本發(fā)明涉及一種基于常規(guī)微通道的微流控芯片，在微通道上下兩壁面的指定位置處設(shè)置外加結(jié)構(gòu)，使壁面可變形。通過設(shè)計(jì)不同的外加結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)可變形部分的位置或尺寸，進(jìn)而影響通道內(nèi)部的流動(dòng)狀況，起到調(diào)節(jié)液滴或氣泡生成的作用。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的進(jìn)步，地球上日益枯竭的資源與人們不斷增長(zhǎng)的需求成為一個(gè)非常突出的矛盾，在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中如何利用更少量的樣品來實(shí)現(xiàn)同樣甚至更好的功能逐漸吸引人們的關(guān)注，也是近年來的研究熱點(diǎn)，微流控芯片技術(shù)就是其中一種滿足這些要求的新興領(lǐng)域。

微流控芯片技術(shù)是在特征尺度為微米級(jí)的芯片上進(jìn)行一系列操作以實(shí)現(xiàn)特定功能的新型技術(shù)，通常涉及到力學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域，并越來越多地向多學(xué)科交叉領(lǐng)域方向發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)的功能也越來越多，包括新型材料的制備、納米粒子的合成、細(xì)胞的在線培養(yǎng)和藥物篩選等功能都已經(jīng)成為比較成熟的技術(shù)。由于芯片的整體尺寸很小，在實(shí)現(xiàn)上述功能的同時(shí)只需要消耗很少量的樣品，為一些稀有材質(zhì)的實(shí)驗(yàn)提供了非常節(jié)約的途徑，極大降低了研究成本。此外，微流控技術(shù)還可以提高反應(yīng)速率，增加反應(yīng)的平行操作數(shù)量，減少各單元之間的泄漏和污染，以及多種功能的友好兼容。

微流控芯片在實(shí)現(xiàn)各種功能時(shí)，有很大一部分需要將液滴或氣泡這種工具作為獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)、樣品輸運(yùn)和組分混合單元來使用，其均勻度對(duì)整個(gè)過程起到非常重要的影響，需要人們更加關(guān)注基于微流控系統(tǒng)的微尺度液滴生成及其均勻度控制。其中，通過改變芯片結(jié)構(gòu)來調(diào)整液滴的均勻度是一種簡(jiǎn)便可行的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于常用生成微液滴/氣泡的微通道結(jié)構(gòu)，通過改變通道上下壁面指定位置處的壁面類型而使其可變形，以達(dá)到調(diào)節(jié)液滴/氣泡生成效果的目的。

本發(fā)明所述的通道上下兩壁面指定位置可變形的微流控芯片，主要結(jié)構(gòu)如下：

微流控芯片由上凹槽層1、主通道薄膜層2、下凹槽薄膜層3和基底層4四部分依次鍵合組成。

上凹槽層1的下底面為開口側(cè)，上凹槽層1下底面的開口側(cè)上設(shè)有上凹槽結(jié)構(gòu)7，上凹槽層1上設(shè)有三個(gè)通孔分別是第一連續(xù)相入口5、第一離散相入口6、第一出口8；主通道薄膜層2的下底面為開口側(cè)，主通道薄膜層2下底面的開口側(cè)設(shè)有通道結(jié)構(gòu)12，主通道薄膜層2上設(shè)有三個(gè)通孔分別是第二連續(xù)相入口9、第二離散相入口10、第二出口11，通道結(jié)構(gòu)12的上游分別與第二連續(xù)相入口9和第二離散相入口10相連接，通道結(jié)構(gòu)12的下游與第二出口11相連接；下凹槽薄膜層3的下底面為開口側(cè)，開口側(cè)包含下凹槽結(jié)構(gòu)13。第二連續(xù)相入口9、第二離散相入口10、第二出口11、通道結(jié)構(gòu)12組成主通道。

微流控芯片的四部分互相配合使用，第一連續(xù)相入口5和第二連續(xù)相入口9相連組成連續(xù)相通孔，第一離散相入口6和第二離散相入口10相連組成離散相通孔，第一出口8和第二出口11相連組成出口通口；上凹槽結(jié)構(gòu)7與通道結(jié)構(gòu)12之間的間隔層，下凹槽結(jié)構(gòu)13與通道結(jié)構(gòu)12之間的間隔層均為可變形壁面，間隔層的間距要足夠小于主通道的寬度和高度。

常規(guī)微通道結(jié)構(gòu)的芯片不設(shè)置上凹槽結(jié)構(gòu)7和下凹槽結(jié)構(gòu)13。

所述可變形壁面為固體PDMS薄層，該固體PDMS薄層的變形能力由上凹槽結(jié)構(gòu)7與通道結(jié)構(gòu)12，以及下凹槽結(jié)構(gòu)13與通道結(jié)構(gòu)12之間的間距決定；間距要足夠小于主通道的寬度和高度即主通道薄膜層2和下凹槽薄膜層3的厚度要足夠小，以保證固體PDMS薄層在通道結(jié)構(gòu)12的內(nèi)部流體流動(dòng)作用下容易發(fā)生變形；同時(shí)，上凹槽結(jié)構(gòu)7和下凹槽結(jié)構(gòu)13為通道結(jié)構(gòu)12上下兩壁面的變形提供了空間，凹槽的尺寸和位置分別決定了可變形部分的尺寸和位置。

所述微流控芯片由聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，縮寫為PDMS)制成。

本發(fā)明所述的微流控芯片在微通道上下兩壁面指定位置處設(shè)置可變形結(jié)構(gòu)，通過影響液體流動(dòng)狀況，進(jìn)而起到調(diào)節(jié)液滴生成效果的作用。其中，用于變形的間隔薄層的厚度影響變形的難易程度，一般要足夠小于主通道的寬度和高度，可變形壁面的尺寸和位置可以根據(jù)需要設(shè)定。

附圖說明

圖1是本發(fā)明通道上下兩壁面指定位置可變形的微流控芯片的三維總體輪廓示意圖。

圖2是本發(fā)明通道上下兩壁面指定位置可變形的微流控芯片中可變形壁面部分的橫截面實(shí)物圖。

圖3是本發(fā)明通道上下兩壁面指定位置可變形的微流控芯片與同尺寸壁面固定不可變形的微流控芯片，在相同流動(dòng)條件下生成液滴效果的對(duì)比圖。其中，(a)、(b)為壁面固定不可變形的微流控芯片生成液滴的狀況，(c)為通道上下兩壁面指定位置可變形的微流控芯片生成液滴的狀況。

圖中：1、上凹槽層，2、主通道薄膜層，3、下凹槽薄膜層，4、基底層，5、第一連續(xù)相入口，6、第一離散相入口，7、上凹槽結(jié)構(gòu)，8、第一出口，9、第二連續(xù)相入口，10、第二離散相入口，11、第二出口，12、通道結(jié)構(gòu)，13、下凹槽結(jié)構(gòu)。

注：

1、圖1中通道結(jié)構(gòu)12示意的是最簡(jiǎn)單的一種T型微通道結(jié)構(gòu)，本發(fā)明適用于多種不同的微通道結(jié)構(gòu)。

2、圖3拍攝的實(shí)驗(yàn)條件為：離散相水的流量為4μl/min，連續(xù)相葵花油的流量為12μl/min。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合結(jié)構(gòu)附圖對(duì)發(fā)明通道上下兩壁面指定位置可變形的微流控芯片的工作過程和作用效果進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明的微流控芯片具體工作過程如下：離散相液體順著第一離散相入口5從第二連續(xù)相入口9流入，連續(xù)相液體順著第一連續(xù)相入口6從第二離散相入口10流入，兩者在通道結(jié)構(gòu)12的交匯處相遇，離散相液體破碎形成液滴并隨連續(xù)相一起沿著通道往下游流動(dòng)，最終順著第二出口11流出微流控芯片。在流動(dòng)過程中，由于PDMS材料本身具有彈性，并且在上凹槽結(jié)構(gòu)7和下凹槽結(jié)構(gòu)13處具有較小的抗彎剛度以及變形的空間，使得PDMS薄層在液體作用下發(fā)生變形以及振動(dòng)，進(jìn)而影響液體的流動(dòng)以及液滴的生成過程。

本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)，為了保證壁面在設(shè)定位置處變形容易實(shí)現(xiàn)，上凹槽結(jié)構(gòu)7與通道結(jié)構(gòu)12的間距，以及下凹槽結(jié)構(gòu)13與通道結(jié)構(gòu)12之間的間距，要小于主通道的寬度和高度，即主通道薄膜層2和下凹槽薄膜層3的厚度要足夠小。

為了驗(yàn)證該發(fā)明對(duì)于調(diào)整液滴生成的有效性，制作相同結(jié)構(gòu)和尺寸的上下壁面不能變形的常規(guī)微流控芯片，并進(jìn)行相同流動(dòng)條件下液滴生成的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。調(diào)整兩相流速使微流控芯片持續(xù)生成液滴，保持相應(yīng)流速穩(wěn)定一段時(shí)間后利用高速攝像顯微系統(tǒng)記錄液滴生成結(jié)果。處理數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，壁面固定不可變形的微流控芯片生成液滴存在不穩(wěn)定狀況，液滴生成在兩種斷裂方式之間周期性轉(zhuǎn)變，如圖3(a)所示為液滴在下游斷裂的過程，而圖3(b)所示為液滴在上游斷裂的過程。相同流動(dòng)條件下，本發(fā)明通道上下兩壁面指定位置可變形的微流控芯片中實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到不穩(wěn)定斷裂方式的轉(zhuǎn)變，如圖3(c)所示生成過程非常穩(wěn)定。