试剂预定义的液滴阵列生成器及制作方法和液滴生成方法与流程

本发明涉及一种液滴生成器。特别是涉及一种能够向独立液滴内定量释放试剂的试剂预定义的液滴阵列生成器及制作方法和液滴生成方法。

背景技术：

液滴微流体技术是指将原本在宏观尺度下进行的生物、化学反应放到微米尺度的液滴中进行。它具有诸多优点：高通量、混合速度快、试剂消耗少、重复性好、可绝对定量、检测限低。在液滴微流体中，微液滴生成器件是其核心，直接决定了所生成液滴的尺寸和一致性。

然而目前已报道的液滴生成器件通常采用封闭式的结构，液滴在产生后积聚在一个反应室内，液滴与液滴之间相互接触，有报道表明此种情况可能造成待测物或指示剂在相邻液滴间转移，造成液滴间的交叉污染，使反应结果不准确。

此外，由于目前已报道的液滴生成器件包含了复杂的细微结构，通常需要如光刻、微铣削等精密微加工技术，因此单个液滴生成器件制造成本很高。

更为重要的是，由于目前已报道的液滴微流体器件都采取先混合，后生成液滴的方法，液滴内所含试剂成分固定，难以使用单个液滴生成器件产生含有多种不同试剂或具有梯度浓度试剂的液滴，然而不同试剂环境和梯度浓度环境对于研究和优化反应条件是非常重要的。另一方面，由于现有液滴生成器在液滴生成后很难再次人为对液滴内容物进行操作，因此难以通过向液滴内添加试剂的方式控制液滴内反应进行。举例来说，液滴数字式重组酶-聚合酶扩增反应(ddrpa)需要用镁离子触发。如果在生成液滴前加入镁离子，则反应会在液滴生成之前提前开始，导致最终测试结果不准确。现已报道的液滴数字式重组酶-聚合酶扩增反应采用预冷却的方法抑制液滴生成前的反应，但仍然无法完全避免反应的提前开始。如果可以先生成液滴再向液滴内加入镁离子，则可完全避免反应的提前开始，从而获得准确的结果。

因此，消除液滴间的交叉污染，降低液滴生成器件制造成本，实现液滴内容物的精确控制就成为该技术领域急需解决的几个技术难题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够大量产生体积一致性较好液滴的试剂预定义的液滴阵列生成器及制作方法和液滴生成方法。

本发明所采用的技术方案是：一种试剂预定义的液滴阵列生成器，包括超疏水基底，所述超疏水基底的上表面上通过喷墨打印形成有由多数个用于生成试剂预定义的液滴的亲水结构构成的亲水结构阵列。

所述的亲水结构的形状为矩形或三角形或圆形。

所述的亲水结构包括有2层以上的含有不同试剂的亲水层，所述含有不同试剂的亲水层中的最底层的亲水层的底端渗透进入到所述超疏水基底内。

一种试剂预定义的液滴阵列生成器的制作方法，包括如下步骤：

1)制备具有超疏水表面的超疏水基底，所述超疏水表面是，具有疏水材料微纳结构的表面；

2)配制2种以上的用于向液滴内释放不同试剂的溶液；

3)将载有不同试剂的溶液注入喷墨打印机的不同墨盒内；

4)采用喷墨打印方法在基底上加工出亲水结构阵列。

步骤2)所述的配制溶液，是采用与试剂种类数量相同数量的容器，在所述的容器内分别加入载体墨水，再将不同种类的试剂分别加入对应的容器内。

步骤4)所述的采用喷墨打印方法在基底上加工出亲水结构阵列是，根据绘制好的阵列结构的cad图形进行打印。

步骤4)所述的加工，是依次打印载有不同试剂的溶液层，其中，每打印完一层都要在该层风干后，再打印下一层。

步骤4)中通过控制喷墨头的出液量得到含有不同溶液量的亲水结构。

一种采用试剂预定义的液滴阵列生成器的液滴生成方法，包括如下步骤：

1)在试剂预定义的液滴阵列生成器的每一个亲水结构上形成待反应溶液的液滴；

2)将形成有待反应溶液液滴的试剂预定义的液滴阵列生成器放在底面为水平面的容器的底面上；

3)将油相液体缓缓注入容器内，覆盖形成待反应溶液液滴的试剂预定义的液滴阵列生成器，减少液滴的蒸发。

步骤1)所述的形成待反应溶液的液滴，是将试剂预定义的液滴阵列生成器放入待反应液体中全部浸没后取出，或将待反应液体滴在试剂预定义的液滴阵列生成器的表面，并使待反应液体经过每一个亲水结构。

本发明的试剂预定义的液滴阵列生成器及制作方法和液滴生成方法，具有液滴相互完全分离，能够预加载试剂，便于制作，成本低廉，使用方便的特点，能够大量产生体积一致性较好的液滴，且液滴相互不接触，不存在液滴间的交叉污染，并能够实现定时定量向液滴内释放试剂。本发明可以用于生物分子和细胞的检测和筛选，药物测试、颗粒材料合成等应用场合。

附图说明

图1是本发明的试剂预定义的液滴阵列生成器第一实施例的结构示意图；

图2是本发明的试剂预定义的液滴阵列生成器第二实施例的结构示意图；

图3是本发明的试剂预定义的液滴阵列生成器第三实施例的结构示意图；

图4是本发明中亲水结构的剖面示意图；

图5是在本发明试剂预定义的液滴阵列生成器生成单个液滴并覆盖油相液体的示意图；

图6是采用本发明试剂预定义的液滴阵列生成器单个液滴中试剂释放后的示意图。

图中

1：超疏水基底2：亲水结构

3、4：亲水层5：油相

6：液滴7：成品液滴

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的试剂预定义的液滴阵列生成器及制作方法和液滴生成方法做出详细说明。

如图1、图2、图3所示，本发明的试剂预定义的液滴阵列生成器，包括超疏水基底1，所述超疏水表面是，具有疏水材料微纳结构的表面。所述超疏水基底1的上表面上通过喷墨打印形成有由多数个用于生成试剂预定义的液滴的亲水结构2构成的亲水结构阵列。所述的亲水结构2的形状为矩形或三角形或圆形等任意形状。

如图4所示，所述的亲水结构2包括有2层以上的含有不同试剂的亲水层3、4，所述含有不同试剂的亲水层3、4中的最底层的亲水层3的部分渗透进入所述超疏水基底1内。

本发明的试剂预定义的液滴阵列生成器，能够实现液滴的离散产生和液滴内容物的定时定量释放，并能够大大降低液滴生成器件的制造成本。

本发明的试剂预定义的液滴阵列生成器的制作方法，包括如下步骤：

1)制备具有超疏水表面的超疏水基底，所述超疏水表面是，具有疏水材料微纳结构的表面；

2)配制2种以上的用于向液滴内释放不同试剂的溶液；

所述的配制溶液，是采用与试剂种类数量相同数量的容器，在所述的容器内分别加入载体墨水，再将不同种类的试剂分别加入对应的容器内。

所述的墨水为染料型墨水、颜料型墨水或其他任意适用于喷墨打印技术的固化后亲水且可溶于水，或部分可溶于水，或固化后可形成多孔状结构的墨水。

将所需向液滴内释放的试剂，与所用墨水混合，当液滴产生后，墨水中的试剂通过溶解或扩散的方式进入液滴。所述溶解或扩散过程的速度可以通过向墨水中添加大分子、聚合物、聚合物单体或溶解速度慢的物质进行调控。

3)将载有不同试剂的溶液注入喷墨打印机的不同墨盒内；

4)采用喷墨打印方法在基底上加工出亲水结构阵列。

具体是根据绘制好的阵列结构的cad图形进行打印。所述的加工，是依次打印载有不同试剂的溶液层，其中，每打印完一层都要在该层风干后，再打印下一层。本发明通过控制喷墨头的出液量得到含有不同溶液量的亲水结构。

以两层为例，其中待释放试剂包含于底层墨水，顶层墨水采用如染料型墨水的可溶于水的墨水。液滴生成后，顶层墨水先与液滴接触并开始溶解。当顶层墨水溶解完毕后，其下层墨水中包含试剂才会进入液滴，从而实现试剂的延时释放和液滴内反应的控制。

使用喷墨打印机的多路喷头分时打印包含不同试剂的墨水，通过调节打印阵列中每个亲水结构所用出液量，产生包含不同种类试剂以及具有浓度梯度的亲水结构阵列器件。在试剂预定义的液滴阵列生成器上生成液滴，在试剂释放完成后即可获得具有不同试剂或具有不同浓度同种试剂的液滴阵列。

本发明的采用试剂预定义的液滴阵列生成器的液滴生成方法，包括如下步骤：

1)在试剂预定义的液滴阵列生成器的每一个亲水结构上形成待反应溶液的液滴；

所述的形成待反应溶液的液滴，是将试剂预定义的液滴阵列生成器放入待反应液体中全部浸没后取出，或将待反应液体滴在试剂预定义的液滴阵列生成器的表面，并使待反应液体经过每一个亲水结构。

2)将形成有待反应溶液液滴的试剂预定义的液滴阵列生成器放在底面为水平面的容器的底面上；

3)将油相液体缓缓注入容器内，覆盖形成待反应溶液液滴的试剂预定义的液滴阵列生成器，减少液滴的蒸发。所述的油相液体是液体石蜡，或是硅油，或是全氟烷烃等与待反应溶液不相溶的液体。

下面给出几个实例：

实施例1

在pet基底上喷涂美国rust-oleum公司生产的neverwet超疏水涂层。静置12小时后，将两种含有色浆的水性染料型墨水通过压电式喷墨打印机分别打印至超疏水基底表面并干燥，形成阵列化的亲水结构，如图1所示。其中单个图形边长为500μm。待墨水干燥后，将所制作的试剂预定义的液滴阵列生成器浸没于水中并取出。可以观察到在亲水结构处形成了扁平形状的液滴。将取出后的试剂预定义的液滴阵列生成器平放于水平放置的培养皿底部，并向培养皿内倒入液体石蜡。可以观察到，两种色浆依次渐渐溶解于液滴内，液滴变为球形成品液滴并悬浮于液体石蜡内，形成大小均匀、相互不接触的液滴阵列，如图6所示，其中单个成品液滴直径约为200μm。

实施例2

在pet基底上喷涂美国rust-oleum公司生产的neverwet超疏水涂层。静置12小时后，将混有碳酸氢钠的无色水性染料墨水通过压电式喷墨打印机打印至超疏水基底表面，形成阵列化结构，如图2所示。待墨水干燥后，在相同位置喷墨打印一层聚乙烯醇溶液作为墨水。墨水干燥后，在打印的墨水处形成了亲水结构。将少量酚酞的水-酒精溶液倒于所制作的试剂预定义的液滴阵列生成器表面，并用一个亲水的玻璃棒牵引该液体扫过试剂预定义的液滴阵列生成器上的所有亲水结构。可以观察到，在喷墨打印的墨水处形成了扁平状的液滴。然后将试剂预定义的液滴阵列生成器平放于培养皿内，并向培养皿内倒入液体石蜡，如图3所示。可以观察到，在一段时间内，液滴保持紧贴于基底且颜色不发生变化，如图5所示，之后液滴变为红色并变为球形，如图6所示，表明碳酸氢钠被延迟释放到了液滴中形成成品液滴。

实施例3

在pet基底上喷涂美国rust-oleum公司生产的neverwet超疏水涂层。静置12小时后，将混有青霉素的无色染料型墨水通过压电式喷墨打印机打印至超疏水基底表面，形成阵列化亲水结构，如图3所示。在打印阵列化亲水结构期间，不断调整打印头在不同亲水结构位置处的出液量。待墨水干燥后，在相同位置喷墨打印一层聚乙烯醇溶液作为墨水，但打印时不改变出液量。墨水干燥后，在打印的墨水处形成了亲水结构。将所制作的试剂预定义的液滴阵列生成器浸没于大肠杆菌培养液中并取出。可以观察到在亲水结构处形成了扁平形状的液滴。然后将所制作的试剂预定义的液滴阵列生成器平放于水平放置的培养皿内，并向培养皿内倒入液体石蜡。可以观察到，在一段时间内，液滴保持紧贴于基底且颜色不发生变化，如图5所示，之后液滴变为球形并悬浮于液体石蜡中，如图6所示，表明含有青霉素的墨水已溶解于液滴内，且所制备的成品液滴中青霉素浓度是人为控制变化的。

本发明公开和揭示的所有组合可以通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。