一種微流控芯片上的微液滴內(nèi)部物質(zhì)交換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微流控領(lǐng)域，具體涉及一種微流控芯片上的微液滴內(nèi)部物質(zhì)交換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微流控芯片(microfluidic chip)又稱芯片實驗室(lab on a chip),指的是把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，用以取代常規(guī)生物或化學(xué)實驗室的各種功能的一種技術(shù)。它的基本特征和最大優(yōu)勢是多種單元技術(shù)在微小平臺上的靈活組合和規(guī)模集成。發(fā)展至今，微流控芯片技術(shù)已經(jīng)開始在生命科學(xué)的不同領(lǐng)域得到應(yīng)用，并已成為系統(tǒng)生物學(xué)研究中的重要技術(shù)平臺之一。目前微流控系統(tǒng)共分兩大類型:微通道及微液滴微流控系統(tǒng)。與微通道相比較，微液滴具有如下優(yōu)勢:尺寸更小，通量更高，傳質(zhì)傳熱更加迅速，運輸和固定更加靈活，并且可以形成一個相對穩(wěn)定可控的液滴微環(huán)境；因此，在化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的許多高通量分析中，微液滴作為反應(yīng)器被用于反應(yīng)條件的篩選(如蛋白結(jié)晶、DNA分析等)，或者用來包裹各種粒子(包括細(xì)胞、細(xì)菌、線蟲等)以進(jìn)行各種生物學(xué)研究。
[0003]為了靈活操控液滴進(jìn)行各種反應(yīng)，首要問題是改變液滴內(nèi)部成分，即向液滴添加物質(zhì)或從液滴內(nèi)部分出其內(nèi)涵物，目前改變液滴成分的方法主要依靠電驅(qū)動。但是這些方法涉及及到的微流控芯片平臺制備復(fù)雜，需要集成電學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等外部系統(tǒng)，在沒有此類實驗基礎(chǔ)的實驗室很難實現(xiàn)。因此目前急需一種可以簡單實現(xiàn)液滴內(nèi)涵物交換的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于流阻原理和表面張力的微流控芯片上的微液滴內(nèi)部物質(zhì)交換方法，該方法操作簡單、通量高。
[0005]本發(fā)明提供了一種微流控芯片上的微液滴內(nèi)部物質(zhì)交換方法，基于流阻原理和表面張力對微液滴進(jìn)行操控，首先將分散相I持續(xù)注入灌滿連續(xù)相的芯片中，使主通道中及微液滴捕獲區(qū)域中都充滿分散相I;注入連續(xù)相，取代主通道中的分散相1，同時由于流阻原理，圓柱形液滴捕獲器中的分散相I不會被沖出，由此形成了分散相I在連續(xù)相中的液滴捕獲陣列；
[0006]將分散相2和連續(xù)相注入芯片中，在T型液段生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液段；當(dāng)分散相2液段流經(jīng)微液滴捕獲器時，與捕獲其中的分散相I液滴相接觸，同時由于連續(xù)相中的表面活性劑濃度較低，液滴處于不穩(wěn)定狀態(tài)，兩種不同成分的液滴發(fā)生融合進(jìn)而進(jìn)行物質(zhì)交換。
[0007]本發(fā)明提供的微流控芯片上的微液滴內(nèi)部物質(zhì)交換方法，所述連續(xù)相中的表面活性劑含量為0%-0.1%。
[0008]本發(fā)明提供的微流控芯片上的微液滴內(nèi)部物質(zhì)交換方法，所述連續(xù)相為油相，分散相為水相。
[0009]本發(fā)明還提供了一種基于所述方法的微流控芯片，該微流控芯片為雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，上層為液路層，下層為空白PDMS層；
[0010]其中液路層包含有:分散相1、分散相2、油相的入口，T型液段產(chǎn)生區(qū)，主通道，微液滴捕獲區(qū)域；這些區(qū)域沿流體流動方向由主通道串聯(lián)；
[0011]所述微液滴捕獲區(qū)域由100?200個圓柱形液滴捕獲器組成，所有微液滴捕獲器可串聯(lián)連接，也可并聯(lián)連接。
[0012]本發(fā)明提供的微流控芯片，所述微流控芯片的材料均為PDMS聚合物，采用PDMS軟刻蝕及等離子體不可逆封接技術(shù)構(gòu)建。
[0013]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0014](I)本發(fā)明采用液滴內(nèi)部物質(zhì)交換方法操作簡單，與以往的液滴內(nèi)涵物添加或分離的方式相比，無需集成其他復(fù)雜的電或光學(xué)設(shè)備。
[0015](2)本發(fā)明可通過陣列式設(shè)計，進(jìn)行高通量的液滴操控。
[0016](3)單個液滴中可添加不同的成分進(jìn)行生物或化學(xué)的各類反應(yīng)，因此具有高內(nèi)涵指標(biāo)監(jiān)測的潛力。
【附圖說明】
[0017]圖1芯片設(shè)計圖，其中:a為油相入口，b為分散相I入口，c為分散相2入口，d虛線框內(nèi)為高通量液滴捕獲及物質(zhì)交換區(qū)域；
[0018]圖2液滴捕獲及物質(zhì)交換單元設(shè)計圖，其中:A為液滴捕獲區(qū)域，B為主通道，C為用于產(chǎn)生較小流阻的細(xì)通道，箭頭指示液體流動的方向；
[0019]圖3水相分散相I灌注過程圖；
[0020]圖4液滴捕獲結(jié)果圖；通入油相，在剪切力的作用下將水相切割成液滴，并使其固定在液滴捕獲器內(nèi)；
[0021]圖5分散相2的液段與分散相I的液滴碰撞并融合的過程圖。
【具體實施方式】
[0022]下面的實施例將對本發(fā)明予以進(jìn)一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。
[0023]實驗室自行設(shè)計并制作的微流控芯片:制備用于高通量液滴捕獲及物質(zhì)交換的微流控芯片，材料為PDMS聚合物，等離子體不可逆封接，該芯片為兩層，上層為液路層，下層為用于封接的空白PDMS。
[0024]液路層包含有:分散相1、分散相2、油相的入口，T型液段產(chǎn)生區(qū)，主通道，微液滴捕獲區(qū)域。液滴捕獲區(qū)域由100?200個圓柱形液滴捕獲器組成，所有功能單元可串聯(lián)連接，也可并聯(lián)連接。
[0025]本實驗中油相為FC-40，其中包含有0%-0.1%的表面活性劑。
[0026]實施例1
[0027]利用實驗室自行設(shè)計并制作的微流控芯片系統(tǒng)，構(gòu)型如圖1、圖2所示，先利用蠕動泵將分散相I (紅色墨水染料)進(jìn)樣到培養(yǎng)室中，再通入油相FC-40，紅色墨水液滴被固定在捕獲器中，如圖3-圖4所示。
[0028]實施例2
[0029]利用實驗室自行設(shè)計并制作的微流控芯片系統(tǒng)，以及本發(fā)明實施例1中的方法，形成紅色墨水的液滴。在主通道中通入油相FC-40 (0%-0.1%表面活性劑)作為連續(xù)相，側(cè)通道中通入分散相2 (去離子水)，由于剪切力的作用，在T型通道處形成分散相2的液段。在一定的流速下，分散相2的液段在流經(jīng)液滴捕獲器時，由于表面張力的作用，去離子水與紅色墨水液滴發(fā)生融合，進(jìn)而產(chǎn)生了兩者之間的物質(zhì)交換。如圖5所示，液滴捕獲器內(nèi)的液滴顏色發(fā)生了變化。
【主權(quán)項】
1.一種微流控芯片上的微液滴內(nèi)部物質(zhì)交換方法，基于流阻原理和表面張力對微液滴進(jìn)行操控，其特征在于: 首先將分散相I持續(xù)注入灌滿連續(xù)相的芯片中，使主通道中及微液滴捕獲區(qū)域中都充滿分散相I;注入連續(xù)相，取代主通道中的分散相1，同時由于流阻原理，圓柱形液滴捕獲器中的分散相I不會被沖出，由此形成了分散相I在連續(xù)相中的液滴捕獲陣列； 將分散相2和連續(xù)相注入芯片中，在T型液段生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液段；當(dāng)分散相2液段流經(jīng)微液滴捕獲器時，與捕獲其中的分散相I液滴相接觸，同時由于連續(xù)相中的表面活性劑濃度較低，液滴處于不穩(wěn)定狀態(tài)，兩種不同成分的液滴發(fā)生融合進(jìn)而進(jìn)行物質(zhì)交換。
2.按照權(quán)利要求1所述微流控芯片上的微液滴內(nèi)部物質(zhì)交換方法，其特征在于:所述連續(xù)相中的表面活性劑含量為0%-0.1%。
3.按照權(quán)利要求1所述微流控芯片上的微液滴內(nèi)部物質(zhì)交換方法，其特征在于:所述連續(xù)相為油相，分散相為水相。
4.基于權(quán)利要求1所用的微流控芯片，其特征在于:該微流控芯片為雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，上層為液路層，下層為空白PDMS層； 所述液路層包含有:分散相1、分散相2、油相的入口，T型液段產(chǎn)生區(qū)，微液滴捕獲區(qū)域；這些區(qū)域沿流體流動方向由主通道串聯(lián)； 所述微液滴捕獲區(qū)域由100?200個圓柱形液滴捕獲器組成，所有微液滴捕獲器可串聯(lián)連接，也可并聯(lián)連接。
5.按照權(quán)利要求4所述微流控芯片，其特征在于:所述微流控芯片的材料均為PDMS聚合物，采用PDMS軟刻蝕及等離子體不可逆封接技術(shù)構(gòu)建。
【專利摘要】一種微流控芯片上的微液滴內(nèi)部物質(zhì)交換方法，該方法為：首先在芯片中灌滿油相，然后將分散相1持續(xù)注入灌滿連續(xù)相的芯片中，分散相1進(jìn)入主通道及捕獲區(qū)域；注入連續(xù)相，取代主通道中的分散相1，圓柱形捕獲器中的分散相1不會被沖出，由此形成了分散相1在連續(xù)相中的液滴捕獲陣列；將分散相2和連續(xù)相注入芯片中，在T型微液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液滴；當(dāng)分散相2的液滴流經(jīng)分散相1液滴捕獲器時，兩種不同成分的液滴發(fā)生融合進(jìn)而進(jìn)行物質(zhì)交換。本方法打破了傳統(tǒng)的微液滴的穩(wěn)定狀態(tài)，簡化了微液滴物質(zhì)交換過程，其所涉及的微流控芯片制造簡單，實驗操作方便，物質(zhì)交換效果穩(wěn)定，且易于與芯片上其他功能單元進(jìn)行靈活組合和規(guī)模集成。
【IPC分類】B01L3-00
【公開號】CN104689859
【申請?zhí)枴緾N201310654947
【發(fā)明人】秦建華, 溫慧, 朱國麗
【申請人】中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2013年12月4日