一種復(fù)合型微流控芯片及利用其制備碟形雙色微球的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復(fù)合型微流控芯片及利用這種微流控芯片制備碟形雙色微球的方法。該芯片由兩層聚合物芯片面對(duì)面鍵合而成，微通道在垂直方向上具有上下兩層。每一層都包括連續(xù)相溝道、合成溝道和一個(gè)分散相溝道。兩層的連續(xù)相溝道與合成溝道完全重合，但是兩個(gè)分散相溝道具有不同的入口位置，并在合成通道的輸入口位置匯合。以添加有表面活性劑的礦物油為連續(xù)相，以添加有光固化劑，光引發(fā)劑以及鐵電共聚物或磁性顆粒的有機(jī)溶液為分散相。將連續(xù)相和分散相分別從相應(yīng)的溝道輸入口注入，并保持連續(xù)相的流速高于分散相的流速，形成雙色微液滴；此微液滴在合成溝道中運(yùn)動(dòng)的過程中，對(duì)其進(jìn)行紫外光照射，即得到在軸向上分布的碟形雙色微球。
【專利說明】
一種復(fù)合型微流控芯片及利用其制備碟形雙色微球的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合型微流控芯片及利用其制備碟形雙色微球的方法，屬于微流控芯片領(lǐng)域。【背景技術(shù)】
[0002]微流控芯片技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代，最初應(yīng)用于分析化學(xué)領(lǐng)域，它以微通道為結(jié)構(gòu)特征，以生命科學(xué)為主要研究對(duì)象，通過微機(jī)電加工工藝，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的功能包括樣本預(yù)處理、混合反應(yīng)、分離篩選、結(jié)果檢測(cè)等集成在一塊微米尺度的芯片上，使分析速度得到極大地提高，具有試劑消耗少、制作成本低、流動(dòng)性可控等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]在目前的微流控技術(shù)中，微液滴技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于制備微米顆粒。這項(xiàng)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)為:1、可以精確控制合成材料的組分及比例；2、通過調(diào)節(jié)各相流速可以方便地控制合成材料的尺寸;3、制備的微米顆粒具有良好的尺寸均一性。目前應(yīng)用于微液滴制備的微流控芯片都是由單層的聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片與載玻片鍵合而成，利用 PDMS芯片中的微通道來引入不同的流體，并通過流聚焦的方法制備微液滴。通過將兩種不同的組分包在單個(gè)微液滴中，還能制備出雙色微液滴，并經(jīng)過固化處理形成雙色微球。通過改變通道的結(jié)構(gòu)，可以制備出不同形狀的雙色微球，比如碟形雙色微球。但是，用傳統(tǒng)的單層PDMS芯片制備的碟形雙色微球只能實(shí)現(xiàn)不同組分在微球徑向上的結(jié)合。目前能夠制備出在軸向上具有不同組分的雙色微球的微流控芯片尚無報(bào)道。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種能夠制備出在軸向上具有不同組分的碟形雙色微球的微流控芯片，及利用其制備包含有鐵電共聚物聚偏氟乙烯三氟乙烯[P(VDF-TrFE)]和磁性四氧化三鐵(Fe304)顆粒的碟形雙色微球的方法。此種軸向分布的碟形雙色微球與傳統(tǒng)的徑向分布的碟形雙色微球相比，不同組分之間具有更大的接觸面積，其磁電耦合效果更明顯。
[0005]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]—種復(fù)合型微流控芯片，由上層芯片和下層芯片鍵合而成，該微流控芯片上設(shè)有一個(gè)“十”字型通道，“十”字型通道按順時(shí)針從十二點(diǎn)鐘方向開始分別為合成溝道、右臂連續(xù)相溝道、分散相溝道、左臂連續(xù)相溝道;合成溝道、右臂連續(xù)相溝道和左臂連續(xù)相溝道均由上層芯片和下層芯片的凹槽鍵合而成，右臂連續(xù)相溝道和左臂連續(xù)相溝道在另一端連通，連通處設(shè)有連續(xù)相溝道入口，合成溝道末端設(shè)有出口；分散相溝道呈“人”字型，由分別位于上層芯片和下層芯片上的左臂分散相凹槽和右臂分散相凹槽構(gòu)成，左右兩臂凹槽匯合后到達(dá)“十”字交叉點(diǎn)，左右兩臂凹槽末端各設(shè)有一個(gè)分散相入口。
[0007]所述的復(fù)合型微流控芯片為PDMS芯片。
[0008]所述分散相溝道的寬度為120微米，連續(xù)相溝道的寬度為200微米，合成溝道的寬度為120微米。
[0009]所述合成溝道為直溝道;所述直溝道的長度為12.5毫米。
[0010]所述的液滴型微流控芯片在微流控領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0011]—種利用上述液滴型微流控芯片制備碟形磁性雙色球的方法，包括以下步驟:
[0012](1)以添加有表面活性劑的礦物油為連續(xù)相，其中表面活性劑為司盤80,其在礦物油中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %;
[0013](2)將體積比為17:3:80的聚乙二醇二丙烯酸酯(？￡6-0六)、2-羥基-2-甲基-1-苯基-1 _丙酮(Darocur 1173)和N-N二甲基甲酰胺(DMF)的充分混合，得到分散溶劑；[〇〇14](3)向分散溶劑加入分散溶劑質(zhì)量10%的Fe3〇4顆粒，混合均勻，得到分散相A;向分散溶劑加入分散溶劑質(zhì)量10 %的P( VDF-TrFE)粉末，混合均勻，得到分散相B;[〇〇15](4)以礦物油為連續(xù)相，將連續(xù)相以10?500微升/小時(shí)的流速從連續(xù)相溝道輸入口注入，將分散相A和分散相B以1?100微升/小時(shí)的流速從相應(yīng)的分散相溝道的輸入口注入，并保持連續(xù)相的流速高于分散相的流速，在合成溝道入口處形成碟形雙色微液滴；
[0016](5)步驟(4)制備的碟形雙色微液滴在合成溝道中運(yùn)動(dòng)的過程中，對(duì)其進(jìn)行紫外光照射，形成碟形磁性雙色球。
[0017]所述Fe3〇4顆粒的直徑為200nm?300nm。[〇〇18] 所述的P(VDF-TrFE)粉末，其組分比為70/30摩爾比。
[0019]—種碟形雙色球，由上述制備碟形磁性雙色球的方法制備得到。
[0020]所述碟形雙色球的直徑為50-100微米。
[0021]上述微流控芯片可按以下方法制作:按溝道圖形設(shè)計(jì)并打印光刻掩膜;在硅片上用勻膠劑旋涂厚度約為25微米的光刻膠并烘干;利用標(biāo)準(zhǔn)軟光刻工藝進(jìn)行曝光，顯影，堅(jiān)膜;利用硅片上凸起的光刻膠作為陽模板，澆灌聚合物TOMS，固化;揭下印有溝道圖案的聚合物芯片，打孔后進(jìn)行表面等離子體處理，將兩片聚合物芯片的溝道面相對(duì)進(jìn)行鍵合，得到復(fù)合型微流控芯片。[〇〇22]本發(fā)明還提供了利用上述復(fù)合型微流控芯片制備P(VDF-TrFE)/Fe3〇4碟形雙色微球的方法:配制添加有司盤80表面活性劑的礦物油混合液，其中司盤80質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，以此為溶液為連續(xù)相。配制PEG-DA、Darocur 1173、DMF體積比為17:3:80的混合溶液，以此混合溶液作為分散相溶劑。在分散相溶劑中加入Fe3〇4顆粒，保證Fe3〇4顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%， 以此溶液為分散相A;在分散相溶劑中加入P (VDF-TrFE)粉末，保證P (VDF-TrFE)粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，以此溶液為分散相B。將連續(xù)相按10?500微升/小時(shí)的流速從連續(xù)相溝道輸入口注入，將分散相A和分散相B按1?100微升/小時(shí)的流速從分散相A和分散相B的溝道輸入口注入，并保持連續(xù)相的流速高于兩個(gè)分散相的流速之和。在所制備的復(fù)合型微流控芯片中的流聚焦結(jié)構(gòu)位置，通過連續(xù)相溶液的剪切力作用將混合后的分散相溶液產(chǎn)生大小均一的 P (VDF-TrFE) /Fe3〇4雙色微液滴。該雙色微液滴在合成溝道中流動(dòng)的過程中，通過施加紫外光，使液滴內(nèi)部的光聚合單體與光引發(fā)劑發(fā)生反應(yīng)，即將雙色微液滴固化形成雙色微球，最后即可從合成溝道出口處收集得到具有穩(wěn)定形態(tài)的P(VDF-TrFE)/Fe3〇4碟形磁性雙色微球。 [〇〇23] 本發(fā)明制備的P(VDF-TrFE)/Fe3〇4碟形磁性雙色微球可控直徑范圍約為50-100微米，尺寸波動(dòng)小于1 %。調(diào)整連續(xù)相流速的大小可以有效地控制微液滴的大小和間距，防止其相互碰撞、融合。而足夠長的合成溝道可以為微液滴的進(jìn)一步固化成為磁電復(fù)合微球提供了足夠的時(shí)間。為制備不同尺寸大小的雙色微液滴，可以通過改變連續(xù)相和分散相的流速實(shí)現(xiàn)。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:[〇〇25](1)通過將兩個(gè)聚合物PDMS芯片面對(duì)面鍵合，得到具有雙層微通道的復(fù)合型微流控芯片。
[0026](2)本發(fā)明提供的液滴型微流控芯片具有足夠長的合成溝道可以為微液滴的進(jìn)一步固化成為磁電復(fù)合微球提供了足夠的時(shí)間。
[0027](3)本發(fā)明制備的碟形磁性雙色微球大小均一可控、較窄尺寸分布(CV %小于 5%)，可應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)?！靖綀D說明】
[0028]圖1為本發(fā)明微流控芯片鍵合之前的雙層芯片結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1-連續(xù)相入口， 2-上層連續(xù)相溝道凹槽，3-分散相入口一，4-上層分散相溝道凹槽，5-上層流聚焦結(jié)構(gòu) (“十”字型通道)，6-上層合成溝道凹槽，7-出口，8-下層連續(xù)相溝道，9-分散相入口二，10-下層分散相溝道凹槽，11-下層流聚焦結(jié)構(gòu)(“十”字型通道)，12_下層合成溝道凹槽。
[0029]圖2為本發(fā)明微流控芯片鍵合之后的復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1-連續(xù)相入口，2-連續(xù)相溝道，3-分散相入口一，4-分散相入口二，5-分散相溝道，6-流聚焦結(jié)構(gòu)(“十”字型通道)，7-合成溝道，8-出口。
[0030]圖3為復(fù)合型微流控芯片分散相匯合處的顯微鏡圖。[〇〇31]圖4為復(fù)合型微流控芯片流聚焦結(jié)構(gòu)處的顯微鏡圖。[〇〇32]圖5為本發(fā)明所制備的碟形磁性雙色微球正面的顯微鏡圖。[〇〇33]圖6為本發(fā)明所制備的碟形磁性雙色微球側(cè)面的顯微鏡圖?！揪唧w實(shí)施方式】[〇〇34]現(xiàn)以具有良好壓電性能的壓電共聚物聚偏氟乙烯三氟乙烯P(VDF-TrFE)和具有磁性的四氧化三鐵(Fe3〇4)顆粒為基礎(chǔ)材料，借助于聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG-DA)的紫外固化反應(yīng)，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案作具體說明。
[0035]兩層PDMS芯片鍵合前的結(jié)構(gòu)參見圖1?？梢钥吹?，兩層的芯片除了分散相溝道的走向不同外，其余的溝道凹槽都是重合的，而之所以設(shè)置成這樣的結(jié)構(gòu)是為了實(shí)現(xiàn)兩種分散相組分在垂直方向上形成穩(wěn)定層流，并通過流聚焦結(jié)構(gòu)獲得碟形雙色球。
[0036]本發(fā)明的復(fù)合型微流控芯片參見圖2。此復(fù)合型芯片包括一個(gè)連續(xù)相溝道入口 1、 一個(gè)連續(xù)相溝道2,兩個(gè)分散相入口 3和4, 一個(gè)分散相溝道5,流聚焦結(jié)構(gòu)6,合成溝道7和出口 8。所述的連續(xù)相溝道，就聚焦結(jié)構(gòu)，合成溝道是由重疊的兩層微通道復(fù)合而成。而兩個(gè)分散相溝道由不通過的入口引入其各自的組分，然后在分散相溝道后半段匯合成一股，如圖3 所示。流聚焦結(jié)構(gòu)其實(shí)就是連續(xù)相流體和分散相流體匯合的位置，但是由于連續(xù)相和分散相互不相溶，因此當(dāng)連續(xù)相流速較大時(shí)會(huì)將分散相流體剪切為一個(gè)個(gè)微液滴，如圖4所示。 連續(xù)相溝道2的直徑為200微米，分散相溝道5的直徑為120微米，合成溝道7的溝道直徑為 120微米。所述合成溝道是一段長直溝道，長度為12.5毫米，確保足夠時(shí)間來使微液滴固化形成具有穩(wěn)定形態(tài)的微顆粒，碟形雙色微球的制備，并從出口處收集所得聚合微球。[〇〇37] 利用上述液滴型微流控芯片制備P (VDF-TrFE) /Fe3〇4碟形磁性雙色微球，以P (VDF-TrFE)鐵電共聚物和Fe3〇4磁性顆粒為基礎(chǔ)材料，借助于聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG-DA)的紫外光聚合反應(yīng)(其中PEG-DA為紫外光聚合單體，Darocur 1173為光引發(fā)劑)，制備具有磁電特性的P (VDF-TrFE) /Fe3〇4碟形磁性雙色微球。具體步驟如下:
[0038](1)以添加有表面活性劑的礦物油為連續(xù)相，其中表面活性劑為司盤80,其在礦物油中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %。[〇〇39](2)配制PEG-DA、Darocur 1173、DMF體積比為17:3:80的混合溶液，以此混合溶液作為分散相溶劑;在分散相溶劑中加入Fe3〇4顆粒，保證Fe3〇4顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，以此溶液為分散相A。
[0040](3)配制PEG-DA、Darocur 1173、DMF體積比為17:3:80的混合溶液，以此混合溶液作為分散相溶劑；在分散相溶劑中加入P(VDF-TrFE)粉末，保證P(VDF-TrFE)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%，以此溶液為分散相B。[0041 ](4)以礦物油為連續(xù)相，將連續(xù)相按11微升/小時(shí)的流速從連續(xù)相溝道輸入口注入，將步驟(2)與(3)中制備的分散相按100微升/小時(shí)的流速從相應(yīng)的分散相溝道的輸入口注入，并保持連續(xù)相的流速高于分散相的流速，在合成溝道入口處形成碟形雙色微液滴。當(dāng)兩相液體通過上述芯片的流聚焦結(jié)構(gòu)時(shí)，使得分散相在流聚焦結(jié)構(gòu)處由于受到連續(xù)相液體的擠壓作用形成一股穩(wěn)定的聚焦流，而聚焦流由于表面張力、拖拽力以及剪切力的作用，頭部周期性斷裂，產(chǎn)生大小均一的P (VDF-TrFE) /Fe3〇4碟形雙色微液滴。[〇〇42](5)在P (VDF-TrFE) /Fe3〇4碟形雙色微液滴在合成溝道中運(yùn)動(dòng)的過程中，對(duì)其施加紫外光，使微液滴中的Darocur 1173引發(fā)PEG-DA的固化，因而使微液滴固化形成具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的微球，即得P(VDF-TrFE)/Fe3〇4碟形磁性雙色微球。其顯微鏡照片如圖5和6所示，從圖中可以看出，所制備的P(VDF-TrFE)/Fe3〇4碟形磁性雙色微球成形較好，不同組分之間界面清晰。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種復(fù)合型微流控芯片，由上層芯片和下層芯片鍵合而成，其特征在于:該微流控芯 片上設(shè)有一個(gè)“十”字型通道，“十”字型通道按順時(shí)針從十二點(diǎn)鐘方向開始分別為合成溝 道、右臂連續(xù)相溝道、分散相溝道、左臂連續(xù)相溝道;合成溝道、右臂連續(xù)相溝道和左臂連續(xù) 相溝道均由上層芯片和下層芯片的凹槽鍵合而成，右臂連續(xù)相溝道和左臂連續(xù)相溝道在另 一端連通，連通處設(shè)有連續(xù)相溝道入口，合成溝道末端設(shè)有出口；分散相溝道呈“人”字型， 由分別位于上層芯片和下層芯片上的左臂分散相凹槽和右臂分散相凹槽構(gòu)成，左右兩臂凹 槽匯合后到達(dá)“十”字交叉點(diǎn)，左右兩臂凹槽末端各設(shè)有一個(gè)分散相入口。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液滴型微流控芯片，其特征在于:所述的復(fù)合型微流控芯片為 toms芯片。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液滴型微流控芯片，其特征在于:所述分散相溝道的寬度 為120微米，連續(xù)相溝道的寬度為200微米，合成溝道的寬度為120微米。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的液滴型微流控芯片，其特征在于:所述合成溝道為直 溝道;所述直溝道的長度為12.5毫米。5.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的液滴型微流控芯片在微流控領(lǐng)域的應(yīng)用。6.—種利用權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的液滴型微流控芯片制備碟形磁性雙色球的方 法，其特征在于，包括以下步驟:(1)以添加有表面活性劑的礦物油為連續(xù)相，其中表面活性劑為司盤80，其在礦物油中 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %;(2)將體積比為17:3:80的聚乙二醇二丙烯酸酯、2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮和N-N 二甲基甲酰胺的充分混合，得到分散溶劑；(3)向分散溶劑加入分散溶劑質(zhì)量10%的Fe3〇4顆粒，混合均勻，得到分散相A;向分散溶 劑加入分散溶劑質(zhì)量10 %的P( VDF-TrFE)粉末，混合均勻，得到分散相B;(4)以礦物油為連續(xù)相，將連續(xù)相以10?500微升/小時(shí)的流速從連續(xù)相溝道輸入口注 入，將分散相A和分散相B以1?100微升/小時(shí)的流速從相應(yīng)的分散相溝道的輸入口注入，并 保持連續(xù)相的流速高于分散相的流速，在合成溝道入口處形成碟形雙色微液滴；(5)步驟(4)制備的碟形雙色微液滴在合成溝道中運(yùn)動(dòng)的過程中，對(duì)其進(jìn)行紫外光照 射，形成碟形磁性雙色球。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備碟形磁性雙色球的方法，其特征在于:所述Fe3〇4顆粒的直 徑為 200nm ?300nm。8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制備碟形磁性雙色球的方法，其特征在于:所述的P(VDF-TrFE)粉末，其組分比為70/30摩爾比。9.一種碟形雙色球，其特征在于:由權(quán)利要求6-8任一項(xiàng)所述的制備碟形磁性雙色球的 方法制備得到。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的碟形雙色球，其特征在于:所述碟形雙色球的直徑為50-100 微米。
【文檔編號(hào)】B01J13/02GK106000485SQ201610312765
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】國世上, 喻小磊, 趙興中
【申請(qǐng)人】武漢大學(xué)