CN209287355U - 微流控芯片及含有该微流控芯片的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及微流控领域，特别涉及微流控芯片及含有该微流控芯片的装置，以及用于制备微乳化液滴的应用。该微流控芯片通过液滴融合部件5的结构结合交流电极10施加交流电场，在不影响细胞活性的前提下达到高效率的液滴融合。
Description
技术领域
本实用新型涉及微流控领域，特别涉及微流控芯片及含有该微流控芯片的装置。
背景技术
微流控芯片技术(Microfluidics)又被称为芯片实验室(Lab-on-a-chip)，能在一个几平方厘米的微小芯片上集成传统的生物和化学实验室的基本功能，包括样本分离、制备、化学反应、检测等操作。
微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样本的同时分析，并且可以实现样本的预处理及分析全过程。
液滴微流控技术是微流控芯片技术的一个重要分支。液滴微流控技术是在传统的单相微流控芯片技术发展而来的，最早由芝加哥大学Rustem F. Ismagilov教授首先提出三入口T型微液滴芯片设计，并在之后的几年中得到广泛关注和应用。与单相微流控***相比，由于其水/油两相分离的特征，具有如消耗样本和试剂量更少，混合速度更快不易造成交叉污染，易于操控等优势。因此，在污染物快速高通量检测，生物样本分离、培育，观察化学反应进度等领域中有着重要的应用。微液滴因具有通量高，无交叉污染等优势，其在喷墨打印、微混合、DNA分析、材料合成、蛋白质结晶等领域呈现出巨大的应用潜力。一些基于微液滴的生化反应，如微纳颗粒合成，过程中需要将两种不同的液滴融合在一起，以便获得较好的混合反应效果。
过去在单细胞全基因体测序中单细胞取得的方法有梯度稀释法、雷射捕获显微切割技术(Laser capture microdissection)或流式细胞仪进行筛选细胞，这类方式有低产量、操作步骤繁琐、易污染等缺点，且多是利用组织样本或细胞群来进行后续分析，透过运算样本群细胞取得平均值，往往忽略细胞间异质性及单颗细胞个体的特性，无法真实反应每个细胞的独特性。
由此，提供一种微流控芯片用于获得微乳化液滴，该微乳化液滴包裹单细胞进而进行DNA杂交、聚合酶连锁反应放大、测序，单细胞免疫分析与药敏分析等检测，具有重要的现实意义。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种微流控芯片及含有该微流控芯片的装置。该微乳化液滴包裹单细胞进而进行DNA杂交、聚合酶连锁反应放大、测序，单细胞免疫分析与药敏分析等检测。
为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供以下技术方案：
本实用新型提供了一种微流控芯片，包括基片，所述基片设置有油相入口1、样本入口2、试剂入口3、微流道4、液滴融合部件5和出口6；
所述油相入口1与所述样本入口2通过两者之间的微流道4连通；
所述油相入口1与所述试剂入口3通过两者之间的微流道4连通；
所述油相入口1、所述样本入口2、所述试剂入口3设置在所述液滴融合部件5的一侧，所述出口6设置在所述液滴融合部件5的另一侧；
所述液滴融合部件5与所述出口6通过两者之间的微流道4连通；
所述液滴融合部件5包括拓宽微流道7和设置于拓宽微流道7内的所述限流部件8；
所述拓宽微流道7的纵截面的宽度大于所述微流道4的纵截面的宽度；
所述限流部件8包括对称设置于液滴流向两侧的组件9。
乳化是由水，油及表面活性剂在适当比例下形成的稳定体系，微乳化技术是基于微机电技术制作出微型结构并产生微乳化液滴，其原理为利用流体动力聚焦(液力聚焦)汇集连续相及分散相液体，当连续相剪力大于分散相剪力的表面张力时，分散相液体便断裂而形成w/o或o/w乳化液滴(如图 1所示)。
作为优选，所述拓宽微流道7远出口端的纵截面宽度与所述微流道4纵截面宽度的比值为(2～5)：1。
作为优选，所述拓宽微流道7近出口端的纵截面宽度与所述微流道4纵截面宽度的比值为(1～1.5)：1。
作为优选，所述限流部件8的个数至少2个；所述限流部件8沿液滴流向平行设置，且所述限流部件8的组件9之间形成的通道的宽度逐渐减小。
作为优选，远出口端的所述限流部件8中所述组件9之间形成的通道的宽度不小于待融合液滴直径。
作为优选，待融合液滴直径＜远出口端的所述限流部件8中所述组件9 之间形成的通道宽度＜待融合液滴直径的2倍。
作为优选，近出口端的所述限流部件8中所述组件9之间形成的通道的宽度不小于待融合液滴直径的1/4。
作为优选，待融合液滴直径的1/4＜近出口端的所述限流部件8中所述组件9之间形成的通道宽度＜待融合液滴直径的3/4。
作为优选，待融合液滴直径的1/10<各所述限流部件8之间的距离<待融合液滴直径的1/4。
作为优选，所述基片还设置有交流电极10，所述交流电极10施加交流电场于所述液滴融合部件5。
作为优选，所述交流电极10的电压为1～20V，所述交流电极10的频率为1～1000KHz。
作为优选，所述油相入口1、所述样本入口2、所述试剂入口3、所述液滴融合部件5、所述出口6、所述交流电极10的个数分别至少为1个。
作为优选，所述微流控芯片包括多层结构，所述油相入口1、所述样本入口2、所述试剂入口3、所述液滴融合部件5、所述出口6设置于同一层或分别设置于不同层，且通过微流道4连通。
更优选的，所述微流控芯片包括出口层(设置有出口6)、样本入口层(设置有样本入口2)、试剂入口层(设置有试剂入口3)、液滴生成层(设置有液滴融合部件5)、电极层(设置有交流电极10)。油相直接穿透各层直达液滴生成层，样本及试剂则分别进入其入口层(样本入口层、试剂入口层)后再向下流到液滴生成层，出口则穿过样本入口层和试剂入口层后汇流到出口层后再由出口统一收集。流体在微观尺度下，重力及惯性不是主要作用，而是表面张力、能量消耗、及流体阻力主导流体行为，以达到微流体控制。由于油相、样本、试剂皆通过液体帮浦辅助注入，即产生推力，该推力可促使液体往出口端移动。
本实用新型还提供了一种装置，包括上述微流控芯片。
本实用新型还提供了上述微流控芯片或上述装置用于制备包裹单细胞的微乳化液滴的应用。
在此基础上，本实用新型还提供了一种包裹单细胞的微乳化液滴的制备方法，向上述微流控芯片或上述装置的所述油相入口1通入油相，向所述样本入口2通入细胞，向所述试剂入口3通入试剂，所述油相与所述细胞形成样本液滴，所述油相与所述试剂形成试剂液滴，所述样本液滴与所述试剂液滴通过微流道4进入液滴融合部件5，通过拓宽微流道7和所述限流部件8 缩短所述样本液滴与所述试剂液滴之间的距离，开启所述交流电极10，施加交流电场改变其表面张力，使得所述样本液滴与所述试剂液滴融合，获得微乳化液滴。
本实用新型的有益效果有且不限于：
1利用液滴融合部件5使液滴碰撞(参考图5)，并进一步以交流电场使其融合：通过液滴融合部件5的结构来调控两相邻液滴接触时间，当液滴由主流道进入液滴融合部件5时，其流速(V1)会因为拓宽微流道7的流道变宽导致流速降低(V2)，而限流部件8的设置除可使液滴维持在中央，其上下结构——对称设置于液滴流向两侧的组件9的距离渐缩(W1>W2)具阻挡作用，使液滴前后可产生接触。为了保证融合效果，基于液滴融合部件5，增加接触两液滴的接触面积，再施加低交流电场(1～20V，1～1000KHz)的作用下，瞬间就能改变液滴界面的表面张力，使两液滴的界面达到确实地融合，因时间短且施加的为交流电较不伤细胞活性且电压低，大幅降低对细胞活性的影响。
2.以微流道层层穿孔方式将各独立试剂由样本入口层(设置有样本入口 2)、试剂入口层(设置有试剂入口3)各自进入液滴生成层(设置有液滴融合部件5)，再由层层穿孔输出至出口层统一由出口收集出来。(如图3c侧视图)
3.多层堆叠微流道于微液滴产生与融合：将原本14片基片的42个入口与14个出口，经由设计堆叠结合成仅3个入口与1个出口，同时减少流道出入口与增加产量(吞吐量)。
4.环形放射状的微流控芯片设计，只需调控适当流量(0.1～100ml/hr) 或管道设计，可以简易使交替形成液滴依序排列，减少过多入口设计须多个输入与流体控制***或分接接头与装置，避免调控不稳定与压力差异造成的液滴融合错误，同时达到高通量的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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。
图1示微乳化液滴生成示意图；当连续相剪力大于分散相剪力的表面张力时，分散相液体便断裂而形成微乳化液滴；
图2示微流控芯片的结构示意图，其中，图2(a)示并联两组微乳化液滴产生结构，分别通过油相入口1、样本入口2、试剂入口3注入油相，样本，试剂，后端设计液滴融合部件5使液滴进入结构后可进行融合；图2(b)示液滴融合示意图；当液滴进入液滴融合部件5后，会因为拓宽微流道7的流道变宽而降低流速，限流部件8可阻挡液滴使流速再减慢，使得样本液滴和试剂液滴产生碰撞，再利用下方设置的交流电极施加交流电场改变样本液滴和试剂液滴的表面张力产生融合；
图3示微流控芯片多层结构的示意图；其中，图3(a)示俯视图；图3(b) 示交叉视图；图3(c)示侧视图，包括出口层(设置有出口6)、样本入口层 (设置有样本入口2)、试剂入口层(设置有试剂入口3)、液滴生成层(设置有液滴融合部件5)、电极层(设置有交流电极10)；油相直接穿透各层直达液滴生成层，样本及试剂则分别进入其入口层(样本入口层、试剂入口层)后再向下流到液滴生成层，出口则穿过样本入口层和试剂入口层后汇流到出口层后再由出口统一收集；
图4示微乳化液滴实验影像；图4(a)示样本(白色)及试剂(红色)微乳化液滴产生后，先后进入微流道4；图4(b)示样本(白色)及试剂(红色) 进入液滴融合部件5；图4(c)示交流电极10施加交流电场(5V/1K)改变液滴表面张力，使样本液滴和试剂液滴融合；
图5示微流控芯片尺寸示意图；w1：第一个结构的间距，w2：最终结构的间距，d1，d2分别为样本液滴和试剂液滴的直径，D1：两颗液滴(样本液滴和试剂液滴)的间距，D2：两组液滴(1个样本液滴和1个试剂液滴为1组) 的间距，V为进入液滴融合部件5前的速度，T1＝D1/V，T2＝D2/V，T3＝第一颗液滴进入液滴融合部件5至融合完移出液滴融合部件5的时间；
其中，1-油相入口；2-样本入口；3-试剂入口；4-微流道；5-液滴融合部件；6-出口；7-拓宽微流道；8-限流部件；9-组件；10-交流电极。
具体实施方式
本实用新型公开了一种微流控芯片及含有该微流控芯片的装置，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本实用新型。本实用新型的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本实用新型内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本实用新型技术。
本实用新型提供的微流控芯片及含有该微流控芯片的装置中所用部件、试剂均可由市场购得。
下面结合实施例，进一步阐述本实用新型：
本实用新型提供了一种微流控芯片，包括基片，基片设置有油相入口1、样本入口2、试剂入口3、微流道4、液滴融合部件5和出口6；油相入口1 与样本入口2通过两者之间的微流道4连通；油相入口1与试剂入口3通过两者之间的微流道4连通；油相入口1、样本入口2、试剂入口3设置在液滴融合部件5的一侧，出口6设置在液滴融合部件5的另一侧；液滴融合部件 5与出口6通过两者之间的微流道4连通；液滴融合部件5包括拓宽微流道7 和设置于拓宽微流道7内的限流部件8；拓宽微流道7的纵截面的宽度大于微流道4的纵截面的宽度；限流部件8包括对称设置于液滴流向两侧的组件 9。
乳化是由水，油及表面活性剂在适当比例下形成的稳定体系，微乳化技术是基于微机电技术制作出微型结构并产生微乳化液滴，其原理为利用流体动力聚焦(液力聚焦)汇集连续相及分散相液体，当连续相剪力大于分散相剪力的表面张力时，分散相液体便断裂而形成w/o或o/w乳化液滴(如图 1所示)。
为了减慢液滴流速、提高融合效率，拓宽微流道7远出口端的纵截面宽度与微流道4纵截面宽度的比值为(2～5)：1。
为了减慢液滴流速、提高融合效率，拓宽微流道7近出口端的纵截面宽度与微流道4纵截面宽度的比值为(1～1.5)：1。
为了持续减慢液滴流速、提高融合效率，限流部件8的个数至少2个；限流部件8沿液滴流向平行设置，且限流部件8的组件9之间形成的通道的宽度逐渐减小。作为优选，远出口端的所述限流部件8中所述组件9之间形成的通道的宽度不小于待融合液滴直径。在本实用新型的一些实施例中，待融合液滴直径＜远出口端的所述限流部件8中所述组件9之间的通道宽度＜待融合液滴直径的2倍。在本实用新型的一些实施例中，近出口端的所述限流部件8中所述组件9之间形成的通道的宽度不小于待融合液滴直径的1/4。作为优选，待融合液滴直径的1/4＜近出口端的所述限流部件8中所述组件9 之间的通道宽度＜待融合液滴直径的3/4。作为优选，待融合液滴直径的1/10< 各限流部件8之间的距离<待融合液滴直径的1/4。
为了提高融合效率，基片还设置有交流电极10，交流电极10施加交流电场于所述液滴融合部件5。在本实用新型的一些具体实施方案中，交流电极10的电压为1～20V，交流电极10的频率为1～1000KHz。
本实用新型提供的微流控芯片中，连续相为油，分散相为水，样本为细胞，试剂为水，以并列两组w/o微乳化液滴产生的结构为例(如图2(a))，即可分别注入样本及试剂使其分别产生样本液滴和试剂液滴，通过调控两者产生液滴的频率(1～5000Hz(每秒1～5000颗))可在微流道4的连通处会合，使其排列进入液滴融合部件5，样本液滴和试剂液滴进入液滴融合部件5后，通过拓宽微流道7会因流道变宽导致流速减慢进而使样本液滴和试剂液滴的距离缩短，再通过限流部件8中对称设置于液滴流向两侧的组件9之间形成的流道，使样本液滴和试剂液滴限制于放宽的流道中央，并且使样本液滴和试剂液滴在限流部件8接触，再利用交流电极施加的交流电场(1～20V，1 ～1000KHz)改变其表面张力使样本与试剂可混和为一个液滴(如图2(b))。
在本实用新型的一个具体实施例中，本实用新型提供了最佳化的微结构组合，w1：第一个结构的间距，w2：最终结构的间距，d1，d2分别为样本液滴和试剂液滴的直径，D1：两颗液滴(样本液滴和试剂液滴)的间距，D2：两组液滴(1个样本液滴和1个试剂液滴为1组)的间距，V为进入液滴融合部件5前的速度，T1＝D1/V，T2＝D2/V，T3＝第一颗液滴进入液滴融合部件5至融合完移出液滴融合部件5的时间。左右相邻的限流部件8的间隙小于0.25倍(d1，d2)，结构开口(0.25d1，0.25d2)中较小的液滴尺寸<w2 <(0.75d1，0.75d2)中较小的液滴尺寸；(2d1，2d2)中较大的液滴尺寸>w1> (d1，d2)中较大的液滴尺寸，融合后液滴之体积与中央阵列区域的体积(图 5中黄色区域，部件8中央处)比为0.1至1之间，T1<T3<T2，可以避免液滴在结构融合后延迟往出口移动，造成与其后方液滴重覆融合，导致融合失败及不均一的情形发生。如微乳化液滴融合后大于图5中黄色区域(部件8 中央处)，则容易从部件8与部件9之间的空隙溢漏，又将微乳化液滴切割成小液滴。
为提高产能，将微流控芯片中的油相入口1、样本入口2、试剂入口3、液滴融合部件5、出口6、交流电极10设计为放射状，并整合油相，样本，试剂及出口分别至少一个对外出，入口。在本实用新型的一些具体实施例中，油相入口1、样本入口2、所述试剂入口3、液滴融合部件5、出口6、交流电极10的个数分别至少为1个。在本实用新型的另一些具体实施例中，油相入口1、样本入口2、所述试剂入口3、液滴融合部件5、出口6、交流电极 10的个数分别为14个，基于上述，从原本1组阵列结构增加至14组，相对可提高14倍的产出速率。该微流控芯片同时具有样本、试剂注入，样本、试剂混合，液滴形成，集中收集产物的功能，相较于单一微流控芯片，不仅能大大提升效率，也能减少试剂及微流控芯片的耗费。通量可从原本的数十微升增加至数百微升，高通量检测大幅增加样本处理速度与微流控芯片的耗损量。
在本实用新型的另一些实施例中，微流控芯片包括多层结构，油相入口 1、样本入口2、试剂入口3、液滴融合部件5、出口6设置于同一层或分别设置于不同层，且通过微流道4连通。
在本实用新型的一些具体实施例中，微流控芯片包括出口层(设置有出口6)、样本入口层(设置有样本入口2)、试剂入口层(设置有试剂入口3)、液滴生成层(设置有液滴融合部件5)、电极层(设置有交流电极10)。油相直接穿透各层直达液滴生成层，样本及试剂则分别进入其入口层(样本入口层、试剂入口层)后再向下流到液滴生成层，出口则穿过样本入口层和试剂入口层后汇流到出口层后再由出口统一收集。
工作原理：向上述微流控芯片或上述装置的油相入口1通入油相，向样本入口2通入细胞，向试剂入口3通入试剂，油相与细胞形成样本液滴，油相与试剂形成试剂液滴，样本液滴与试剂液滴通过微流道4进入液滴融合部件5，通过拓宽微流道7和限流部件8缩短样本液滴与试剂液滴之间的距离，开启交流电极10，施加交流电场改变样本液滴与试剂液滴的表面张力，使得样本液滴与试剂液滴融合，获得微乳化液滴。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.微流控芯片，其特征在于，包括基片，所述基片设置有油相入口(1)、样本入口(2)、试剂入口(3)、微流道(4)、液滴融合部件(5)和出口(6)；
所述油相入口(1)与所述样本入口(2)通过两者之间的微流道(4)连通；
所述油相入口(1)与所述试剂入口(3)通过两者之间的微流道(4)连通；
所述油相入口(1)、所述样本入口(2)、所述试剂入口(3)设置在所述液滴融合部件(5)的一侧，所述出口(6)设置在所述液滴融合部件(5)的另一侧；
所述液滴融合部件(5)与所述出口(6)通过两者之间的微流道(4)连通；
所述液滴融合部件(5)包括拓宽微流道(7)和设置于拓宽微流道(7)内的限流部件(8)；
所述拓宽微流道(7)的纵截面的宽度大于所述微流道(4)的纵截面的宽度；
所述限流部件(8)包括对称设置于液滴流向两侧的组件(9)。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述拓宽微流道(7)远出口端的纵截面宽度与所述微流道(4)纵截面宽度的比值为(2～5)：1。
3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述拓宽微流道(7)近出口端的纵截面宽度与所述微流道(4)纵截面宽度的比值为(1～1.5)：1。
4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述限流部件(8)的个数至少2个；所述限流部件(8)沿液滴流向平行设置，且所述限流部件(8)的组件(9)之间形成的通道的宽度逐渐减小。
5.根据权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，远出口端的所述限流部件(8)中所述组件(9)之间形成的通道的宽度不小于待融合液滴直径。
6.根据权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于，近出口端的所述限流部件(8)中所述组件(9)之间形成的通道的宽度不小于待融合液滴直径的1/4。
7.根据权利要求6所述的微流控芯片，其特征在于，所述基片还设置有交流电极(10)，所述交流电极(10)施加交流电场于所述液滴融合部件(5)。
8.根据权利要求7所述的微流控芯片，其特征在于，所述交流电极(10)的电压为1～20V，所述交流电极(10)的频率为1～1000KHz。
9.根据权利要求8所述的微流控芯片，其特征在于，所述油相入口(1)、所述样本入口(2)、所述试剂入口(3)、所述液滴融合部件(5)、所述出口(6)、所述交流电极(10)的个数分别至少为1个；
所述微流控芯片包括多层结构，所述油相入口(1)、所述样本入口(2)、所述试剂入口(3)、所述液滴融合部件(5)、所述出口(6)设置于同一层或分别设置于不同层，且通过微流道(4)连通。
10.装置，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的微流控芯片。
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