專利名稱：一種高通量微液滴固定方法及其專用微流控芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流控芯片中的液滴定位固定技術(shù)，特別提供了一種高通量微液滴固定方法及其專用微流控芯片。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，微流控芯片(microf luidic chip)又稱芯片實(shí)驗(yàn)室(lab on achip)， 指的是把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個(gè)系統(tǒng)，用以取代常規(guī)生物或化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的各種功能的一種技術(shù)。它的基本特征和最大優(yōu)勢(shì)是多種單元技術(shù)在微小平臺(tái)上的靈活組合和規(guī)模集成。發(fā)展至今，微流控芯片技術(shù)已經(jīng)開始在生命科學(xué)的不同領(lǐng)域得到應(yīng)用，并已成為系統(tǒng)生物學(xué)研究中的重要技術(shù)平臺(tái)之一。 最近，基于液滴的微流控技術(shù)引起了越來(lái)越多的關(guān)注。與微通道相比較，微液滴具有如下優(yōu)勢(shì)尺寸更小，通量更高，傳質(zhì)傳熱更加迅速，運(yùn)輸和固定更加靈活，并且可以形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定可控的液滴微環(huán)境；因此，在化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的許多高通量分析中，微液滴作為反應(yīng)器被用于反應(yīng)條件的篩選(如蛋白結(jié)晶、DNA分析等)，或者用來(lái)包裹各種粒子(包括細(xì)胞、 細(xì)菌等)以進(jìn)行各種生物學(xué)研究。為了對(duì)液滴進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，必須首先進(jìn)行液滴固定。目前的液滴固定方式大體分為三種利用介電力進(jìn)行固定、利用通道內(nèi)不同區(qū)域的表面性質(zhì)進(jìn)行固定或利用通道設(shè)計(jì)的幾何特性進(jìn)行固定。其中，介電力固定易對(duì)液滴內(nèi)的生物體造成損傷；利用親疏水性質(zhì)進(jìn)行固定對(duì)芯片制造的要求又較為苛刻，且容易殘留而造成液滴間的污染；而利用通道設(shè)計(jì)的幾何特性進(jìn)行固定時(shí)，芯片設(shè)計(jì)要求復(fù)雜，固定后體系不穩(wěn)定易受擾動(dòng)。三者都具有一定的局限性。因此，人們期望獲得一種滿足使用要求且技術(shù)效果較好的高通量微液滴固定方法及其專用微流控芯片。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種滿足使用要求且技術(shù)效果較好的高通量微液滴固定方法及其專用微流控芯片。本發(fā)明提供了一種高通量微液滴固定方法，基于浮力和表面張力原理，在微流控芯片上進(jìn)行操控，其特征在于所述微液滴固定方法具體是將芯片上的連續(xù)相和分散相入口通過(guò)特氟龍管分別與兩個(gè)注射泵相連接，在注射泵驅(qū)動(dòng)下，將連續(xù)相和分散相分別注入芯片，既而在T型微液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液滴(連續(xù)相密度大于分散相密度)；連續(xù)產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)流動(dòng)并進(jìn)入液滴捕獲器陣列，液滴在流經(jīng)捕獲器下方通道時(shí)由于浮力和表面張力的共同作用向上進(jìn)入圓柱體捕獲器；后續(xù)液滴從已經(jīng)成功固定液滴的液滴捕獲器的下方通道流過(guò)，繼而被順序地捕獲于后續(xù)的圓柱體的液滴捕獲器中。本發(fā)明所述一種高通量微液滴固定方法中，還要求保護(hù)下述優(yōu)選內(nèi)容連續(xù)相為油相，分散相為水相。所述連續(xù)相進(jìn)一步優(yōu)選為氟化液——氟碳-40(FC_40)。本發(fā)明還要求保護(hù)如上所述專門用于高通量微液滴固定方法的微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片具體為雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中下層包含有兩個(gè)進(jìn)樣端分別為連續(xù)相和分散相入口的T型液滴生成區(qū)、連續(xù)相和分散相入口二者匯合處的T型液滴生成區(qū)之后的串聯(lián)的液滴疏運(yùn)通道；其上層為布置在液滴疏運(yùn)通道上的液滴捕獲器，各個(gè)液滴捕獲器只和液滴疏運(yùn)通道連通，且皆布置在液滴疏運(yùn)通道上部。所述液滴捕獲器的結(jié)構(gòu)形式為圓柱體；各個(gè)液滴捕獲器通過(guò)液滴疏運(yùn)通道串接在一起。所述液滴捕獲器總數(shù)為20 160個(gè)。進(jìn)一步優(yōu)選要求是所述液滴捕獲器總數(shù)為 80個(gè)，以每5個(gè)為一組連續(xù)布置在液滴疏運(yùn)通道中。本發(fā)明涉及的液滴固定方法是利用浮力和表面張力的共同作用對(duì)液滴進(jìn)行固定， 涉及的微流控芯片制造簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)操作方便，固定效果穩(wěn)定，對(duì)液滴內(nèi)的生物體不產(chǎn)生損傷，且易于與芯片上其他功能單元進(jìn)行靈活組合和規(guī)模集成。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動(dòng)下會(huì)自動(dòng)進(jìn)入液滴捕獲陣列并被順序地捕獲于圓柱體的微液滴捕獲器中。2)本發(fā)明的創(chuàng)造性是在芯片上首次利用浮力完成了液滴的固定，芯片設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單， 捕獲方式簡(jiǎn)便，捕獲效果穩(wěn)定。3)本發(fā)明簡(jiǎn)化了液滴固定原理和過(guò)程，易于與其他功能單元進(jìn)行靈活組合和規(guī)模集成。


圖1集成化微流控芯片平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意圖；其中1為T型微液滴生成區(qū)，2為液滴捕獲陣列，3為連續(xù)相入口，4為分散相入口，5為廢液出口 ；圖2為圖1中液滴捕獲陣列中一個(gè)液滴捕獲器的放大圖；圖3為微液滴在捕獲陣列中的固定過(guò)程示意圖之一，其中液滴1位于下層疏運(yùn)通道，由于空間限制呈長(zhǎng)條狀；圖4為微液滴在捕獲陣列中的固定過(guò)程示意圖之二，其中液滴1流至捕獲器下方， 由于浮力向上升，開始進(jìn)入直徑比疏運(yùn)通道大的捕獲器中；圖5為微液滴在捕獲陣列中的固定過(guò)程示意圖之三，其中液滴1繼續(xù)上升，完全進(jìn)入捕獲器，并恢復(fù)表面張力最小的球體狀態(tài)而被穩(wěn)定捕獲，液滴2繼續(xù)向前流動(dòng)；圖6為微液滴在捕獲陣列中的固定過(guò)程示意圖之四，其中液滴1被穩(wěn)定捕獲在捕獲器中，液滴2從下層的疏運(yùn)通道繼續(xù)向前，不與液滴1發(fā)生融合，進(jìn)入下一個(gè)捕獲單元。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1一種基于浮力和表面張力原理的微流控芯片上高通量微液滴固定方法及其專用芯片。方法具體過(guò)程為將芯片上的連續(xù)相和分散相入口通過(guò)特氟龍管分別與兩個(gè)注射泵相連接，在注射泵驅(qū)動(dòng)下，將連續(xù)相和分散相分別注入芯片，既而在T型微液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液滴；連續(xù)產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)流動(dòng)并進(jìn)入液滴捕獲器陣列，液滴在流經(jīng)捕獲器下方通道時(shí)由于浮力和表面張力的共同作用向上進(jìn)入圓柱體捕獲器，后續(xù)液滴接著從下方通道流過(guò)，繼而被順序地捕獲于圓柱體的液滴捕獲器中；微液滴被完全捕獲后，關(guān)閉注射泵以停止液滴產(chǎn)生和流體流動(dòng)。本實(shí)施例提供的基于微流控芯片的高通量納升級(jí)微液滴形成和固定方法，所述連續(xù)相為油相，分散相為水相；優(yōu)選連續(xù)相為氟化液——氟碳-40 (FC-40)，分散相為水。本實(shí)施例還提供了一種專門用于高通量微液滴固定方法的微流控芯片，該芯片采用雙層設(shè)計(jì)上層為液滴捕獲器陣列，含有80個(gè)相同的圓柱體液滴捕獲器；下層為T型液滴生成區(qū)和疏運(yùn)通道，T型液滴生成區(qū)的兩個(gè)進(jìn)樣端分別為連續(xù)相和分散相入口，疏運(yùn)通道將80個(gè)圓柱體液滴捕獲器串聯(lián)在一起。所述微液滴捕獲原理為在T型微液滴生成區(qū)產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)流動(dòng)并進(jìn)入液滴捕獲器陣列，液滴在流經(jīng)捕獲器下方通道時(shí)由于浮力和表面張力的共同作用向上進(jìn)入圓柱體捕獲器；液滴在下方通道中處于被擠壓狀態(tài)，進(jìn)入捕獲器后恢復(fù)球形，表面張力最小，因而狀態(tài)穩(wěn)固；后續(xù)液滴接著從下方通道流過(guò)，繼而被順序地捕獲于后面的圓柱體的液滴捕獲器中。實(shí)施例2基于浮力和表面張力原理的微流控芯片上高通量微液滴固定方法，使用專用的微流控芯片，所述的專用微流控芯片采用雙層設(shè)計(jì)，上層為液滴捕獲器陣列，下層為T型液滴生成區(qū)和液滴疏運(yùn)通道。在具體操作時(shí)，我們將芯片上的連續(xù)相和分散相入口通過(guò)特氟龍管分別與兩個(gè)注射泵相連接(連續(xù)相密度大于分散相密度)，在注射泵驅(qū)動(dòng)下，將連續(xù)相和分散相分別注入芯片，在下層T型微液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液滴；產(chǎn)生的微液滴繼續(xù)流入液滴捕獲器陣列，在浮力和表面張力的共同作用下被順序逐個(gè)地捕獲于上層圓柱體液滴捕獲器中。本實(shí)施例所述專用微流控芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，捕獲方式簡(jiǎn)便，捕獲效果穩(wěn)定，易于與其他功能單元進(jìn)行靈活組合和規(guī)模集成，可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生并固定大量微液滴。其創(chuàng)造性地利用浮力和表面張力原理在微流控芯片上對(duì)高通量微液滴進(jìn)行捕獲。取得了明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)效果。實(shí)施例3一種高通量微液滴固定方法，基于浮力和表面張力原理，在微流控芯片上進(jìn)行操控；所述微液滴固定方法具體是將芯片上的連續(xù)相和分散相入口通過(guò)特氟龍管分別與兩個(gè)注射泵相連接，在注射泵驅(qū)動(dòng)下，將連續(xù)相和分散相分別注入芯片，既而在T型微液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液滴(連續(xù)相密度大于分散相密度)；連續(xù)產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)流動(dòng)并進(jìn)入液滴捕獲器陣列，液滴在流經(jīng)捕獲器下方通道時(shí)由于浮力和表面張力的共同作用向上進(jìn)入圓柱體捕獲器；后續(xù)液滴從已經(jīng)成功固定液滴的液滴捕獲器的下方通道流過(guò)，繼而被順序地捕獲于后續(xù)的圓柱體的液滴捕獲器中。所述高通量微液滴固定方法中，連續(xù)相為油相，具體為氟化液——氟碳-40 (FC-40)，分散相為水相。如上所述專門用于高通量微液滴固定方法的微流控芯片，所述微流控芯片具體為雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中下層包含有兩個(gè)進(jìn)樣端分別為連續(xù)相和分散相入口的T型液滴生成區(qū)、連續(xù)相和分散相入口二者匯合處的T型液滴生成區(qū)之后的串聯(lián)的液滴疏運(yùn)通道；其上層為布置在液滴疏運(yùn)通道上的液滴捕獲器，各個(gè)液滴捕獲器只和液滴疏運(yùn)通道連通，且皆布置在液滴疏運(yùn)通道上部。所述液滴捕獲器的結(jié)構(gòu)形式為圓柱體；各個(gè)液滴捕獲器通過(guò)液滴疏運(yùn)通道串接在一起。所述液滴捕獲器總數(shù)為80個(gè)，以每5個(gè)為一組連續(xù)布置在液滴疏運(yùn)通道中。實(shí)施例4本實(shí)施例與實(shí)施例3內(nèi)容基本相同，其不同之處主要在于1)所述高通量微液滴固定方法中，連續(xù)相為油相，分散相為水相。2)所述液滴捕獲器總數(shù)為160個(gè)。進(jìn)一步優(yōu)選要求是所述液滴捕獲器總數(shù)為160 個(gè)，以每10個(gè)為一組連續(xù)布置在液滴疏運(yùn)通道中。實(shí)施例5本實(shí)施例與實(shí)施例3內(nèi)容基本相同，其不同之處主要在于1)所述高通量微液滴固定方法中，連續(xù)相為油相，分散相為水相。2)所述液滴捕獲器總數(shù)為20個(gè)。
權(quán)利要求
1.一種高通量微液滴固定方法，基于浮力和表面張力原理，在微流控芯片上進(jìn)行操控， 其特征在于所述微液滴固定方法具體是將芯片上的連續(xù)相和分散相入口通過(guò)特氟龍管分別與兩個(gè)注射泵相連接，在注射泵驅(qū)動(dòng)下，將連續(xù)相和分散相分別注入芯片，既而在T型微液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液滴；連續(xù)產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)流動(dòng)并進(jìn)入液滴捕獲器陣列，液滴在流經(jīng)捕獲器下方通道時(shí)由于浮力和表面張力的共同作用向上進(jìn)入圓柱體捕獲器；后續(xù)液滴從已經(jīng)成功固定液滴的液滴捕獲器的下方通道流過(guò)，繼而被順序地捕獲于后續(xù)的液滴捕獲器中。
2.按照權(quán)利要求1所述高通量微液滴固定方法，其特征在于所述連續(xù)相為油相，分散相為水相。
3.按照權(quán)利要求2所述高通量微液滴固定方法，其特征在于所述連續(xù)相為氟化液——氟碳-40 (FC-40)。
4.一種權(quán)利要求1所述專門用于高通量微液滴固定方法的微流控芯片，其特征在于 所述微流控芯片具體為雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中下層包含有兩個(gè)進(jìn)樣端分別為連續(xù)相和分散相入口的T型液滴生成區(qū)、連續(xù)相和分散相入口二者匯合處的T型液滴生成區(qū)之后的串聯(lián)的液滴疏運(yùn)通道；其上層為布置在液滴疏運(yùn)通道上的液滴捕獲器，各個(gè)液滴捕獲器只和液滴疏運(yùn)通道連通，且皆布置在液滴疏運(yùn)通道上部。
5.按照權(quán)利要求4所述專門用于高通量微液滴固定方法的微流控芯片，其特征在于 所述液滴捕獲器的結(jié)構(gòu)形式為圓柱體；各個(gè)液滴捕獲器通過(guò)液滴疏運(yùn)通道串接在一起。
6.按照權(quán)利要求5所述專門用于高通量微液滴固定方法的微流控芯片，其特征在于 所述液滴捕獲器總數(shù)為20 160個(gè)。
7.按照權(quán)利要求6所述專門用于高通量微液滴固定方法的微流控芯片，其特征在于 所述液滴捕獲器總數(shù)為80個(gè)，以每5個(gè)為一組連續(xù)布置在液滴疏運(yùn)通道中。
全文摘要
一種高通量微液滴固定方法，基于浮力和表面張力原理，在微流控芯片上進(jìn)行操控，所述微液滴固定方法具體是將連續(xù)相和分散相利用注射泵分別注入芯片，既而在T型微液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液滴；在注射泵驅(qū)動(dòng)下微液滴繼續(xù)流動(dòng)并進(jìn)入液滴捕獲器陣列，液滴在流經(jīng)捕獲器下方通道時(shí)由于浮力和表面張力的共同作用向上進(jìn)入圓柱體捕獲器；后續(xù)液滴從已經(jīng)成功固定液滴的液滴捕獲器的下方通道流過(guò)，繼而被順序地捕獲于后續(xù)的液滴捕獲器中。本發(fā)明簡(jiǎn)化了液滴固定原理和過(guò)程，其所涉及的微流控芯片制造簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)操作方便，固定效果穩(wěn)定，對(duì)液滴內(nèi)的生物體不產(chǎn)生損傷，且易于與芯片上其他功能單元進(jìn)行靈活組合和規(guī)模集成。
文檔編號(hào)B01L3/00GK102259040SQ20101018287
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者施維維, 林炳承, 溫慧, 秦建華, 陸瑤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所