CN114632563A - 一种液滴微流控芯片及微液滴的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液滴微流控芯片及微液滴的制备方法，涉及微流控技术领域，包括：芯片板，内设有流道，流道具有液流入口和微液滴出口；顶盖，贴合于芯片板顶部；基板，贴合于芯片板底部；电浸润动力机构，包括泵腔和电极层，泵腔设于芯片板上并与流道相交连通，电极层位于泵腔内，泵腔内填充有电浸润液体，电极层上的电压周期变化驱动电浸润液体在泵腔内往复移动。本发明通过电浸润动力机构外接电源的周期变化驱动电浸润液体对芯片板流道内的液流进行周期性挤压以制备微液滴，相较于现有的控制方式反应更迅速，控制灵敏度、精度更高，制备微液滴的效率更高；调节电源频率可以形成不同大小液滴，生成方式简单，操作方便。

Description

一种液滴微流控芯片及微液滴的制备方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，尤其是涉及一种液滴微流控芯片及微液滴的制备方法。

背景技术

微流控(Microfluidics)是指在微米尺度空间对流体进行操控的一种技术。液滴微流控作为微流控芯片研究中的重要分支，是近年来在传统连续流微流控***基础上发展起来的，液滴微流控技术在生物医学中有广泛的应用，例如通过精确地对反应中的微液滴进行操控，能够减少反应试剂的消耗量，提高试剂利用率。制备的上万甚至上百万单分散性好的皮升级别的微液滴，作为独立的反应单元可以结合荧光成像分析、光谱学、电化学、毛细管电泳、质谱、核磁共振谱、化学发光法等手段实现在分子诊断、免疫生化、细胞培养、高分子合成、单细胞分析、药物运输等方面进行定性或定量的应用。

关于液滴生成的驱动方式有多种，水动力法是其中一种，利用两通道交叉处的结构特点使分散相液体在连续相剪切力的作用下以液滴形式分散在连续相中，其中最常用的提供驱动的方式为注射泵、蠕动泵或者压力，但这些驱动方式均为机械驱动，存在行程误差，且控制精度不高；专利“CN111030418B-一种基于电浸润现象的双腔微泵”公开了一种电浸润动力机构，通过外接电源的正负变化实现对电浸润液体的移动方向控制，如果能够利用其原理改进微流控芯片的驱动方式，将使微液滴制备过程的控制精度更高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液滴微流控芯片及微液滴的制备方法，能够使得微液滴制备过程的控制精度更高；

本发明提供一种液滴微流控芯片，包括：

芯片板，内设有流道，所述流道具有液流入口和微液滴出口；

顶盖，贴合于所述芯片板顶部；

基板，贴合于所述芯片板底部；

电浸润动力机构，包括泵腔和电极层，所述泵腔设于所述芯片板上并与所述流道相交连通，所述电极层位于所述泵腔内，所述泵腔内填充有电浸润液体，所述电极层上的电压周期变化驱动所述电浸润液体在所述泵腔内往复移动。

进一步地，所述芯片板包括相互贴合的第一芯片板和第二芯片板，所述顶盖贴合于所述第一芯片板顶部，所述基板贴合于所述第二芯片板底部。

进一步地，所述第一芯片板上设有第一流道和第二流道，所述第一流道与所述第二流道相交，所述第一流道的两端分别设有所述液流入口和所述微液滴出口，所述第二流道的两端分别设有外相液入口。

进一步地，所述第二芯片板上设有第三流道和第四流道，所述第三流道与所述第四流道相交，所述第三流道的两端分别设有所述液流入口和所述微液滴出口，所述第四流道的两端分别设有外相液入口。

进一步地，所述第一流道上的所述微液滴出口与所述第二流道上的所述微液滴出口分别位于所述芯片板的不同两侧。

进一步地，所述液流入口包括呈环形设置的内相液入口和中间相液入口。

进一步地，所述泵腔包括位于所述所述第一芯片板的第一泵腔和位于所述第二芯片板的第二泵腔，所述第一泵腔与所述第一流道相交连通，所述第二流道位于所述第一流道的所述液流入口与所述第一泵腔之间，所述第二泵腔与所述第三流道相交连通，所述第四流道位于所述第三流道的所述液流入口与所述第二泵腔之间。

进一步地，所述第一泵腔的两端与所述第二泵腔的两端连通，所述电极层上贴合有介电材料疏水层，所述第一泵腔上的所述电极层与第一导线连接，所述第二泵腔上的所述电极层与第二导线连接，所述第一导线和所述第二导线分别贯穿出所述芯片板。

进一步地，所述顶盖和所述基板上分别贯穿设置有换液孔，所述换液孔与所述第一泵腔和所述第二泵腔连通。

本发明还提供一种液滴微流控芯片的微液滴制备方法，包括如下步骤：

S1：第一芯片板的内相液入口注入内相液，中间相液入口注入中间相液，在第二流道与液流入口之间的第一流道内形成双相环状流；第二芯片板的内相液入口注入内相液，中间相液入口注入中间相液，在第四流道与液流入口之间的第三流道内形成双相环状流；

S2：第一芯片板的外相液入口注入外相液，由第二流道进入第一流道包裹双相环状流形成三相环状流；第二芯片板的外相液入口注入外相液，由第四流道进入第三流道包裹双相环状流形成三相环状流；

S3：第一导线接通外部电源正极，第二导线接通外部电源负极，位于第一流道和第三流道相同侧的电浸润液体向第一流道移动，挤压三相环状流形成微液滴，微液滴从第一流道的微液滴出口流出；

S4：第一导线接通外部电源负极，第二导线接通外部电源正极，位于第一流道和第三流道相同侧的电浸润液体向第三流道移动，挤压三相环状流形成微液滴，微液滴从第三流道的微液滴出口流出。

本发明的技术方案通过电浸润动力机构外接电源的周期变化驱动电浸润液体对芯片板流道内的液流进行周期性挤压，以制备微液滴，由于直接利用电信号驱动控制电浸润液体的移动，没有机械传动的能耗和延时，相较于现有的控制方式反应更迅速，控制灵敏度、精度更高，制备微液滴的效率更高；调节电源频率可以形成不同大小液滴，生成方式简单，操作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明图1的内部透视图；

图3为本发明图1的***视图；

图4为本发明图3的内部透视图；

图5为本发明的第一芯片板俯视图；

图6为本发明图5的A处放大图；

图7为本发明图5的B处放大图；

图8为本发明泵腔处的剖面视图；

图9为本发明微液滴的制备方法示意图；

附图标记说明：

1-芯片板、101-第一芯片板、102-第二芯片板、103-液流入口、104-微液滴出口、105-外相液入口

1011-第一流道、1012-第二流道

1021-第三流道、1022-第四流道

1031-内相液入口、1032-中间相液入口

2-顶盖

3-基板

4-电浸润动力机构、401-第一泵腔、402-第二泵腔、403-电极层、404-介电材料疏水层、405-第一导线、406-第二导线

5-换液孔、501-换液管、502-换液盖

6-内相液、7-中间相液、8-外相液、9-三相微液滴、10-电浸润液体

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-图4所示，本发明提供一种液滴微流控芯片，包括：芯片板1，内设有流道，流道具有液流入口103和微液滴出口104；顶盖2，贴合于芯片板1顶部；基板3，贴合于芯片板1底部；电浸润动力机构4，包括泵腔和电极层403，泵腔设于芯片板1上并与流道相交连通，电极层403位于泵腔内，泵腔内填充有电浸润液体10，电极层403上的电压周期变化驱动电浸润液体10在泵腔内往复移动。。

具体的，顶盖2叠设于芯片板1的上方以使得芯片板1的顶面封闭，基板3叠设于芯片板1的下方以使得芯片板1的底面封闭，芯片板1被夹持在顶盖2与基板3之间，液流由液流入口103进入流道内，并向微液滴出口104移动。当液流移动到流道与泵腔相交的位置时，对流道两侧的泵腔内的电极层403通电，泵腔内的电浸润液体10受到电浸润现象的作用，由流道两侧向流道内移动，挤压流道内的液流(电浸润液体10与内相液6、外相液7互不相溶)，使连续相的液流分散，通过电浸润液体10的周期性快速移动挤压，则连续相的液流分散为一个个液滴，从微液滴出口104流出。其中，对于电浸润现象的具体原理(通过改变电极层403与电浸润液体10之间的电势，进而改变泵腔与电浸润液体10接触面的表面能，最终改变两者之间接触角的现象，当接触角变化时，电浸润液体10即发生移动)，属于本领域现有技术内容，具体可以参考背景技术中提到的专利文件，不再赘述。具体在本实施例1中，可以是在流道两侧的泵腔的两内侧壁上均设置电极层403与外接电源连接(即流道每一侧的泵腔单独控制，两侧泵腔内的电浸润液同步异向移动挤压液流)，或在流道某一侧的泵腔的两内侧壁上设置电极层403与外界电源连接(即仅控制流道某一侧的泵腔，使两侧泵腔内的电浸润液同步同向移动剪切液流)，均可以到达使连续相液流分散为若干液滴的目的。

实施例2

本实施例2具体叙述芯片板1制备双相液滴和双向出液技术方案：

如图1-图5所示，芯片板1包括相互贴合的第一芯片板1011和第二芯片板1021，顶盖2贴合于第一芯片板1011顶部，基板3贴合于第二芯片板1021底部。第一芯片板1011上设有第一流道1011和第二流道1012，第一流道1011与第二流道1012相交，第一流道1011的两端分别设有液流入口103和微液滴出口104，第二流道1012的两端分别设有外相液入口105。第二芯片板1021上设有第三流道1021和第四流道1022，第三流道1021与第四流道1022相交，第三流道1021的两端分别设有液流入口103和微液滴出口104，第四流道1022的两端分别设有外相液入口105。第一流道1011上的微液滴出口104与第二流道1012上的微液滴出口104分别位于芯片板1的不同两侧。

具体的，在本实施例2中，使两个芯片板1堆叠，在第一芯片板1011上开设贯穿整个芯片板1顶面的第一流道1011和第二流道1012，第一流道1011和第二流道1012成十字交叉，液流由第一流道1011的液流入口103进入第一流道1011后，在于第二流道1012的交叉处被由第二流道1012的外相液入口105进入的外相液8包裹，形成双相液。然后双向液继续沿着第一流道1011前进，到达泵腔后，受到泵腔内电浸润液体10的挤压，分散为双相微液滴，即本装置制备双相液的原理。

另外，本装置中，第二芯片板1021上的第三流道1021和第四流道1022与第一芯片板1011上的第一流道1011和第二流道1012呈对称设置，即第二芯片板1021和第一芯片板1011的的微液滴出口104分别位于整个芯片板1堆叠的不同两侧，所以通过电浸润液体10移动方向的不同，本装置能够从两个不同的方向排出微液滴。

另外，本装置中，顶盖2上设有两个外相液入口105与第二流道1012上的外相液入口105连接；基板3上设有两个外相液入口105与第四流道1022上的外相液入口105连接；

实施例3

本实施例3叙述芯片板1制备三相微液滴的技术方案：

如图6所示，液流入口103包括呈环形设置的内相液入口1031和中间相液入口1032。

具体的，如图9所示，本装置中，将液流入口103上设置环形的内相液入口1031和中间相液入口1032，内相液入口1031中注入内相液6，中间相液入口1032中注入中间相液7，则进入第一流道1011/第三流道1021内的液流为双相环状流，再与第二流道1012/第四流道1022内的外相液8接触后，即形成三相环状流，在电浸润动力机构4处被分散成三相微液滴。

实施例4

本实施例4叙述第一芯片板1011和第二芯片板1021双向制备微液滴的具体方案：

如图1-图4、图5、图7和图8所示，泵腔包括位于第一芯片板1011的第一泵腔401和位于第二芯片板1021的第二泵腔402，第一泵腔401与第一流道1011相交连通，第二流道1012位于第一流道1011的液流入口103与第一泵腔401之间，第二泵腔402与第三流道1021相交连通，第四流道1022位于第三流道1021的液流入口103与第二泵腔402之间。第一泵腔401的两端与第二泵腔402的两端连通，电极层403上贴合有介电材料疏水层404，第一泵腔401上的电极层403与第一导线405连接，第二泵腔402上的电极层403与第二导线406连接，第一导线405和第二导线406分别贯穿出芯片板1。

具体的，第一泵腔401和第二泵腔402分别设置在第一芯片板1011和第二芯片板1021的相同位置(具体为第一流道1011和第三流道1021的中部)，并分别与第一流道1011和第三流道1021成十字相交连通。第一泵腔401和第二泵腔402位于第一流道1011和第二流道1012的相同侧的端部通过相向延伸出的连接孔连接。则位于第一流道1011同侧的部分第一泵腔401和位于第二流道1012同侧的部分第二泵腔402形成两个通路，第一泵腔401和第二泵腔402的内侧壁上分别设有电极层403，两个电极层403之间设有用于防止两者之间发生导电作用的阻隔垫，阻隔垫为疏水材料。

则在此时：

如图8和图9所示，电浸润液体10的流动方向用箭头表示，当在第一泵腔401上的电极层403的第一导线405外接直流电源正极，在第二泵腔402上的电极层403的第二导线406外接直流电源负极，则第二泵腔402内的电浸润液体10通过两侧端部的连接处向第一泵腔401内移动，第一泵腔401内第一流道1011两侧的电浸润液体10挤压第一流道1011内的连续相三相液，形成三相微液滴，由整个装置一侧的微液滴出口104排出；

当在第一泵腔401上的电极层403的第一导线405外接直流电源负极，在第二泵腔402上的电极层403的第二导线406外接直流电源正极，与图8中电浸润液体10流动方向相反的，则第一泵腔401内的电浸润液体10通过两侧端部的连接处向第二泵腔402内移动，第二泵腔402内第三流道1021两侧的电浸润液体10挤压第三流道1021内的连续相三相液，形成三相微液滴，由整个装置另一侧的微液滴出口104排出；

以上即为本实施例4实现通过第一泵腔401和第二泵腔402实现第一芯片板1011和第二芯片板1021双向制备微液滴的具体方案，主要是通过改变与第一导线405和第二导线406连接的外接电源的正负变化，控制电浸润液体10在两侧连通的第一泵腔401和第二泵腔402内的移动方向的变化，实现对第一流道1011或第三流道1021内的连续多相液的挤压动作。具体的电浸润现象和原理属于本领域现有技术，可以参考背景技术中的专利文件或其他相关教材课本等，不再赘述。

如图8所示，顶盖2和基板3上分别贯穿设置有换液孔5，换液孔5与第一泵腔401和第二泵腔402连通。

具体的，换液孔5位于顶盖2顶面和基板3底面，主要用于向泵腔内添加/更换电浸润液体10。另外，换液孔5上连接有换液管501，换液管501上相配合的设有换液盖502。换液时打开换液盖502将换液管501与液源连接即可。

实施例5

本实施例5叙述通过上述微流控芯片制备微液滴的具体方法：

如图1-图9所示，本发明还提供一种液滴微流控芯片的微液滴制备方法，包括如下步骤：

S1：第一芯片板1011的内相液入口1031注入内相液6，中间相液入口1032注入中间相液7，在第二流道1012与液流入口103之间的第一流道1011内形成双相环状流；第二芯片板1021的内相液入口1031注入内相液6，中间相液入口1032注入中间相液7，在第四流道1022与液流入口103之间的第三流道1021内形成双相环状流；

具体的，在到达第二流道1012或第四流道1022之前，第一流道1011或第三流道1021内均保持连续双相环状流的状态。

S2：第一芯片板1011的外相液入口105注入外相液8，由第二流道1012进入第一流道1011包裹双相环状流形成三相环状流；第二芯片板1021的外相液入口105注入外相液8，由第四流道1022进入第三流道1021包裹双相环状流形成三相环状流；

具体的，在经过第二流道1012或第四流道1022之后，第一流道1011或第三流道1021内即形成连续三相环状流状态。

S3：第一导线405接通外部电源正极，第二导线406接通外部电源负极，位于第一流道1011和第三流道1021相同侧的电浸润液体10向第一流道1011移动，挤压三相环状流形成微液滴，微液滴从第一流道1011的微液滴出口104流出；

具体的，电浸润液体10向正极移动，向第一流道1011内聚合，挤压三相环状流形成微液滴，微液滴从整个微流控吸盘的一侧排出。

S4：第一导线405接通外部电源负极，第二导线406接通外部电源正极，位于第一流道1011和第三流道1021相同侧的电浸润液体10向第三流道1021移动，挤压三相环状流形成微液滴，微液滴从第三流道1021的微液滴出口104流出。

具体的，电浸润液体10向正极移动，向第三流道1021内聚合，挤压三相环状流形成微液滴，微液滴从整个微流控吸盘的另一侧排出。

另外需要说明的是，本发明中的微流控芯片，可以同时向第一芯片板1011和第二芯片板1021均注入液流，以进行双向同步制备微液滴，也可以仅在第一芯片板1011或第二芯片板1021其中之一注入液流，以进行单向制备微液滴。本发明中通过外接电源正负极的周期性变化，控制第一泵腔401和第二泵腔402内电浸润液体10的往复移动，那么通过控制电势差的高低或控制正负极的周期变化频率，可以控制所制备的微液滴的大小，为本发明的另外优点。

本发明的使用过程已在实施例5中进行详细叙述，不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种液滴微流控芯片，其特征在于，包括：

芯片板，内设有流道，所述流道具有液流入口和微液滴出口；

顶盖，贴合于所述芯片板顶部；

基板，贴合于所述芯片板底部；

电浸润动力机构，包括泵腔和电极层，所述泵腔设于所述芯片板上并与所述流道相交连通，所述电极层位于所述泵腔内，所述泵腔内填充有电浸润液体，所述电极层上的电压周期变化驱动所述电浸润液体在所述泵腔内往复移动。

2.根据权利要求1所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述芯片板包括相互贴合的第一芯片板和第二芯片板，所述顶盖贴合于所述第一芯片板顶部，所述基板贴合于所述第二芯片板底部。

3.根据权利要求2所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述第一芯片板上设有第一流道和第二流道，所述第一流道与所述第二流道相交，所述第一流道的两端分别设有所述液流入口和所述微液滴出口，所述第二流道的两端分别设有外相液入口。

4.根据权利要求3所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述第二芯片板上设有第三流道和第四流道，所述第三流道与所述第四流道相交，所述第三流道的两端分别设有所述液流入口和所述微液滴出口，所述第四流道的两端分别设有外相液入口。

5.根据权利要求4所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述第一流道上的所述微液滴出口与所述第二流道上的所述微液滴出口分别位于所述芯片板的不同两侧。

6.根据权利要求5所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述液流入口包括呈环形设置的内相液入口和中间相液入口。

7.根据权利要求6所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述泵腔包括位于所述所述第一芯片板的第一泵腔和位于所述第二芯片板的第二泵腔，所述第一泵腔与所述第一流道相交连通，所述第二流道位于所述第一流道的所述液流入口与所述第一泵腔之间，所述第二泵腔与所述第三流道相交连通，所述第四流道位于所述第三流道的所述液流入口与所述第二泵腔之间。

8.根据权利要求7所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述第一泵腔的两端与所述第二泵腔的两端连通，所述电极层上贴合有介电材料疏水层，所述第一泵腔上的所述电极层与第一导线连接，所述第二泵腔上的所述电极层与第二导线连接，所述第一导线和所述第二导线分别贯穿出所述芯片板。

9.根据权利要求8所述的液滴微流控芯片，其特征在于，所述顶盖和所述基板上分别贯穿设置有换液孔，所述换液孔与所述第一泵腔和所述第二泵腔连通。

10.一种使用如权利要求8所述的液滴微流控芯片的微液滴制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：第一芯片板的内相液入口注入内相液，中间相液入口注入中间相液，在第二流道与液流入口之间的第一流道内形成双相环状流；第二芯片板的内相液入口注入内相液，中间相液入口注入中间相液，在第四流道与液流入口之间的第三流道内形成双相环状流；

S2：第一芯片板的外相液入口注入外相液，由第二流道进入第一流道包裹双相环状流形成三相环状流；第二芯片板的外相液入口注入外相液，由第四流道进入第三流道包裹双相环状流形成三相环状流；

S3：第一导线接通外部电源正极，第二导线接通外部电源负极，位于第一流道和第三流道相同侧的电浸润液体向第一流道移动，挤压三相环状流形成微液滴，微液滴从第一流道的微液滴出口流出；

S4：第一导线接通外部电源负极，第二导线接通外部电源正极，位于第一流道和第三流道相同侧的电浸润液体向第三流道移动，挤压三相环状流形成微液滴，微液滴从第三流道的微液滴出口流出。

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