CN112076807B - 一种自发形成油包水液滴的微流控芯片及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自发形成油包水液滴的微流控芯片及装置，其特征在于依靠油相在微流控芯片微通道中的毛细作用，产生对水相的剪切作用，自发形成油包水微液滴；无需外源复杂动力设备，如注射泵、蠕动泵，仅依靠油相在微流控芯片微通道中的毛细作用和毛细管产生液面高度差作为动力来源。相较于传统的微液滴生成技术，本方法设备要求低、操作简单，大大降低了微液滴生成的技术要求，并可以通过调整微流控芯片参数，可实现对发生液滴尺寸的控制。

Description

一种自发形成油包水液滴的微流控芯片及装置

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，尤其涉及一种自发形成油包水液滴的微流控芯片、装置及方法。

背景技术

基于液滴的微流控技术在药物运输和生物传感等方面具有巨大潜能，近些年的应用越来越广泛，其优势表现为：试剂消耗低，产生的大量单分散性液滴，每个微液滴可作为独立的微反应容器用于各种生化反应，可实现独立控制，并且液滴其巨大的比表面积对许多反应具有催化作用。在大多数应用中，高度均匀的液滴可以确保恒定、可控和可预测的结果。此外，液滴体积可调范围广泛，可实现从飞升到纳米级体积量级。基于液滴的应用主要集中在微胶囊制备、液滴数字PCR(dd PCR)等领域。

目前，已经开发了许多方法尽可能精确地量化核酸的量，基于PCR的核算定量技术一直备受青睐选项。实时定量PCR也被认为是生物医学实验室的常规实验。然而，由于其计数分辨率有限，这种方法不能满足更严格的要求量化需求，特别是当目标样本浓度相对较低或PCR抑制剂存在时会扰乱测定结果。而且，作为下一代测序和技术单细胞分析技术蓬勃发展，对核酸定量的兴趣已被吸引到前所未有的单分子水平。这促成了dd PCR技术的繁荣。在dd PCR中，核酸样本分别在独立但相同的液滴中扩增，并且每个反应的全有或全无检测结果遵循泊松分布。在计算正反应的总和之后，通过泊松校正，不仅可以获得样本核酸浓度，而且可以获得目标分子的绝对数量。

一般来说，液滴的产生源于一种流体(分散相流体)进入另一种(连续相流体)流体的不稳定性。液滴的生成方法可以是被动的，也可以是主动的，液滴的生成不需要外部的驱动，而液滴的稳定发生利用额外的能量输入来维持及促进液滴生成的界面不稳定性。原则上，在主动控制中，界面力平衡可以通过两种基本策略进行调整:通过改变固有参数，如流速和材料性能来改变粘性、惯性和毛细力；或需要借助于外源动力设备，例如注射泵、蠕动泵等泵机设备引入额外的力：如电、磁、离心力、声波、电极的介电作用、光热作用等，都能作为液滴发生的动力。现阶段，维持液滴持续稳定发生的设备主要有注射泵、蠕动泵、电磁、气动泵、注射器、离心机设备等等。

最重要的是，随着POCT应用的发展，便携和廉价也是我们追求的目标。例如，微流体诊断技术应用于医学诊断系统，如传染病和寄生虫病，对便携式系统的要求不断提高。驱动流体的方法也倾向于更便携简单，包括使用毛细力，蒸发，重力和手指挤压。与此同时，越来越多的人正在探索如何实现高通量、快速、均一地产生液滴。但是，为达到上述要求，并且不依赖外接复杂设备仪器，仍然是限制液滴技术发展的瓶颈所在。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种自发形成液滴的微流控芯片和装置，简化了现有微流控芯片的结构，可自发形成油包水液滴。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种微流控芯片，所述微流控芯片包括油相进样孔、水相进样孔、出样孔和微流体通道，所述微流体通道连接油相进样孔与水相进样孔，并从水相进样孔延伸形成液滴剪切微通道，剪切微通道的终点为出样孔，所述油相进样孔、水相进样孔、出样孔和微流体通道形成一条线型结构。

即，油相进样孔、水相进样孔、出样孔和微流体通道在一条线上。

所述微流控芯片具有至少一条线型结构，所述油相进样孔和/或出样孔与至少一个水相进样孔相通。

即，当有多条线型结构时，部分或所有线型结构共用同一个油相进样孔和/或出样孔。

所述油相进样孔位于微流控芯片线型结构上游，微流体通道经水相进样孔，出样孔位于下游。

在另一优选例中微流控通道为直线型。

在另一优选例中微流控通道为曲线型。

在另一优选例中微流控通道为直线型与曲线型的组合。

在另一优选例中，所述微流控芯片的材质选自但不限于PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、石英、硼硅玻璃、单晶硅、氟化钙、高分子聚合物。

在另一优选例中，所述油相进样孔(1)、水相进样孔(2)连接有蓄液槽，用于大容量储存样品溶液。

在另一优选例中，所述微流体通道的宽度为15～300μm，高度为15～100μm。

所述油相进样孔与水相进样孔之间的微流体通道宽度大于液滴剪切微通道宽度。

在另一优选例中，所述出样孔的直径与液滴剪切微通道宽度相同。

在另一优选例中，所述出样孔的直径大于液滴剪切微通道宽度。

在另一优选例中，所述油相进样孔与水相进样孔之间的微流体通道的宽度为100～1000μm。

在另一优选例中，所述油相进样孔与水相进样孔之间的微流体通道的宽度为250μm。

在另一优选例中，所述液滴剪切微通道的宽度为10～60μm。

在另一优选例中，所述液滴剪切微通道的宽度为20μm。

在另一优选例中，所述微流控芯片还包括液滴储存结构，所述液滴储存结构位于液滴剪切通道上。

在另一优选例中，所述液滴储存结构的宽度为500μm以上。

在另一优选例中，所述液滴储存结构的宽度为1000μm。

所述微流体通道的表面为疏水亲油表面。

在另一优选例中，疏水处理方法选自但不限于材料自身疏水、特氟龙溶液处理、硅烷化试剂处理、氟硅烷试剂处理。

本发明又一方面提供了一种自发形成液滴装置，包括微流控芯片和液面高度差装置，所述液面高度差装置包括至少一条充有液体的毛细管，毛细管一端与微流控芯片中的出样孔相连，另一端低于微流控芯片放置，通过与微流控芯片的高度差产生对油相的驱动作用，使得油相由油相进样孔至毛细管方向流动。

所述液面高度差装置还包括毛细管架，所述毛细管架上设有毛细管固定装置。

所述毛细管固定装置上设有高度调节装置。

在另一优选例中，所述高度调节装置为手动调节。

在另一优选例中，所述高度调节装置为电动调节。

在另一优选例中，所述高度调节装置为滑轨设计，滑轨上具有可上下移动的滑块，用于调节毛细管高度。

在另一优选例中，所述高度调节装置上设有刻度值，用于读取液面高度差值。

在另一优选例中，所述高度调节装置为卷尺形设计。

所述毛细管材料为特氟龙毛细管、聚四氟乙烯毛细管、石英毛细管、硼硅玻璃毛细管中的一种或多种。

在另一优选例中，所述毛细管上设有液滴储存结构。

本发明又一方面提供了一种液滴自发形成及导出的方法，包括以下步骤：

①在油相进样孔注入油相，使油相浸润微流体通道和水相进样孔的孔壁；

②在水相进样孔注入待生成液滴样品；

③将充满油相的毛细管与出样孔连接，调节微流体芯片与毛细管底端液面之间高度差，使油相和待生成液滴样品流动交汇形成油包水液滴；

④进一步调节微流控芯片与毛细管底端液面之间高度差，使油包水液滴从毛细管并导出。

所述油相为氟碳油、矿物油、硅油、植物油、石油醚中的一种或多种。

导出的液滴被用于进一步操作，所述操作包括但不限于ddPCR，LAMP，微生物检测培养或微球合成。

本发明的又一方面，提供了微流控芯片、自发形成液滴装置的应用，包括液滴自发生成、液滴导出。

本发明具有以下技术优势：

1.相较于T型、夹流等传统液滴发生芯片结构相比，以上所述微流控芯片结构为线型设计，即上述微流控芯片通道结构在一条线上，结构简单，制作方便。

2.降低了高通量液滴产生及应用的技术门槛，摆脱注射泵、蠕动泵等泵机设备以及对电、磁、离心力、声波、电极的介电作用、光热作用的依赖。

3.适用于产生多种不同尺寸大小的液滴。

4.实现了液滴高通量自发快速形成及导出。

5.芯片可重复利用，降低操作成本。

6.操作简便，非专业人员也可熟练操作。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，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的附图。

图1微流控芯片设计示意图；

图2微流控芯片实物图；

图3自发形成液滴装置示意图；

图4自发形成液滴装置实物图；

图5自发形成液滴图；

图6高通量多通道自发液滴微流控芯片设计示意图；

图7利用上述芯片及装置产生的液滴进行ddPCR反应，定量分析核酸样品，本实验中定量分析变异链球菌的核酸浓度；

图8组装型自发形成液滴装置。

主要附图标记：油相进样孔1，水相进样孔2，液滴剪切微通道3，液滴储存结构4，出样孔5，液面高度差装置6，毛细管6-1，毛细管固定装置6-2，PCR管7，油相蓄液槽8，水相蓄液槽9。

具体实施方式

本发明提供的微流控芯片、自发形成液滴装置和液滴自发形成及导出的方法，可用于药物合成，化妆品合成，食品领域，微胶囊等微结构材料合成领域；或是在实验室芯片的应用，将液滴用作微反应器，进行化学和生化反应，例如用于ddPCR或LAMP检测目标核酸浓度、微生物液滴检测等。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

一、微流控芯片的制备：

①设计通道结构，进行菲林掩膜打印。将清洗过的硅片滴上SU-8光刻胶进行甩胶，厚度约为15～100μm。后将其覆盖掩膜，在曝光机下进行曝光，并用显影液将未固化部分清洗干净，得到硅片模板。

②将PDMS单体与固化剂按一定比例混匀，得到PDMS高聚物。将PDMS高聚物倒在硅片模板上，厚约2～5mm，烘干后得到带有通道结构的PDMS芯片。

③将带有通道结构的PDMS芯片上用冲子打出液相进样孔1、水相进样孔2和出样孔5。下层芯片为PDMS光滑基片，厚约0.5～1mm，无刻蚀图案。

④上下两层芯片低温键合，置于70℃过夜恢复芯片疏水性。

⑤液滴发生时油相采用氟碳油。由于该油稳定性好，粘度适中，方便液滴剪切、观察以及导出。

微流控芯片的设计示意图和实物图分别如图1和图2所示。本次实验中应用的微流控芯片微流体通道高度为40μm，液滴剪切微通道3宽度为20μm，液滴储存结构4微通道最宽处为700μm。油相进样孔1直径为0.4cm，水相进样孔2直径为0.25cm，出样孔5直径为0.1cm。

油相进样孔1与水相进样孔2之间有微流体通道连通，油相通过表面润湿作用依次浸润水相进样孔1、液滴剪切微通道3、液滴储存结构4以及出样孔5。其中，油相浸润水相进样孔2时的状态为仅润湿孔壁，分为两路沿孔边缘向前流动，然后共同汇入液滴剪切微通道3，由此形成液滴剪切力，将水相剪切成液滴。由于液滴剪切微通道3相对整个结构较细，流阻较大，所以此处为控制液滴大小的关键结构，换句话说，液滴剪切微通道3的宽度直接影响液滴大小。

微流体通道的形状可以是直线型，弧线型或者其他任意线型，只要可以实现油相流经水相进样孔对水相进行剪切功能即可。图1、图2中采用的是直线型的微流体通道。

二、用于自发形成液滴装置的制备

由微流控芯片和液面高度差装置6组成的自发形成液滴装置的示意图和实物图分别见图3和图4。此处液面高度差装置6为特氟龙毛细管与毛细管固定装置6-2(带有高度刻度)。将充满氟碳油的毛细管6-1插入微流控芯片出样孔5，毛细管固定装置6-2对毛细管6-1进行固定及调节微流控芯片与毛细管底端液面之间高度差。使用时，可将微流控芯片置于显微镜平台上。图5为该结构自发形成液滴装置获得的液滴在液滴储存结构中的示意图。

实施例2

高通量液滴的自发形成及导出。

①在油相进样孔1注入油相(此处为具有表面活性剂的氟碳油)。油相通过表面浸润作用充满整个微通道。

②在水相进样孔2注入水相待生成液滴样品。

③将充满油相的毛细管6-1插入芯片出样孔，毛细管固定装置6-2对毛细管6-1进行固定及调节芯片与毛细管底端液面之间高度差，使液滴快速稳定的发生。

④油相带动液滴向前流动，通过液滴剪切微通道3、液滴储存结构4、出样孔5进入毛细管内。

产生的液滴大小和速度由水油两相和微流控芯片的理化性质、微流控芯片及装置流体流动阻力、液面高度差共同决定。本实验依据所用PDMS微流控芯片通道尺寸以及显微镜平台高度，选用60cm长的毛细管6-1。毛细管固定装置6-2为手动调节毛细管底端高度，并有凹槽设计固定毛细管位置。

另外，为提高液滴通量，可以在一块微流控芯片中集成多条自发液滴通道(如图6)，可完成同种样品高通量发生液滴，也可完成多种不同样品同时发生液滴。这种高通量芯片多条自发液滴通道可共用一个油相进样孔(图6A、B、C)，或共用一个出样孔(图6D)，其中，同种样品液滴发生芯片可共用同一个样品储存结构(图A)。此外，根据不同的样品，也可以是其中几条自发液滴通道公用一个油相进样孔和/或一个出样孔，其余自发液滴通道各自独立。

实施例3

利用上述装置产生的液滴进行ddPCR反应。

利用自发形成液滴装置产生液滴进行ddPCR反应，定量分析核酸样品。如本实验中定量分析变异链球菌的核酸浓度。

①提取实际样品中的DNA片段；

②将步骤①中的DNA片段、引物、染料与ddPCR预混液混合，震荡混匀，作为水相溶液；

③在油相进样孔1注入油相，油相通过表面浸润作用充满整个微流体通道；

④在水相进样孔2注入待生成液滴样品；

⑤将充满油相的毛细管6-1插入微流控芯片出样孔5，毛细管固定装置6-2对毛细管6-1进行固定及调节芯片与毛细管底端液面之间高度差，使液滴快速稳定的发生。同时，利用毛细管收集产生的液滴；

⑥将产生的液滴导出到PCR管7中，或在毛细管6-1中直接进行PCR反应；

⑦将反应后的液滴重新导出到液滴成像装置中(图7A)，并利用荧光显微镜观察液滴荧光信号(图7C)，进行分析。

另外将扩增底物(未加入样品DNA)为水相，作为对照，重复上述③～⑦步骤，生成液滴，进行PCR扩增。将反应后的液滴重新导出到液滴成像装置中(图7B)，利用荧光显微镜观察液滴荧光信号(图7D)，以对照组的液滴荧光信号为基准，比较对照组(图7C)与实验组(图7D)液滴荧光成像，实验组中的液滴荧光信号增强明显，即发生了PCR反应，证明此方法可用于ddPCR等应用。

实施例4

另外提供了一种组装型自发形成液滴装置，如图8所示。

组装型自发形成液滴装置中，微流体通道为毛细管构成，微流体通道与液面高度差装置6的毛细管一体成形，毛细管的其中一端为油相进样孔，并在毛细管壁上打孔形成水相进样孔，油相进样孔连接有油相蓄液槽8，水相进样孔连接有水相蓄液槽9，毛细管另一端形成液面高度差，与液滴收集容器相连,附图中液滴收集容器采用PCR管7。水相在毛细管内剪切形成液滴，并可在底端中收集、直接进行后续液滴反应。

在此结构中，毛细管材料选自但不限于特氟龙毛细管、聚四氟乙烯毛细管、石英毛细管、硼硅玻璃毛细管。蓄液槽材料选自但不限于聚四氟乙烯、聚乙烯、硼硅玻璃、石英等。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微流控芯片，所述微流控芯片包括油相进样孔、水相进样孔、出样孔和微流体通道，其特征在于：所述微流体通道连接油相进样孔与水相进样孔，并从水相进样孔延伸形成液滴剪切微通道，剪切微通道的终点为出样孔，所述油相进样孔、水相进样孔、出样孔和微流体通道形成线型结构，所述微流控芯片具有至少一条线型结构，所述油相进样孔和出样孔与至少一个水相进样孔相通；

其中，所述油相进样孔位于微流控芯片线型结构上游，微流体通道经水相进样孔，出样孔位于下游；油相进样孔与水相进样孔之间的微流体通道宽度大于液滴剪切微通道的宽度；所述微流体通道的表面为疏水亲油表面。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述油相进样孔与水相进样孔之间的微流体通道的宽度为100~1000μm，所述液滴剪切微通道的宽度为10~60μm。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片的材质选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、石英、硼硅玻璃、单晶硅、氟化钙。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述微流体通道的宽度为15~300μm，高度为15~100μm。

5.一种自发形成液滴装置，其特征在于：包括权利要求1-4任一所述的微流控芯片和液面高度差装置，所述液面高度差装置包括至少一条充有液体的毛细管，毛细管一端与微流控芯片的出样孔相连，另一端低于微流控芯片放置，通过与微流控芯片的高度差产生对油相的驱动作用，使得油相由油相进样孔至毛细管方向流动。

6.根据权利要求5所述的自发形成液滴装置，其特征在于：液面高度差装置还包括毛细管架，所述毛细管架上设有高度调节装置。

7.一种液滴自发形成及导出的方法，采用了如权利要求5所述的自发形成液滴装置，其特征在于，包括以下步骤：

①在油相进样孔注入油相，使油相浸润微流体通道和水相进样孔的孔壁；

②在水相进样孔注入待生成液滴样品；

③将充满油相的毛细管与出样孔连接，调节微流体芯片与毛细管底端液面之间高度差，使油相和待生成液滴样品流动交汇形成油包水液滴；

④进一步调节微流控芯片与毛细管底端液面之间高度差，使油包水液滴进入毛细管并导出。

8.根据权利要求7所述的微流控芯片内液滴导出的方法，其特征在于：所述油相为氟碳油、硅油、植物油、石油醚中的一种或多种。

9.根据权利要求5所述的微流控芯片自发形成液滴装置的应用，包括液滴自发生成、液滴导出。

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