CN104689859A - 一种微流控芯片上的微液滴内部物质交换方法 - Google Patents
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Abstract
一种微流控芯片上的微液滴内部物质交换方法，该方法为：首先在芯片中灌满油相，然后将分散相1持续注入灌满连续相的芯片中，分散相1进入主通道及捕获区域；注入连续相，取代主通道中的分散相1，圆柱形捕获器中的分散相1不会被冲出，由此形成了分散相1在连续相中的液滴捕获阵列；将分散相2和连续相注入芯片中，在T型微液滴生成区形成连续的单分散性微液滴；当分散相2的液滴流经分散相1液滴捕获器时，两种不同成分的液滴发生融合进而进行物质交换。本方法打破了传统的微液滴的稳定状态，简化了微液滴物质交换过程，其所涉及的微流控芯片制造简单，实验操作方便，物质交换效果稳定，且易于与芯片上其他功能单元进行灵活组合和规模集成。
Description
技术领域
本发明属于微流控领域，具体涉及一种微流控芯片上的微液滴内部物质交换方法。
背景技术
微流控芯片（microfluidic chip）又称芯片实验室（lab on a chip），指的是把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米（甚至更小）的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个***，用以取代常规生物或化学实验室的各种功能的一种技术。它的基本特征和最大优势是多种单元技术在微小平台上的灵活组合和规模集成。发展至今，微流控芯片技术已经开始在生命科学的不同领域得到应用，并已成为***生物学研究中的重要技术平台之一。目前微流控***共分两大类型：微通道及微液滴微流控***。与微通道相比较，微液滴具有如下优势：尺寸更小，通量更高，传质传热更加迅速，运输和固定更加灵活，并且可以形成一个相对稳定可控的液滴微环境；因此，在化学和生物学领域的许多高通量分析中，微液滴作为反应器被用于反应条件的筛选（如蛋白结晶、DNA分析等），或者用来包裹各种粒子（包括细胞、细菌、线虫等）以进行各种生物学研究。
为了灵活操控液滴进行各种反应，首要问题是改变液滴内部成分，即向液滴添加物质或从液滴内部分出其内涵物，目前改变液滴成分的方法主要依靠电驱动。但是这些方法涉及及到的微流控芯片平台制备复杂，需要集成电学、声学、光学等外部***，在没有此类实验基础的实验室很难实现。因此目前急需一种可以简单实现液滴内涵物交换的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于流阻原理和表面张力的微流控芯片上的微液滴内部物质交换方法，该方法操作简单、通量高。
本发明提供了一种微流控芯片上的微液滴内部物质交换方法，基于流阻原理和表面张力对微液滴进行操控，首先将分散相1持续注入灌满连续相的芯片中，使主通道中及微液滴捕获区域中都充满分散相1；注入连续相，取代主通道中的分散相1，同时由于流阻原理，圆柱形液滴捕获器中的分散相1不会被冲出，由此形成了分散相1在连续相中的液滴捕获阵列；
将分散相2和连续相注入芯片中，在T型液段生成区形成连续的单分散性微液段；当分散相2液段流经微液滴捕获器时，与捕获其中的分散相1液滴相接触，同时由于连续相中的表面活性剂浓度较低，液滴处于不稳定状态，两种不同成分的液滴发生融合进而进行物质交换。
本发明提供的微流控芯片上的微液滴内部物质交换方法，所述连续相中的表面活性剂含量为0%-0.1%。
本发明提供的微流控芯片上的微液滴内部物质交换方法，所述连续相为油相，分散相为水相。
本发明还提供了一种基于所述方法的微流控芯片，该微流控芯片为双层结构设计，上层为液路层，下层为空白PDMS层；
其中液路层包含有：分散相1、分散相2、油相的入口，T型液段产生区，主通道，微液滴捕获区域；这些区域沿流体流动方向由主通道串联；
所述微液滴捕获区域由100～200个圆柱形液滴捕获器组成，所有微液滴捕获器可串联连接，也可并联连接。
本发明提供的微流控芯片，所述微流控芯片的材料均为PDMS聚合物，采用PDMS软刻蚀及等离子体不可逆封接技术构建。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用液滴内部物质交换方法操作简单，与以往的液滴内涵物添加或分离的方式相比，无需集成其他复杂的电或光学设备。
(2)本发明可通过阵列式设计，进行高通量的液滴操控。
(3)单个液滴中可添加不同的成分进行生物或化学的各类反应，因此具有高内涵指标监测的潜力。
附图说明
图1芯片设计图，其中：a为油相入口，b为分散相1入口，c为分散相2入口，d虚线框内为高通量液滴捕获及物质交换区域；
图2液滴捕获及物质交换单元设计图，其中：A为液滴捕获区域，B为主通道，C为用于产生较小流阻的细通道，箭头指示液体流动的方向；
图3水相分散相1灌注过程图；
图4液滴捕获结果图；通入油相，在剪切力的作用下将水相切割成液滴，并使其固定在液滴捕获器内；
图5分散相2的液段与分散相1的液滴碰撞并融合的过程图。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实验室自行设计并制作的微流控芯片：制备用于高通量液滴捕获及物质交换的微流控芯片，材料为PDMS聚合物，等离子体不可逆封接，该芯片为两层，上层为液路层，下层为用于封接的空白PDMS。
液路层包含有：分散相1、分散相2、油相的入口，T型液段产生区，主通道，微液滴捕获区域。液滴捕获区域由100～200个圆柱形液滴捕获器组成，所有功能单元可串联连接，也可并联连接。
本实验中油相为FC-40，其中包含有0%-0.1%的表面活性剂。
实施例1
利用实验室自行设计并制作的微流控芯片***，构型如图1、图2所示，先利用蠕动泵将分散相1（红色墨水染料）进样到培养室中，再通入油相FC-40，红色墨水液滴被固定在捕获器中，如图3-图4所示。
实施例2
利用实验室自行设计并制作的微流控芯片***，以及本发明实施例1中的方法，形成红色墨水的液滴。在主通道中通入油相FC-40（0%-0.1%表面活性剂）作为连续相，侧通道中通入分散相2（去离子水），由于剪切力的作用，在T型通道处形成分散相2的液段。在一定的流速下，分散相2的液段在流经液滴捕获器时，由于表面张力的作用，去离子水与红色墨水液滴发生融合，进而产生了两者之间的物质交换。如图5所示，液滴捕获器内的液滴颜色发生了变化。
Claims (5)
1.一种微流控芯片上的微液滴内部物质交换方法，基于流阻原理和表面张力对微液滴进行操控，其特征在于：
首先将分散相1持续注入灌满连续相的芯片中，使主通道中及微液滴捕获区域中都充满分散相1；注入连续相，取代主通道中的分散相1，同时由于流阻原理，圆柱形液滴捕获器中的分散相1不会被冲出，由此形成了分散相1在连续相中的液滴捕获阵列；
将分散相2和连续相注入芯片中，在T型液段生成区形成连续的单分散性微液段；当分散相2液段流经微液滴捕获器时，与捕获其中的分散相1液滴相接触，同时由于连续相中的表面活性剂浓度较低，液滴处于不稳定状态，两种不同成分的液滴发生融合进而进行物质交换。
2.按照权利要求1所述微流控芯片上的微液滴内部物质交换方法，其特征在于：所述连续相中的表面活性剂含量为0%-0.1%。
3.按照权利要求1所述微流控芯片上的微液滴内部物质交换方法，其特征在于：所述连续相为油相，分散相为水相。
4.基于权利要求1所用的微流控芯片，其特征在于：该微流控芯片为双层结构设计，上层为液路层，下层为空白PDMS层；
所述液路层包含有：分散相1、分散相2、油相的入口，T型液段产生区，微液滴捕获区域；这些区域沿流体流动方向由主通道串联；
所述微液滴捕获区域由100～200个圆柱形液滴捕获器组成，所有微液滴捕获器可串联连接，也可并联连接。
5.按照权利要求4所述微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片的材料均为PDMS聚合物，采用PDMS软刻蚀及等离子体不可逆封接技术构建。
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