本發(fā)明涉及微流控制領(lǐng)域，具體而言，涉及一種液滴分選系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、微流控芯片(microfluidic?chip)，因?yàn)槟軌蚣苫瘜W(xué)和生物等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測及細(xì)胞培養(yǎng)、分選、裂解等基本操作單元，通過設(shè)計形態(tài)各異的流道，可以在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)不同的功能，因而也被稱作芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-chip)，較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室，微流控芯片具有試劑消耗量少、反應(yīng)或者分析時間短等優(yōu)點(diǎn)，減小昂貴試劑的消耗量可以控制成本。而時間的縮短則有利于縮減實(shí)驗(yàn)周期，結(jié)合平方厘米級別甚至平方毫米的芯片大小，在時間和空間上都大大減小了實(shí)驗(yàn)成本。微流控的應(yīng)用領(lǐng)域有很多，在化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。

2、利用微流控技術(shù)可控制得的微液滴，不僅可以對微液滴的尺寸、形狀、單分散性、殼層厚度，以及微液滴內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、形狀和組分等進(jìn)行精確控制，還可以通過微液滴結(jié)構(gòu)和構(gòu)成微液滴的各功能組分的巧妙結(jié)合以賦予其更加多樣化的功能，從而為新型微顆粒型功能材料的設(shè)計和研制提供新的思路和指導(dǎo)。

3、在生物領(lǐng)域中，液滴可以包裹細(xì)胞并作為生物反應(yīng)器。細(xì)胞能被封裝并培養(yǎng)成為組織或類器官。也可用于細(xì)胞分選，如分選精子和受精卵等細(xì)胞，來進(jìn)行人工繁殖，包括人工授精，體外受精、克隆和胚胎分裂或卵裂。在生物化學(xué)領(lǐng)域，分散的液滴可被獨(dú)立處理和操控。每個液滴都可作為一個獨(dú)立的微反應(yīng)器。

4、液滴是由一種流體在另一種不混溶的載體流體之內(nèi)形成的，其發(fā)生的本質(zhì)是乳化現(xiàn)象。根據(jù)液滴發(fā)生過程中兩種不混溶流體所處的角色不同，分別稱之為連續(xù)相和分散相(不連續(xù)相)；分散相就是被分散為液滴的流體，連續(xù)相是充當(dāng)液滴載體的流體。根據(jù)單層乳化分散相屬于水相或油相的不同，液滴可分為o/w型(水包油型)液滴、w/o型(油包水型)液滴，其中：o/w型液滴指以油相為分散相，水相為連續(xù)相形成的油滴，w/o型液滴指以水相為分散相，油相為連續(xù)相產(chǎn)生的水滴。

5、液滴微流控是微流控的分支之一，其特色是在巨量的微液滴(微單元)中進(jìn)行生化反應(yīng)，以及實(shí)現(xiàn)生化檢測。在液滴微流控技術(shù)中，液滴分選技術(shù)是一個重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樯梢旱蔚倪^程中，除了會產(chǎn)生所希望的陽性液滴外，通常會產(chǎn)生大量陰性液滴，人們往往需要將特定的陽性液滴與陰性液滴分選出來，進(jìn)行后續(xù)的檢測或者研究。

6、液滴具有體積小、擴(kuò)散低、無交叉污染、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢，能用于高通量分析。在實(shí)際應(yīng)用過程中需要進(jìn)行高通量的液滴分選，而單個液滴體積小，通常在納升至皮升(10-9～10-12l)的范圍內(nèi)，相應(yīng)的，應(yīng)用于液滴分選的芯片體積也較小，尤其是分選芯片中的入口、通道等，其尺寸一般與液滴在同一級別。

7、很多科研實(shí)驗(yàn)過程中，需要將分選出來的陽性或陰性液滴分發(fā)至孔板內(nèi)(如96孔板，384孔板)，一個孔板里面一顆陽性或陰性液滴，并且能留下(單孔單液滴的)證據(jù)，這樣利于后續(xù)的擴(kuò)培，觀察、挑選等操作。因此希望每一顆陽性或陰性液滴都能分別從液滴分選芯片中按時流出，從而才能準(zhǔn)確分至孔板內(nèi)。

8、但是現(xiàn)有的液滴分選系統(tǒng)在分選出陽性或陰性液滴后，通常只能讓油相中的陽性或陰性液滴隨著油相自發(fā)流出，由于液滴比較微小(直徑數(shù)十微米)，且液滴和油相存在密度差，從而會導(dǎo)致以下問題：(1)分選出來的液滴容易殘留在液滴通道中，難以順利滴出(如圖1所示)，出現(xiàn)殘留遲滯現(xiàn)象，這種殘留遲滯現(xiàn)象也容易造成液滴流出的時間不固定，難以做到精確分配到孔板中，也容易造成分選出的液滴和孔板孔失去對應(yīng)關(guān)系；(2)即使沒有出現(xiàn)殘留遲滯現(xiàn)象，液滴自發(fā)流出的時間也通常很長(大約2分鐘往上)，導(dǎo)致完成整個孔板需要消耗周期長；(3)由于液滴流出的時間不固定，流出時間有長有短，導(dǎo)致無法預(yù)判液滴滴出的準(zhǔn)確時間。

9、針對以上問題，現(xiàn)有技術(shù)中通常采用如下兩種方案解決：(1)選用更細(xì)的液滴輸出導(dǎo)管，這種方案試圖采用截面與微液滴尺寸相當(dāng)?shù)拿?xì)管，通過空間限制，使得油相充分帶動液滴流出，但是這種方案容易導(dǎo)致芯片的流阻太大，芯片使用時需要采用高氣壓，并且芯片很難穩(wěn)定工作；(2)加大油相的流速，然而這種方案實(shí)際效果很有限，上述問題依然很難得到解決。

10、因此急需找到一種能有效調(diào)控液滴流出時間，防止液滴殘留遲滯，幫助液滴快速準(zhǔn)確分發(fā)至孔板內(nèi)的液滴分選系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明提供一種液滴分選系統(tǒng)，通過在液滴通道的出口前設(shè)置推入口，向液滴通道推入與油相不相溶的空氣相或水相，并在進(jìn)入油相后被切割成一個個推進(jìn)泡，控制推進(jìn)泡直徑大于液滴通道內(nèi)徑，從而使推進(jìn)泡起到“活塞推進(jìn)”作用，推動液滴和油相一起運(yùn)動，提高液滴的流動速度，防止殘留，最終使得液滴在較短的時間內(nèi)滴出，從而幫助液滴快速準(zhǔn)確分發(fā)至孔板內(nèi)。

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供了一種液滴分選系統(tǒng)，所述液滴分選系統(tǒng)包括液滴通道，所述液滴通道上設(shè)有外源物質(zhì)入口；所述液滴通道內(nèi)含有液滴和油相，用于向外界輸出液滴；所述外源物質(zhì)入口用于向液滴通道內(nèi)的油相中通入外源物質(zhì)；所述外源物質(zhì)為與油相不相溶的物質(zhì)。

4、在一些方式中，所述液滴分選系統(tǒng)包括外源物質(zhì)通道和液滴通道；所述外源物質(zhì)通道與液滴通道貫通，用于向液滴通道內(nèi)的油相中通入外源物質(zhì)。

5、液滴分選系統(tǒng)上設(shè)有油相入口和液滴入口，從入口進(jìn)入的液滴與油相混合后，在液滴分選芯片中進(jìn)行陽性液滴和陰性液滴的分選，被分選出來的陽性液滴流入陽性液滴通道，再經(jīng)陽性液滴通道流向出口處，從而被收集或是被分發(fā)至相應(yīng)的孔板內(nèi)；陰性液滴流入陰性液滴通道，再經(jīng)陰性液滴通道流向出口處，從而被收集或是被分發(fā)至相應(yīng)的孔板內(nèi)。因此，液滴通道內(nèi)充滿油相，液滴隨著油相一起流向出口處，該過程中容易發(fā)生液滴殘留在液滴通道中或延遲流出的問題(圖1)。

6、本發(fā)明所述陽性液滴和陰性液滴，只是從制備液滴的目的來區(qū)別，符合制備目的的液滴稱為陽性液滴(或目標(biāo)液滴)，而剩余的都為陰性液滴(非目標(biāo)液滴)。本發(fā)明提供的技術(shù)方案，既適合于陽性液滴也適用于陰性液滴，任何液滴通道都可以采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案來使液滴加快流出，防止殘留遲滯。

7、本發(fā)明為了解決液滴分選系統(tǒng)中，液滴容易在液滴通道中發(fā)生殘留遲滯現(xiàn)象的問題，提出了一種全新的解決方案，通過在液滴通道中靠近液滴出口的位置設(shè)置一根外源物質(zhì)通道，用于向液滴通道推入與油相不相溶的外源物質(zhì)；該外源物質(zhì)通道與液滴通道在推入口(外源物質(zhì)入口)處相接且貫通，外源物質(zhì)通道從推入口向液滴通道推入外源物質(zhì)，如水相或者空氣相。由于外源物質(zhì)通道與液滴通道在推入口形成一定的夾角，使水相或空氣相在推入口被推入油相時，被切割成一個個推進(jìn)泡(水泡或者氣泡)。

8、推進(jìn)泡隨著油相和液滴一起流入液滴通道，由于推進(jìn)泡的尺寸比較大，在液滴通道中起到了活塞的作用，能夠推動液滴和油相一起運(yùn)動，從而消除了液滴的遲滯效應(yīng)，能保證液滴穩(wěn)定、準(zhǔn)時流出(圖2)。

9、進(jìn)一步地，所述外源物質(zhì)為氣體和/或與油相不相溶的液體。

10、進(jìn)一步地，所述外源物質(zhì)為空氣和/或水。

11、進(jìn)一步地，所述外源物質(zhì)為空氣。

12、在一些方式中，本發(fā)明可以采用水相注入液滴通道，利用水液滴充當(dāng)活塞作用，可以獲得一定的推動液滴流出的效果。

13、但是采用水相注入液滴通道有時會遇到以下問題：(1)水相在液滴通道中的流阻比較大，往往需要在分選芯片上游施加非常大的氣壓，才能保證芯片的正常工作；(2)曾經(jīng)嘗試減少注入水相的流量，但是隨著流量的減少，加速作用也越來越不明顯，難以起到加速液滴流出的效果。

14、在一些方式中，可以采用同時含有空氣和水的推進(jìn)泡來注入液滴通道。理論上，也能產(chǎn)生一定的推動液滴流出效果。

15、但是采用同時含有空氣和水的推進(jìn)泡來注入液滴通道存在以下兩方面的不足：(1)需要兩個注入相，也就是說需要兩個分別驅(qū)動空氣和水的驅(qū)動源來實(shí)現(xiàn)；(2)兩個驅(qū)動注入相的比例還必須嚴(yán)格控制，否則會造成液滴流出時間不穩(wěn)定，后續(xù)操作無法進(jìn)行的問題。

16、可見采用水相或是同時含有空氣和水的推進(jìn)泡來注入液滴通道，都會存在一些不足的地方，因此優(yōu)選采用空氣相的氣泡注入液滴通道來推動液滴流出，能獲得更加穩(wěn)定、可靠且明顯的效果，而且操作更加便利。

17、進(jìn)一步地，所述外源物質(zhì)進(jìn)入液滴通道內(nèi)的油相中后，形成與油相分隔開的推進(jìn)泡，推進(jìn)泡由外源物質(zhì)組成；所述推進(jìn)泡的直徑大于等于液滴通道橫截面的直徑、邊長、長度、寬度中的任意一種或多種。

18、本發(fā)明所述的推進(jìn)泡在液滴通道中起到“活塞推進(jìn)”的作用，通過注入推進(jìn)泡，增加液滴通道中物質(zhì)的流量，從而加速液滴通道中液滴的流動速度，最終使得液滴在較短的時間內(nèi)從液滴通道中滴出。因此，推進(jìn)泡的直徑必須要大于等于液滴通道的內(nèi)徑，否則就難以起到活塞推進(jìn)作用，或者說活塞作用有限。

19、這里所說的推進(jìn)泡的體積必須大于等于液滴通道的直徑，也可以理解成，推進(jìn)泡必須盡量充滿液滴通道的橫截面或是至少一小截包括橫截面的液滴通道，才能起到較好的活塞作用。

20、在一些方式中，所說液滴通道的橫截面可以是長方形、正方形、梯形、不規(guī)則四邊形、圓形等等，不論液滴通道的橫截面是什么形狀，只要推進(jìn)泡能夠填充液滴通道的橫截面或一小截包括橫截面的液滴通道，都能起到一定的活塞推動作用，都能推動液滴通道中的液滴流出。

21、可以理解的是，這里所說的填充，并不一定要求推進(jìn)泡能夠完完全全覆蓋住液滴通道橫截面的所有角落，只要能使推進(jìn)泡體積稍大，在液滴通道中稍稍受到擠壓，即可起到較好的活塞作用。

22、由于氣泡在液滴通道中是處于被擠壓狀態(tài)，因此其實(shí)際的直徑和體積難以測量，本技術(shù)可以通過測量氣泡在液滴管道中被擠壓后的橫向長度作為氣泡直徑來對氣泡的大小進(jìn)行評估。

23、進(jìn)一步地，所述液滴通道的橫截面為長方形，所述推進(jìn)泡為氣泡，內(nèi)含空氣；所述氣泡的直徑大于長方形的長度和/或?qū)挾取?/p>

24、進(jìn)一步地，所述液滴通道的橫截面長度為40～1000微米，寬度為40～1000微米。

25、進(jìn)一步地，所述氣泡通過外源物質(zhì)通道到達(dá)外源物質(zhì)入口，從而進(jìn)入液滴通道，所述外源物質(zhì)通道內(nèi)的空氣流量為500～20000微升/小時。

26、進(jìn)一步地，所述外源物質(zhì)通道的管內(nèi)徑為40～1000微米；所述氣泡的直徑為400～2000微米。

27、氣泡的體積過小，難以起到活塞的作用；氣泡的體積也不能過大，否則可能會造成氣泡和油相在液滴通道中競爭，阻礙液滴分選芯片的上游通道中流體的流出。因此針對于特定尺寸的液滴通道，氣泡體積需要控制在合適的范圍。氣泡的尺寸是由多因素共同作用決定的，包括：外源物質(zhì)推進(jìn)管道的尺寸，液滴通道橫截面尺寸，以及推進(jìn)氣泡的流量(qgas)這三個方面。比如推進(jìn)氣泡的流量(qgas)大，外源物質(zhì)推進(jìn)管道的尺寸大，都會使氣泡的體積增大，但是液滴通道的橫截面長度和寬度又會嚴(yán)重制約氣泡的體積。

28、同時可以理解的是，推進(jìn)氣泡的流量(qgas)還會影響液滴流出的效果：當(dāng)qgas非常小的時候，生成氣泡的體積較小，甚至小于液滴通道橫截面的尺寸，這樣氣泡就沒有起到活塞的作用；當(dāng)qgas非常大的時候，推進(jìn)泡(相)和油相在輸出導(dǎo)管中競爭，阻礙上游分選芯片陽性通道流體(油相和陽性液滴)流出。

29、進(jìn)一步地，所述液滴通道設(shè)有液滴出口；外源物質(zhì)入口與液滴出口之間的距離為100微米～2厘米。

30、所述外源物質(zhì)入口即為推入口。

31、推入口與液滴出口之間的距離太大會增加下游流阻，造成后端流阻明顯變大，從而使上游的液滴分選芯片需要適當(dāng)?shù)靥岣唑?qū)動壓力，才能實(shí)現(xiàn)液滴流動和分選。因此需要盡量將推入口與液滴出口之間的距離縮小(也就是說推入口盡可能靠近液滴出口的地方)。

32、但是推入口與液滴出口之間的距離也不能過小，如果距離過小，導(dǎo)致難以形成氣泡，也就無法起到推動液滴流出的效果，因此推入口與液滴出口之間的距離需保持在100微米～2厘米。

33、進(jìn)一步地，所述外源物質(zhì)通道與液滴通道的夾角為30～150°。

34、本發(fā)明提供的帶有外源物質(zhì)(空氣)推入口的液滴分選系統(tǒng)，具有如下的有益效果：

35、(1)通過在液滴通道的出口前設(shè)置推入口，向液滴通道推入空氣，進(jìn)入油相后被切割成一個個氣泡，并通過控制氣泡直徑大于液滴通道內(nèi)徑，在液滴通道內(nèi)起到活塞作用，推動液滴在較短的時間內(nèi)滴出，幫助液滴快速準(zhǔn)確分發(fā)至孔板內(nèi)，解決液滴容易在液滴通道內(nèi)殘留，自發(fā)流出所需時間長，流速不穩(wěn)定，無法預(yù)判液滴滴出的準(zhǔn)確時間等問題。

36、(2)結(jié)構(gòu)簡單、便捷高效、成本低，易于推廣。