CN114669336B - 一种微液滴生成方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种微液滴生成方法，通过将大量液体注入电极阵列，再通过控制电极层上的电极开启，或者在顶盖上设置亲水点阵列，通过操控电极阵列旋转使液体排空，在对应于开启的电极的位置或者对应于亲水点的位置留下小液滴，可以大量生成小液滴，极大的缩短了液滴生成的时间，操作流程简便。无需高精度微泵等设备，***成本降低。且扩展能力强，可通过扩展电极阵列尺寸分离出更多小液滴或分离多组样本。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种微液滴生成方法。
背景技术
如何将一定体积的液体均匀分解成大量体积均匀的微滴是微流控技术需要关键解决的问题之一，是诸多应用领域包括数字聚合酶链式反应(ddPCR)、数字环介导等温扩增(dLAMP)、数字酶联免疫检测(dELISA)、单细胞组学等应用领域的关键环节。目前高通量生成纳升液滴的技术手段主要包括微滴微流控技术和微井微流控技术。微滴微流控的代表包括Bio-Rad以及10XGenomics，该技术的特点是利用高精度微泵控制油，利用十字形结构对样本液体进行连续挤压从而生成大量皮升至纳升级别的小液滴。基于微滴微流控技术高通量生成纳升液滴的方法依赖于高精度微泵的压强的精确控制和基于MEMS的高精度芯片加工工艺，产生的微滴依然被一起保存在同一容器中，检测时每个液滴需通过微流道逐一进行检测，设备成本高昂，***复杂。微井微流控的代表为Thermo Fisher，该技术的特点是利用机械里将样本溶液在微井阵列上进行涂布，使得样本被平均分配到每一个微井中，形成皮升至纳升级别的小液滴。基于微井微流控的技术通常需要借助机械力将试剂均匀的涂布至微井阵列表面，再用惰性介质液体填充微井的上下两面，该方法的缺点是操作流程相对复杂，自动化程度低，实验通量较低，样本准备时间长。
数字微流控由于其拥有能够独立操控每一个微滴的能力使其成为高通量生成微滴的另一种技术手段，专利WO 2016/170109 Al以及US20200061620A1均阐述了一种基于数字微流控平台生成大量微滴的方法。然而，上述专利描述的基于数字微流控技术高通量生成纳升液滴的方法主要通过数字微流控技术操控大液滴生成一个小液滴后再将该小液滴运送至相应位置。该方法的主要缺点在于生成小液滴的速度较慢，样本准备时间较长。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种能够快速生成大量微液滴的微液滴生成方法。
一种微液滴生成方法，包括以下步骤：
提供电极阵列，所述电极阵列包括顶盖和底板，所述顶盖和所述底板之间形成流体通道层；
在所述顶盖和所述底板中的至少一个形成多个小液滴吸引点，所述小液滴吸引点用于吸附液体；
往所述流体通道层注入液体；
将所述电极阵列进行旋转，所述液体在对应于所述小液滴吸引点的位置形成多个小液滴。
在一个实施例中，所述顶盖包括依次层叠的上盖、导电层和第一疏水层，所述底板包括依次层叠的第二疏水层、介电层和电极层，所述电极层包括呈阵列设置的多个电极，所述第一疏水层和所述第二疏水层之间形成所述流体通道层；
在所述顶盖和所述底板中的至少一个形成多个小液滴吸引点通过如下方法形成：开启所述电极层的多个电极，开启的所述电极为所述小液滴吸引点，相邻的开启的所述电极之间通过未开启的所述电极间隔设置；
将所述电极阵列进行旋转，所述液体在对应于所述小液滴吸引点的位置形成多个小液滴的步骤为：将所述电极阵列进行旋转，所述液体在对应于开启的多个所述电极的位置形成多个小液滴。
在一个实施例中，所述顶盖包括依次层叠的上盖、导电层和第一疏水层，所述底板包括依次层叠的第二疏水层、介电层和电极层，所述电极层包括呈阵列设置的多个电极，所述第一疏水层和所述第二疏水层之间形成所述流体通道层；
在所述顶盖和所述底板中的至少一个形成多个小液滴吸引点通过如下方法形成：在所述第一疏水层上设置有亲水点，所述亲水点为所述小液滴吸引点，相邻的所述亲水点之间间隔设置；
将所述电极阵列进行旋转，所述液体在对应于所述小液滴吸引点的位置形成多个小液滴的步骤为：将所述电极阵列进行旋转，所述液体在对应于所述亲水点的位置形成多个小液滴。
在一个实施例中，所述第一疏水层和所述第二疏水层之间的距离为20μm～200μm。
在一个实施例中，所述电极为正六边形，所述电极的边长为155μm～620μm。
在一个实施例中，将所述电极阵列进行旋转的转速大于0rpm且小于等于1000rpm。
在一个实施例中，当所述多余的液体流出所述流体通道层后，停止旋转所述电极阵列。
在一个实施例中，往所述流体通道层注入液体的步骤中，往所述流体通道层的中心注入液体。
在一个实施例中，所述亲水点的制备方法如下：
利用激光或者等离子体将所述第一疏水层的所需位置的疏水涂层破坏，即得到所述亲水点。
上述微液滴生成方法，通过将液体加入至流体通道层内，再将电极阵列进行旋转，从而可以通过离心力将液体在流体通道层内流动，当液体经过小液滴吸引点时会因为小液滴吸引点的吸引作用，在流体通道层内对应于小液滴吸引点的位置留下小液滴。上述微液滴生成方法，可以快速制备大量小液滴，大幅缩短液滴生成时间，操作流程简便。无需高精度微泵等设备，***成本降低。且扩展能力强，可通过扩展电极阵列尺寸分离出更多小液滴或分离多组样本。
附图说明
图1为一实施方式的微液滴生成方法的流程示意图。
图2为一实施方式的微液滴生成方法的流程示意图。
图3为一实施方式的电极阵列的剖面结构示意图。
图4为图1所示的微液滴生成方法的步骤说明示意图。
图5为另一实施方式的微液滴生成方法的流程示意图。
图6为图5所示的微液滴生成方法采用的电极阵列的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，如“上”等指示方位或位置的关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，一实施方式的微液滴生成方法，包括以下步骤：
S10、提供电极阵列，电极阵列包括顶盖和底板，顶盖和底板之间形成流体通道层。
S20、在顶盖和底板中的至少一个形成多个小液滴吸引点，小液滴吸引点用于吸附液体。
S30、往流体通道层注入液体。
S40、将电极阵列进行旋转，液体在对应于小液滴吸引点的位置形成多个小液滴。
可以理解，S20和S30的顺序不限于先进行S20再进行S30。在特定情况下，也可以先进行S30后，再进行S20。
上述微液滴生成方法，通过将液体加入至流体通道层内，再将电极阵列进行旋转，从而可以通过离心力将液体在流体通道层内流动，当液体经过小液滴吸引点时会因为小液滴吸引点的吸引作用，在流体通道层内对应于小液滴吸引点的位置留下小液滴。上述微液滴生成方法，可以快速制备大量小液滴，大幅缩短液滴生成时间，操作流程简便。无需高精度微泵等设备，***成本降低。且扩展能力强，可通过扩展电极阵列尺寸分离出更多小液滴或分离多组样本。
具体的，小液滴吸引点的可以通过不同的方法形成，下面对微液滴生成方法进行详细说明。
请参考图2，一实施方式的微液滴生成方法，包括以下步骤：
S110、提供电极阵列，请参考图3，电极阵列包括顶盖和底板，顶盖包括依次层叠的上盖10、导电层20和第一疏水层30，底板包括依次层叠的第二疏水层40、介电层50和电极层60，电极层60包括呈阵列设置的多个电极，第一疏水层30和第二疏水层40之间形成流体通道层70。
S120、往流体通道层70注入液体。
S130、开启电极层60的多个电极，相邻的开启的电极之间通过未开启的电极间隔设置。
S140、将电极阵列进行旋转，液体在对应于开启的多个电极的位置形成多个小液滴80。
可以理解，S120和S130没有顺序限制，可以先进行S120，再进行S130。也可以先进行S130，再进行S120。
上述微液滴生成方法，通过将液体加入至流体通道层70内，再将电极阵列进行旋转，从而可以通过离心力将液体在流体通道层70内对应于开启的多个电极的位置形成多个小液滴80。上述微液滴生成方法，可以快速制备大量小液滴80，大幅缩短液滴生成时间，操作流程简便。无需高精度微泵等设备，***成本降低。且扩展能力强，可通过扩展电极阵列尺寸分离出更多小液滴或分离多组样本。
可以理解，在制备小液滴80时，电极层60的电极并未全部开启，包括开启的电极和未开启的电极。为了避免小液滴80之间相互结合，相邻的开启的电极之间通过未开启的电极间隔设置。可以理解，相邻的开启的电极之间相互间隔有至少一个未开启的电极。优选的，相邻的开启的电极之间相互间隔有2个未开启的电极。
在一个实施例中，往流体通道层70注入液体的步骤中，往流体通道层70的中心注入液体。请参考图4(A)，即，可以在电极阵列的中心开设一个注液孔1，将液体从注液孔1加入至流体通道层70内。可以理解，也可以在电极阵列的其他位置加入液体，布满整个流体通道层70，再通过旋转电极阵列将多余的液体排走即可。当然，将液体从电极阵列的中心注入，通过电极阵列的旋转，可以将液体从中心往四周分散，从而在开启的电极上形成小液体，可以有效减少液体的用量。
在一个实施例中，S140中，当多余的液体流出流体通道层70后，停止旋转电极阵列。具体的，请参考图4(B)，在电极阵列的四个角上设有排液孔6，多余的液体通过排液孔6排出流体通道层70。
在一个实施例中，电极阵列进行旋转的转速大于0rpm且小于等于1000rpm。
在一个实施例中，请参考图3，第一疏水层30和第二疏水层40之间的距离h为20μm～200μm。
在一个实施例中，电极为正六边形，电极的边长为155μm～620μm。可以理解，电极的形状可以是任意形状或任意形状的组合。
液滴的体积可通过调节电极尺寸、电极的间隙距离等进行精确调整。
在一个实施例中，上盖10的材质可以为玻璃基底。上盖10的厚度为0.7mm～1.1mm。
在一个实施例中，导电层20的材质可以为ITO导电层。导电层20的厚度为70nm～150nm。
在一个实施例中，第一疏水层30的材质可以为含氟疏水涂层。第一疏水层30的厚度为10nm～100nm。
在一个实施例中，第二疏水层40的材质可以为含氟疏水涂层。第二疏水层40的厚度为10nm～100nm。
在一个实施例中，介电层50的材质可以为有机绝缘层或无机绝缘层。介电层50的厚度为100nm～400nm。
在一个实施例中，电极层60的材质可以为透明导电玻璃或金属。电极层60的厚度为100nm～400nm。
此外，请参考图5，本申请还提供另一实施方式的微液滴生成方法，包括以下步骤：
S210、提供电极阵列，请参考图6，电极阵列包括顶盖13和底板14，顶盖包括依次层叠的上盖、导电层和第一疏水层，第一疏水层上设置有亲水点12，相邻的亲水点12之间间隔设置，底板包括依次层叠的第二疏水层、介电层和电极层，电极层包括呈阵列设置的多个电极，第一疏水层和第二疏水层之间形成流体通道层。S220、往流体通道层注入液体。
S230、将电极阵列进行旋转，液体在对应于亲水点的位置形成多个小液滴。
上述微液滴生成方法，通过将液体加入至流体通道层内，再将电极阵列进行旋转，从而可以通过离心力将液体在流体通道层内流动，当大液滴经过亲水点时会因为亲水点的亲水作用，在流体通道层内对应于亲水点的位置留下小液滴。上述微液滴生成方法，可以快速制备大量小液滴，大幅缩短液滴生成时间，操作流程简便。上述微液滴生成方法，无需通过控制电极，即可分离出小液滴，使得操作更为简便。无需高精度微泵等设备，***成本降低。且扩展能力强，可通过扩展电极阵列尺寸分离出更多小液滴或分离多组样本。
在一个实施例中，往流体通道层注入液体的步骤中，往流体通道层的中心注入液体。即，可以在电极阵列的中心开设一个注液孔，将液体从注液孔加入至流体通道层内。可以理解，也可以在电极阵列的其他位置加入液体，布满整个流体通道层，再通过旋转电极阵列将多余的液体排走即可。当然，将液体从电极阵列的中心注入，通过电极阵列的旋转，可以将液体从中心往四周分散，从而在开启的电极上形成小液体，可以有效减少液体的用量。
在一个实施例中，S230中，当多余的液体流出流体通道层后，停止旋转电极阵列。具体的，在电极阵列的四个角上设有排液孔，多余的液体通过排液孔排出流体通道层。
在一个实施例中，将电极阵列进行旋转的转速大于0rpm且小于等于1000rpm。
在一个实施例中，第一疏水层和第二疏水层之间的距离h为20μm～200μm。
在一个实施例中，亲水点的制备方法如下：利用激光或者等离子体将所述第一疏水层的所需位置的疏水涂层破坏，即得到所述亲水点。
在一个实施例中，第一疏水层上的多个亲水点呈阵列设置。
在一个实施例中，上盖的材质可以为玻璃基底。上盖的厚度为0.7mm～1.1mm。
在一个实施例中，导电层的材质可以为ITO导电层。导电层的厚度为70nm～150nm。
在一个实施例中，第一疏水层的材质可以为含氟疏水涂层。第一疏水层的厚度为10nm～100nm。
在一个实施例中，第二疏水层的材质可以为含氟疏水涂层。第二疏水层的厚度为10nm～100nm。
在一个实施例中，介电层的材质可以为有机绝缘层或无机绝缘层。介电层的厚度为100nm～400nm。
在一个实施例中，电极层的材质可以为透明导电玻璃或金属。电极层的厚度为100nm～400nm。
可以理解，电极的形状可以是任意形状或任意形状的组合。
液滴的体积可通过调节电极的间隙距离或者亲水点12的尺寸等进行精确调整。
下面为具体实施例部分。
实施例1
如图4(A)至4(F)所示顺序，由电极7组成的电极阵列首先经由注液孔1注满液体2，电极阵列按照图中箭头3所示方向开始旋转，并产生离心力，使得液体2按途中箭头4所示方向沿电极阵列移动。通过控制电极阵列上部分电极的开启，如图4(A)所示，相邻的开启的电极之间间隔一个未开启的电极，可实现液体2遗留下一组小液滴5，电极阵列持续旋转，液体2继续沿箭头方向从位于阵列四角的小孔6排空而小液滴5留在开启的电极的位置。持续旋转电极阵列以维持离心力，可使液体2在其排空路径上留下多组小液滴5。小液滴5下方的电极处于打开状态从而将小液滴5固定在原位，可分离出目标小液滴数后持续离心，直至多余液体完全耗尽。
实施例2
如图6所示，通过对顶盖13的下表面进行亲水修饰，形成亲水点12组成的阵列，当液体脱离亲水点12时会因为亲水作用留下小液滴。
传统的数字微流控通过操控大液滴生成一个小液滴后再将该小液滴运送至相应位置。上述两种微液滴生成方法为控制大量液体注入电极阵列，通过操控电极阵列旋转使液体排空并留下小液滴，极大的缩短了液滴生成的时间。当高通量纳升液滴分离完成后可在电极阵列上进行相应实验和检测。可挑选任意液滴进行筛选或单独进行实验。该方法配合光学检测模块可实现例如ddPCR、dLAMP、dELISA单细胞实验等生化应用功能。可适用于其他核酸检测例如恒温扩增。同时，可以对芯片种任意小液滴进行筛选或独立实验，可通过扩展芯片尺寸分离出更多小液滴或分离多组样本。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种微液滴生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供电极阵列，所述电极阵列包括顶盖和底板，所述顶盖和所述底板之间形成流体通道层；所述顶盖包括依次层叠的上盖、导电层和第一疏水层，所述底板包括依次层叠的第二疏水层、介电层和电极层，所述电极层包括呈阵列设置的多个电极，所述第一疏水层和所述第二疏水层之间形成所述流体通道层；
在所述顶盖和所述底板中的至少一个形成多个小液滴吸引点，所述小液滴吸引点用于吸附液体；
在所述顶盖和所述底板中的至少一个形成多个小液滴吸引点通过如下方法形成：开启所述电极层的多个电极，开启的所述电极为所述小液滴吸引点，相邻的开启的所述电极之间通过未开启的所述电极间隔设置；
往所述流体通道层注入液体；
将所述电极阵列进行旋转，所述液体在对应于所述小液滴吸引点的位置形成多个小液滴。
2.如权利要求1所述的微液滴生成方法，其特征在于，
将所述电极阵列进行旋转，所述液体在对应于所述小液滴吸引点的位置形成多个小液滴的步骤为：将所述电极阵列进行旋转，所述液体在对应于开启的多个所述电极的位置形成多个小液滴。
3.如权利要求2所述的微液滴生成方法，其特征在于，所述第一疏水层和所述第二疏水层之间的距离为20μm～200μm。
4.如权利要求2所述的微液滴生成方法，其特征在于，所述电极为正六边形，所述电极的边长为155μm～620μm。
5.如权利要求1-2中任一项所述的微液滴生成方法，其特征在于，所述电极阵列进行旋转的转速大于0rpm且小于等于1000rpm。
6.如权利要求1-2中任一项所述的微液滴生成方法，其特征在于，当多余的液体流出所述流体通道层后，停止旋转所述电极阵列。
7.如权利要求1-2中任一项所述的微液滴生成方法，其特征在于，往所述流体通道层注入液体的步骤中，往所述流体通道层的中心注入液体。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 郑芳等.临床分子诊断学.华中科技大学出版社,2014,155页. * |
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