包括入口处和筛状结构131区域的阻塞，能让液滴更加顺畅的进入筛状结构131区域进行有序排列。

为了给纤维等杂质提供一个容纳空间，以防止杂质进一步进入分选芯片，特别是调节结构13中筛状结构131区域中，在调节结构13中设有空腔区域132，该空腔区域132用于容纳纤维等杂质。

在一些方式中，空腔区域132位于调节结构13角形的边内围处，或者位于筛状结构131区域的外围。该空腔区域132里面是不含有或者实质不含有筛状结构131，但是可以分布在筛状结构131区域的外围，与筛状结构131相连通。当混合溶液进入筛状结构131 的时候，液滴通过筛状结构131区域，从而进行有序的排列。当具有空腔区域132的时候，空腔区域132为空白空间，而筛状结构131区域成筛状，混合溶液会碰到筛网上，其进入到筛状结构131区域并穿过该区域受到的阻力大于混合溶液流入到空腔区域132的阻力，溶液中带有的杂质，特别是纤维杂质就会优先进入到空腔区域，而减少进入筛状结构132 区域的机会，这个可能是空腔区域132能容纳纤维等杂质并防止这些杂质进入筛状结构131 的原因之一。一般纤维杂质的长度是大于液滴的直径的，当纤维进入到筛状结构131区域中，会缠绕在筛状结构131区域的圆柱1311上，并位于或者堵塞孔隙1312，会阻碍液体的流动，另外，如果液滴直接接触进入筛状结构131的这些纤维杂质，会让液滴破裂或者融合，从而在后续的分选中，获得目标液滴的数目就会减少。

在一些方式中，容纳杂质的空腔区域132分布在入口的两侧，同时位于筛状结构131 区域的外围，或者是，容纳杂质的空腔区域132分布在入口，一般在入口具有分叉或者没有分叉，从入口流入的混合溶液进入到筛状结构131区域中，一部分进入到容纳杂质的空腔区域132。如图3所示，容纳杂质的空腔区域132分别位于筛状结构131区域的外围，呈“人”或者“八”的形状分布，当然，只在一侧也是可行的。

在一些方式中，如图3，筛状结构131上端在水平方向上(XY方向上)也呈角形1313，该角形1313边与调节结构13的角形边中间的区域即为空腔区域132。当混合溶液从注入口11进入芯片后，若溶液中存在纤维类杂质，该杂质长度一般大于液滴，易撞到圆柱1311，从而流向两侧的空腔区域132并被滞留住，这样能有效避免纤维类杂质进入筛选结构131 中。应当说明的是，将空腔区域132与混合溶液的注入口11直接相连通，并在注入口11 处设置能改变混合溶液流向的结构，使混合溶液或其中的杂质碰到该结构后流向发生改变并先流向空腔区域132，再从空腔区域132进入筛状结构131。如图4所示，当混合溶液中的杂质9进入液滴分选芯片时，若无空腔区域132，则会堵塞在入口处；若存在角形1313 与调节结构13的角形边中间的“八”字形空腔区域132时，混合溶液中的杂质9碰到角形1313的尖角，流向由向前改为向侧边流动，到达空腔区域132后，就会被横向卡在空腔区域132，从而不能再进入筛状结构131，该结构在实际使用时液滴10的流动和滞留杂质9的情况如图5所示。除了角形1313成三角形尖角状外，角形1313的尖角处也可以呈圆弧状，更有利于杂质流向的改变。当然，在注入口11前端也可设置一小段长方体结构或台型结构等其他能改变流向的结构。空腔区域132优选上述的“八”字形空间，也可以为长方体形、圆柱形等其他形状。

如图3，注入口11与调节结构13直接相连，避免了颈通道12的堵塞。换句话说，入口进来的混合液体可以直接进入到调节结构13，而不经过一个类似的缓冲区域，让进入的液体更大面积或者更大切面的面积进入筛状结构131区域，其实一些液滴也可以通过空腔区域132与筛状结构131区域的界面进入到筛状结构131区域中并排序。

在一些方式中，调节结构13所在的区域与注入口11连接处为圆滑设置111(图3)，而非尖角形，可减少向前的阻力，能进一步避免注入口11堵塞。尤其是，注入口11两侧为空腔区域132时，从注入口11进入的混合溶液通过圆滑设置111进入调节结构13，可避免混合溶液与尖角碰撞，从而使混合溶液受到的阻力减小更容易流向下游的调节结构13；混合溶液外围与芯片内壁接触的液滴或杂质在与圆滑设置111接触时受到的摩擦力也会减小，更易流向两侧的空腔区域132；另外，圆滑设置111也使空腔区域132的入口更大，易于混合溶液进入。

空腔区域132位于液滴分选芯片深度方向的顶端和/或底端，如筛状结构131的竖直方向的顶端和/或底端，或者其深度和/或高度大于筛状结构131的深度和/或高度(图6)。

在一些方式中，在调节结构13位于注入口11一端的深度方向或者说是竖直方向(与 XY平面垂直的方向，记为Z方向)上设置空腔区域132。空腔区域132位于筛状结构131的角形1313外围对应区域的上方。若混合溶液中存在较细小的杂质，其密度低于液体，例如灰尘，该杂质会漂浮于溶液上方，当到达空腔区域132时，能被空腔区域132滞留，从而避免进入筛状结构131或进入下游通道。

在一些方式中，空腔区域132位于筛状结构131的角形1313外围对应区域的下方。若混合溶液中存在密度高于液体的杂质，例如细小的玻璃碎片，该杂质会位于溶液的底部，当到达空腔区域132时，能被空腔区域132滞留，从而避免该杂质进入筛状结构131或进入下游通道。

在一些方式中，空腔区域132也可以直接位于筛状结构131的深度方向的顶端或底端，其可以位于筛状结构131的上游、中间或下游区域的顶端或底端。此时，混合溶液首先到达筛状结构131，但由于其中密度较大或较小的杂质漂浮在溶液的顶部或底部，密度较大的杂质就会沉在底端，滞留于空腔区域132；当筛状结构131注满溶液时，密度较小的杂质会漂浮在顶端，到达空腔区域132并被滞留。该设置尤其适用于杂质密度较大或较小且体积相对较细小的情况，例如灰尘、细小的玻璃或金属颗粒等。优选地，空腔区域132位于筛状结构131上游区域的顶端或底端，此时，空腔区域132位于混合溶液流路上游，其中的杂质能早点到达空腔区域132并被滞留，避免杂质在筛状结构131中流经更多的地方或待更长的时间从而干扰更多的液滴。在一些方式中，空腔区域132深度或高度大于筛状结构131的深度或高度，空腔区域132位于筛状结构131的外围处，且其深度可以大于筛状结构131和/或高度大于筛状结构131。此时，混合溶液从注入孔进入芯片后，首先易于到达空腔区域132，此时，溶液中的杂质，包括纤维或漂浮在溶液顶端的灰尘或是沉在溶液底端的细小玻璃，均可被空腔区域132滞留。

实施例3分选通道

1、分选通道及其改进

如图7所示为分选通道81。分选通道81由主通道811、目标通道812、偏置通道813、废液通道814以及各通道交汇处的分选部位815组成。

依次排列的待分选液滴在间隔油相的带动下在主通道811中向前流动，在通过检测器时，检测器若检测到待分选液滴为目标液滴，则通过高压分选电极4施加电压，产生介电泳力，使待分选液滴在分选部位815处发生偏转进入目标通道812。若待分选液滴为非目标液滴，该液滴在间隔油相的带动下流向废液通道814。同时，偏置油相通过偏置油相入口2进入偏置通道813，并进一步流入目标通道812，该设置可以在分选部位815产生一定的横向阻力，防止非目标液滴误流进目标通道812，该横向阻力方向为从偏置通道813 向主通道812一侧，即此处为从左向右。需要注意的是，该阻力不能太大，太大可能使液滴向右冲撞通道壁，从而发生破裂或变形，且大于介电泳力时，可能使目标液滴进入时不能发生偏转。

(1)在一些方式中，偏置油相和间隔油相相同且与连续相同，例如分选氟化油型的W/O液滴时，偏置油相和间隔油相均为氟化油。主通道811、目标通道812、偏置通道813 和废液通道814均为椭圆形通道。主通道811与偏置通道813的尺寸(即竖直方向通道截面的形状和面积，面积记为R1)相同且相互平行；目标通道812与废液通道814的尺寸相同(竖直方向通道截面的面积记为R2)且相互平行，R2大于R1。主通道811中的氟化油的流速小于或等于偏置通道813的流速，即可有效防止非目标液滴误流进入目标通道812：

①偏置通道813中氟化油流速小于主通道811时，分选部位815的左侧815a流速小于右测815b流速。根据伯努利效应，流速较大的位置压强小，流速较小的位置压强大，因此，左侧815a压强大于右测815b，则会产生从左向右的作用力(即横向阻力)，防止经过右侧815b处的非目标液滴到达左测815a，从而进入目标通道812。

②偏置通道813中氟化油流速等于主通道811时，左侧815a压强与右测815b相等，非目标液滴由主通道811后继续向前流动，通过分选部位后达到废液通道814。同时，当非目标液滴若从右侧815b偏向左侧815a区域流动时，由于815a区域有来自偏置通道813 的氟化油通过，非目标液滴就会受到自偏置通道813侧向主通道811侧阻力(即从左向右的横向阻力)，阻碍非目标液滴流向左侧815a。

R2大于R1可以使目标通道812和废液通道814中流体的流速小于主通道811和偏置通道813，可减小分选部位815前端阻力对液滴的流速影响及避免其对液滴的分选过程可能产生的干扰。

在一些方式中，在目标通道812和废液通道814间设有连通的分支通道816，该分支通道816允许液体通过，不允许液滴通过。通过分支通道816可使目标通道812和废液通道814中的液体进行交换，以使目标通道812和废液通道814中的压力相近，以防止目标通达812中压力过大阻碍目标液滴进入或废液通道814中的压力过大阻碍非目标液滴进入。

(2)如图8，偏置通道813与主通道811呈一定的夹角，该夹角为0～90°。从偏置通道813进入的偏置油相会产生从左向右的动力(即横向阻力)，能阻碍主通道811中的非目标液滴误入左侧目标通道。同理，动力不能太大，即偏置通道813中偏置油相的流速应控制在合理的范围内：①当夹角大时，偏置油相的流速应较小；当夹角小时，偏置油相的流速应较大。②同时，该流速与主通道811中混合溶液的流速有关，混合溶液的流速越大其越大；混合溶液的流速越小其越小。③此外，也需要考虑介电泳力的大小和伯努利效应。

总的来说，①当非目标液滴通过分选部位815时，将其受到的XY平面上的作用力分为流向方向的作用力和与流向方向垂直的作用力，与流向方向垂直的作用力方向为从偏置通道813一侧向主通道811一侧(即横向阻力，图7和图8中为从左到右的作用力)，从而使非目标液滴在通过分选部位815的这段距离内不会从右侧815b偏移至左侧815a。②当目标液滴通过分选部位815时，目标液滴除了受到非目标液滴受到的作用力外，还受到介电泳力的作用，其合力在与流向方向垂直的作用力与横向阻力的方向相反，并能使目标液滴在通过分选部位815的这段距离内由右侧815b偏移至左侧815a，从而进一步进入目标通道812。

(3)图1中的芯片设有两个油相入口，即间隔油相入口3和偏置油相入口2，分别控制偏置通道813和主通道811中的液体流速。两个入口需要分别用泵等进行动力驱动，动力驱动会存在误差，会导致通道中实际流速大小与设置的流速间存在偏差，而液滴分选芯片管道是非常细小的，微小的偏差都会影响分选结果。此外，两个驱动也会增大成本。因此，本实用新型提供了另一中液滴分选芯片。该芯片偏置油相和间隔油相均从同一个入口 (油相入口)进入，通过调整偏置通道813(竖直方向通道截面的面积Ra)和主通道811 (竖直方向通道截面的面积Rb)的尺寸即可改变偏置通道813和主通道811的流速。当 Ra等于Rb时，两通道流速相等；当Ra>Rb时，偏置通道813流速<主通道811流速；当 Ra<Rb时，偏置通道813流速>主通道811流速。应当注意的是，混合溶液从注入口11进入后与从油相入口100进入主通道811的油相混合，混合液对流速可能会产生影响，根据混合溶液注入的速度、液滴密度大小等，该影响可能可以忽略不计，也可能需要考虑从而需对主通道811的内径进行相应调整。

2、液滴分选试验

发明人分别利用图7的“X”型分选通道(试验组)和图9的“Y”型分选通道(对照组)进行液滴分选实验。

试验组：图7中主通道811和偏置通道813的宽度为54微米，深度为60μm，分选部位815水平截面为148μm×60μm的长方形，目标通道812和废液通道814的宽度为128μm，深度为60μm。在进行分选液滴时(液滴包括目标液滴和非目标液滴，目标液滴为包裹有目标物的W/O液滴，液滴直径约为45μm，目标物为单个细胞；非目标液滴未包裹目标物)，设置主通道811的流速为20μL/min，偏置通道813的流速为20μL/min。分选了大约含100 万个液滴的混合溶液(目标液滴的比例约为1％)，收集分选液滴出口6处的液滴溶液，通过显微电镜观察、统计其中正确分选液滴(即目标液滴)和非正确分选液滴(即非目标液滴)的数目并计算正确分选液滴的比例，正确分选液滴的比例为99.5％。

对照组：图9中的“Y”型分选通道由主通道811、目标通道812、废液通道814以及各通道交汇处的分选部位815组成。主通道811的宽度为54μm，深度为60μm，目标通道 812和废液通道814的宽度为128μm，深度为60μm，分选部位815水平方向截面呈不规则形状，其他均同试验组进行液滴分选和统计，正确分选液滴的比例为92.9％。

由试验结果可知，“X”型分选通道分选的准确率显著高于“Y”型分选通道，其偏置通道813能有效防止非目标液滴误流进目标通道812。

实施例4屏蔽电极

图1所示的液滴分选芯片利用介电泳力进行液滴的分选。介电电泳(DEP)是指流体中的粒子在被加载非均匀电场后，粒子内部电荷会被诱导极化，从而向电场梯度的正或负方向运动的效应。在液滴分选过程中，高压分选电极4会施加非均匀电场，该电场以高压分压电极4为中心向外递减传播，若不对电场进行屏蔽，电场范围可能覆盖整个芯片从而产生干扰，例如，若在液滴进入分选通道81前位于干扰电场中，则可能会产生介电泳力，从而使液滴不能成单个依次排列，有可能发生融合或成不规律排列等。

为了避免干扰电场的影响，如图1，在芯片外围设置有一圈屏蔽电极5，该屏蔽电极5 为沿液滴入口1、间隔油相入口3、偏置油相入口2、高压分选电极4、分选液滴出口6、废液出口7和通道8外围的金属丝结构。该金属丝首尾未闭合，在芯片使用过程与仪器保护地线相连接从而起到电场屏蔽作用。

现有技术在制作液滴分选芯片时，先在玻璃底片上制作电极，在PDMS芯片上刻画上述的液滴入口、通道等结构，再将玻璃底片和PDMS芯片对准，使PDMS芯片交联到玻璃底片上。该过程需要精确控制电极和PDMS芯片上通道等结构的位置，使电极和PDMS 芯片上各结构的距离在预定范围内。该制作过程复杂且电极与通道等结构的距离难以准确控制。本实用新型提供的屏蔽电极可直接在PDMS芯片上刻画屏蔽电极5所处位置的河道，将液态的金属注入该河道，待其冷却成型即可形成屏蔽电极5。因此，可以避免电极与其他结构的对准操作，制作过程简单，且位置可控。

相对于分布于液滴分选芯片的呈多个不连续分布的屏蔽电极，本申请的屏蔽电极5呈一体结构，一次灌注液态的金属即可，而不需要多次灌注，更加便于芯片的制作。PDMS上刻画的河道是非常细小的，在灌注液态金属时，需要准确控制液滴金属的量，使其即能充满河道又不会溢出造成浪费或污染，因此，一次灌注能使芯片的制作更加简单和可控。此外，在芯片的使用过程中，屏蔽电极5需要与仪器的保护地线相连接，本申请中的一体结构的屏蔽电极5只需进行一次与仪器保护地线的连接，方便操作；而多个不连续分布的屏蔽电极则需要进行多次连接，操作较为繁琐。

在一些方式中，河道截面可以是圆形、半圆形、长方形、梯形或其他形状，河道的深度大于或等于通道8，灌注液滴金属凝固后形成的屏蔽电极5的形状与河道相同，其截面和深度与河道一致。

在一些方式中，河道中也可不使用金属，而直接使用液态的盐溶液(例如2MNaCl)。使用盐溶液能和金属一样屏蔽电场，但在实际使用过程中，发明人发现：(1)若将盐溶液密封于河道中，盐溶液容易干涸且不易封装，因而会增加操作难度并可能影响屏蔽效果。 (2)若在芯片使用的过程中通过泵使盐溶液在河道中循环流动，虽然能避免封装和干涸的问题，但需要多使用泵和容器，占空间且增大了成本。此外，盐溶液的稳定性较低，溶液的配置、保存等问题都需要关注。使用金属时，只需要将液态的金属注入河道，待其成型即可，无需过多的操作，且后期使用过程稳定。因此，屏蔽电极5优选金属电极。

在一些方式中，金属电极为铟、锡、锌合金，该合金的熔点为40℃～80℃，相对于铜、铁等高熔点金属，制作时只需将合金加热至80℃即可使其处于液体状态，灌注到河道后，冷却时间短，且不存在烫伤风险。

实施例5液滴分选系统

1、如图10-12为本实用新型提供的一种液滴分选仪，该液滴分选仪包括芯片模块、荧光模块、泵驱动模块、电极驱动模块、电路模块和监测模块。

芯片模块用于放置液滴分选芯片。荧光模块用于提供激发光和采集荧光信号。泵驱动模块用于泵入混合溶液或连续相等流体，包括样品压力泵、间隔油压力泵、偏置油压力泵及其驱动和连接装置。电路模块用于连接各模块以进行信号或指令的传导。

监测模块用于监测液滴分选仪是否运行正常。监测模块包括压力监测单元和识别单元。压力监测单元用于监测系统的压力是否正常，包括样本压力泵、间隔油压力泵、偏置油压力泵的泵压等。识别单元用于识别目标通道内是否为正确分选液滴，此处为CCD相机，该CCD相机能快速拍照记录目标通道中的每个液滴的图片数据，并将获取的数据传输至计算机系统。

2、图1中的液滴分选芯片、图10中的液滴分选仪和计算机系统构成本实用新型的一种液滴分选系统，使用所述系统进行液滴分选时，包括以下步骤：

S1、将图1中的液滴分选芯片置于芯片模块中。通过计算机系统设置各模块的参数，包括样品压力泵的流速、间隔油压力泵流速、偏置油压力泵流速、激发光波长等。

S2、开始进行液滴分选过程，混合溶液在样品压力泵的推动下从液滴入口进入液滴分选芯片并在主通道811中形成依次排列的液滴流。连续相在间隔油压力泵的推动下由间隔油相入口3注入，该连续相与液滴流汇合，进一步使液滴流中的待分选液滴成一定间隔的单个依次排列，并带动液滴流继续向前移动。同时，连续相在偏置油压力泵的推动下由偏置油相入口2注入并进入偏置通道813。

S3、待分选液滴到达分选部位815前端时，经荧光模块提供的激发光激发，若为目标液滴，则产生一定强度的荧光信号，该信号经荧光模块检测放大后转变为电信号并传输到计算机系统；计算机系统通过接收的电信号判断是否为目标液滴，若为目标液滴则输出指令至电极驱动模块，电极驱动模块传输高压电至高压分选电极，产生非均匀电场，在非均匀电场作用下，产生作用于液滴的介电泳力使液滴发生偏转流向目标通道；若为非目标液滴，则无荧光产生，或接收的荧光信号低于阈值，计算机系统判断为非目标液滴。不向电极驱动模块发出指令。非目标液滴流向废液通道，且偏置油相提供了从目标通道向废液通道方向的阻力或者说是阻碍非目标液滴流向目标通道的横向阻力，可有效防止非目标液滴误流进目标通道。

S4、CCD相机采集目标通道中分选后液滴的图片信息并传输到计算机系统，所述计算机系统判断液滴是否被正确分选。

计算机系统判断液滴是否被正确分选的方法可采用灰度对比程序。灰度对比程序通过将CCD相机采集的图片中目标通道中分选后液滴的灰度与含有非正确分选液滴的灰度图片或正确分选液滴的灰度图片进行对比，从而判断目标通道中的分选后液滴是否为正确分选液滴。一般来说，正确分选液滴中往往包裹有细胞、蛋白、微球等目标内容物，其灰度会大于非正确分选液滴。例如图13，图13a为液滴分选时获取的照片，灰度对比程序能识别图13a虚框(采集区域)内的灰度，也可绘制采集区域灰度与时间的变化曲线(图13b)，并通过灰度对比和变化判断是否为正确分选液滴。

计算机系统也可以包括深度学习模型，通过深度学习模型判断液滴是否被正确分选。深度学习模型被广泛应用于人脸识别【基于深度学习的人脸属性识别方法综述，赖心瑜等，计算机研究与发展，2021，58(12)，2760-2782】、车辆识别【深度学习图像识别技术在车辆检测及车型识别中的应用综述，王烨，人工智能与识别技术，2021年第6期】等图像识别中，能准确识别图像中单个或多个复杂个体。利用深度学习模型可对图片中的液滴进行识别，从而判断是否为目标液滴。与灰度对比法相比，深度学习模型可对具有不同特征的目标液滴进行识别，除了灰度特点外，也包括液滴大小、颜色、形状等信息，其识别的准确性更高。深度学习模型包括VggNet、ResNet和YOLOv等。本实用新型选取了YOLOv5，该模型训练和应用包括以下过程：①通过预先对目标液滴进行拍照获取目标液滴图片；②对图片中目标液滴的特征(包括灰度、大小、内容物)进行标注；③将标注好的液滴图片输入YOLOv5进行训练，获取最优的模型参数；③输入目标液滴图片至训练好的YOLOv5 模型验证准确性；④在进行液滴分选时，CCD相机获取的图片输入到训练好的YOLOv5 模型中，即能识别图片中的液滴是否为目标液滴。

此外，计算集系统根据判断结果能做出预警或使液滴分选仪停止工作。计算机系统也可以对灰度对比程序或深度学习模型的判断结果进行统计，如统计通过目标通道的正确分选液滴的个数、非正确分选液滴的个数、液滴总个数等，并能进一步计算非正确分选液滴个数占液滴总个数的比例，即错误率，当分选的错误率达到一定数值时，发出预警和/或停止液滴分选过程，例如错误率为1％、2％、3％、10％等，错误率的阈值可根据对最终收集的液滴的纯度要求设置。当然，也可以在发现错误或非正确分选液滴的数目达到一定数值时，发出预警和/或停止液滴分选过程。

液滴分选仪中的压力监测单元也能检测系统各处的压力，并将压力信息传输至计算机系统，计算机系统记录并显示压力值。可在计算机系统设置压力的安全范围，当压力值超范围时，也可发出预警或使液滴分选仪停止工作。当液滴分选系统工作异常时，计算机系统记录的压力值还可作为寻找故障原因的参考数据。

Claims (9)

1.一种液滴分选芯片，其特征在于，所述芯片利用介电泳力进行液滴的分选，所述芯片外围设置有一圈屏蔽电极。

2.根据权利要求1所述芯片，其特征在于，所述屏蔽电极为金属电极。

3.根据权利要求2所述芯片，其特征在于，所述金属电极由液态的金属凝固后形成。

4.根据权利要求1所述芯片，其特征在于，所述芯片包括液滴入口、间隔油相入口、偏置油相入口、高压分选电极、分选液滴出口、废液出口和通道。

5.根据权利要求4所述芯片，其特征在于，所述屏蔽电极的深度大于或等于所述通道。

6.根据权利要求4所述芯片，其特征在于，所述通道包括分选通道，所述分选通道由主通道、目标通道、偏置通道、废液通道和分选部位；所述主通道、目标通道、偏置通道和废液通道交汇于所述分选部位；所述主通道和偏置通道位于所述分选通道的上游，所述偏置通道和废液通道位于所述分选通道的下游；

所述主通道用于混合溶液通过，所述混合溶液包括非目标液滴、目标液滴和连续相；

所述偏置通道用于流体通过并在分选部位产生横向阻力；所述横向阻力的方向为从偏置通道一侧指向主通道一侧，能防止非目标液滴由主通道通过分选部位后进入目标通道。

7.根据权利要求6所述芯片，其特征在于，所述高压分选电极用于导电，产生非均匀电场，使目标液滴在介电泳力的作用下偏转至目标通道。

8.根据权利要求6所述芯片，其特征在于，所述主通道与偏置通道相互平行且尺寸相同。

9.根据权利要求6所述芯片，其特征在于，所述目标通道和废液通道的尺寸均大于所述主通道和偏置通道的截面尺寸，所述目标通道和废液通道通过分支通道相互连通，所述分支通道允许连续相通过，不允许液滴通过。

Images