一种基于微流控技术的可控双水相液滴的制备方法与流程

本发明属于微流控技术、材料化学等领域，特别其涉及一种基于微流控技术可控双水相液滴的制备方法。

背景技术：

微流控液滴技术是微流控的一个重要分支，它可以直接利用流体间不相容性质来获得单分散液滴，并对其进行分选、分裂、捕获、融合等操控的技术。微流控液滴具有较大的比表面积，可以在微小的体积内高效完成物质交换、化学反应等。因此，该技术已经在小分子检测、单细胞分析、药物传输、微颗粒合成、组织工程等领域得到了广泛的应用。

然而，传统的微流控液滴技术都是基于油水双乳相体系来产生均一可控的液滴，其中会涉及到对有机相和各类离子或非离子表面活性剂的使用，且这些物质在体系中很难完全去除，这就使得该技术在生物医学领域中的应用受到了局限。近年来，与传统油水双相体系不同的双水相体系被引入到微流控液滴领域，并得到了初步的发展。顾名思义，双水相体系中不存在有机相，其相分离的原理是，当两种不同性质的高分子溶质在水溶液中的浓度超过一定阈值后，两相水溶液的物理化学性质也会随之发生改变，从而产生自发的相分离。双水相体系原本是用于生物质的萃取，因此具有很好的生物相容性。双水相的构成可以是两种性质不同的高分子溶液(如peg和葡聚糖)或者一种高分子溶液和一种盐溶液(如peg和磷酸盐)，其中两种高分子溶液构成的体系具有更好的生物相容性。目前较为常用且相分离效果较好的体系由peg和葡聚糖组成。但是双水相体系也存在着明显得弊端，由于两个水相间的表面能要远小于油水体系，双水相液滴的产生，尤其是可控产生就成为了这一体系在微流控液滴技术中广泛应用的阻碍。本发明利用集成了泵阀体系的微流控芯片，成功实现了均一可控的双水相液滴的制备。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于微流控芯片泵阀集成系统，用于可控产生均一双水相液滴的新方法。

本发明一种基于微流控技术的可控双水相液滴制备方法，包括下列步骤：

(1)泵阀系统的集成：利用常规软光刻的方法，制备pdms芯片，基于一个传统的“十字”流微流控液滴芯片，在“十字”交叉口上游的分散相通道两侧集成气动泵阀，；所述芯片主要由连续相入口，气体入口，分散相入口，液滴出口，分散相通道，气体通道，连续相通道，主通道和泵阀组成；

连续相入口、分散相入口分别通过连续相通道、分散相通道与主通道连接，分散相通道与连续相通道汇聚到主通道处形成“十字”交叉口；气体入口经气体通道到达气动泵阀，其中的气体驱动泵阀侧壁发生弹性形变；

泵阀的位置在“十字”交叉口上游的分散相通道两侧，通过泵阀充气与静息两种状态周期性挤压分散相通道，从而使分散相间断性地进入连续相中，稳定可控地形成双水相液滴；

(2)双水相体系选择：使用的双水相体系是两个高分子溶液组成的体系或者是一种高分子溶液和一种盐溶液组成的体系，

所述两个高分子溶液组成的体系为聚乙二醇(peg)-葡聚糖、聚丙二醇(ppg)-葡聚糖、聚乙烯醇(pva)-甲基纤维素等可以自发相分离的组合；

所述一种高分子溶液和一种盐溶液组成的体系为peg-硫酸钠、ppg-磷酸钾、聚乙烯基吡咯烷酮(pvp)-磷酸钾等可以自发相分离的组合；

选用双水相体系为peg-葡聚糖的组合，所述的peg分子量范围1000-20000da、浓度范围：2.5-50％；葡聚糖分子量范围：70k-500kda、浓度范围：2.5-20％。

(3)液滴的调控：将葡聚糖作为分散相，peg作为连续相；或peg作为分散相，葡聚糖作为连续相；通过改变分散相流速、连续相流速和泵阀开关的周期来改变通道中形成液滴的尺寸大小和液滴间距。分散相流速范围：0.01-1μl/min、连续相流速范围：0.5-5μl/min、泵阀开关时间0.05-0.5s。

所述芯片主通道宽度100-300μm，长1-2cm。泵阀与分散相通道间距40-60μm，泵阀间的分散相通道宽40-60μm，芯片各部分通道高度均为100-300μm；

所形成的双水相液滴尺寸非常均一，可调节直径范围30-300μm。有望应用于蛋白质分离、细胞分区化培养、dna萃取等生物学应用中。

本发明利用可以自发相分离的双水相体系，在一个集成了泵阀系统的“十字”流液滴芯片中，通过调节两相流速、泵阀开关周期等稳定、可控地形成液滴。该技术有望在蛋白质分离、细胞分区化培养、dna萃取等生物学应用中发挥作用。

附图说明

图1是单通道双水相液滴芯片示意图，其中：a总体图；b泵阀结构局部图；c泵阀结构开关状态示意图。

1代表连续相入口；2代表气体入口；3代表分散相入口；4代表液滴出口；5代表分散相通道；6代表气体通道；7代表连续相通道；8代表主通道；9代表气动泵阀。

图2是实施例1的双水相液滴实物图和直径分布统计图，其中a液滴实物图(标尺：200μm)；b直径统计图。

图3是实施例2的双水相液滴实物图和直径分布统计图，其中a液滴实物图(标尺：200μm)；b直径统计图。

具体实施方式

先根据实际需要，设计和加工尺寸适宜的微流控液滴芯片；然后选择需要的双水相组成体系，包括种类、浓度、分子量等；最后利用分散相流速、连续相流速和泵阀开关频率可以调控液滴参数。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种基于微流控技术的可控双水相液滴制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

(1)泵阀系统的集成：利用常规软光刻的方法，制备pdms芯片，基于一个传统的“十字”流微流控液滴芯片，在“十字”交叉口上游的分散相通道两侧集成气动泵阀；所述芯片如图1所示，主要由连续相入口1，气体入口2，分散相入口3，液滴出口4，分散相通道5，气体通道6，连续相通道7，主通道8和泵阀9组成；

连续相入口1、分散相入口3分别通过连续相通道7、分散相通道5与主通道8连接，分散相通道与连续相通道汇聚到主通道处形成“十字”交叉口；气体入口2经气体通道6到达气动泵阀9，其中的气体驱动泵阀侧壁发生弹性形变；

泵阀9的位置在“十字”交叉口上游的分散相通道5两侧，通过泵阀充气与静息两种状态周期性挤压分散相通道，从而使分散相间断性地进入连续相中，稳定可控地形成双水相液滴；

所述的芯片主通道宽度200μm，长1.5cm。泵阀与分散相通道间距50μm，泵阀间的分散相通道宽40μm，芯片各部分通道高度均为100-300μm；

(2)双水相体系选择：使用peg-葡聚糖的组合。peg分子量为20kda、浓度为17％；葡聚糖分子为500kda、浓度为15％。

(3)液滴的调控：将葡聚糖作为分散相，peg作为连续相；通过改变分散相流速、连续相流速和泵阀开关的周期来改变通道中形成液滴的尺寸大小和液滴间距。分散相流速为0.2μl/min、连续相流速为2μl/min、泵阀开关时间0.2s。对收集的实验数据，统计了液滴直径，结果为88.0±3.5μm，如图2所示。

实施例2

(1)泵阀系统的集成：利用常规软光刻的方法，制备pdms芯片，基于一个传统的“十字”流微流控液滴芯片，在“十字”交叉口上游的分散相通道两侧集成气动泵阀；所述芯片如图1所示，主要由连续相入口1，气体入口2，分散相入口3，液滴出口4，分散相通道5，气体通道6，连续相通道7，主通道8和泵阀9组成；

连续相入口1、分散相入口3分别通过连续相通道7、分散相通道5与主通道8连接，分散相通道与连续相通道汇聚到主通道处形成“十字”交叉口；气体入口2经气体通道6到达气动泵阀9，其中的气体驱动泵阀侧壁发生弹性形变；

泵阀9的位置在“十字”交叉口上游的分散相通道(5)两侧，通过泵阀充气与静息两种状态周期性挤压分散相通道，从而使分散相间断性地进入连续相中，稳定可控地形成双水相液滴；

所述的芯片主通道宽度200μm，长1.5cm。泵阀与分散相通道间距50μm，泵阀间的分散相通道宽40μm，芯片各部分通道高度均为200μm；

(2)双水相体系选择：使用peg-葡聚糖的组合。peg分子量为8kda、浓度为10％；葡聚糖分子为70kda、浓度为10％。

(3)液滴的调控：将葡聚糖作为分散相，peg作为连续相；通过改变分散相流速、连续相流速和泵阀开关的周期来改变通道中形成液滴的尺寸大小和液滴间距。分散相流速为0.1μl/min、连续相流速为2μl/min、泵阀开关时间0.4s。对收集的实验数据，统计了液滴直径，结果为88.0±3.5μm，如图3所示。