一种微液滴阵列芯片及其制造和使用方法与流程

本发明涉及一种微流体领域，具体涉及一种生成微液滴阵列的芯片及其制造和使用方法，应用在分析测试等领域。

背景技术：

微液滴阵列在生物分子学、化学分析和药物筛选等领域的应用十分广泛，高效的微液滴阵列对于高通量测试分析十分重要。

高效的微液滴阵列技术还存在不少技术难题，如微/纳升体积的液滴生成；大量批量阵列生成；简单、快速生成以及稳定性等。

目前，诸多微液滴生产方法：1、控制设备复杂，往往需要持续的外力，如泵压、真空负压等；2、微流控芯片往往需要多层的复合结构用于构成封闭的腔体；3、微液滴与基底材料接触面积大，体积不均匀，位置不精确等；4、使用方式较为复杂，时间长；5、芯片需要化学处理，增加了污染影响液滴特性的可能性。

jackman等(r.j.jackman,d.c.duffy,e.ostuni,n.d.willmoreandg.m.whitesides,anal.chem.1998,70,2280.)在产生小液滴阵列的时候，采用涂刮的方式无法解决接触角大于80°以上的液体产生小液滴阵列的问题，微孔内的气体无法顺利排出，必须利用大量液体进行侧向浸沾的方式才能产生小液滴。这种方式造成了被填充液体的浪费和污染。

yasuga等(wo2018/003856a1)产生的小液滴依靠油相的剪切而生成，油相的性质影响了液滴的均匀性，其装置工作依赖于微孔之间的连接通道，限制了大面积液滴阵列的生成及其应用。

针对微液滴阵列生成中系统构成复杂、使用耗时长、微液滴可控制性差的不足，亟待需要一种微液滴阵列生快速、液滴稳定精确、使用简单的生成方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种微液滴阵列芯片及其制造和使用方法，通过改变微流控芯片(即微液滴阵列芯片)上微孔的形状，使其开口渐大，使得微流体更容易进入，微流体在与基底材料的接触作用下滞留在微孔内，即使在外力作用下，待填充液体流过微孔阵列，微孔内也会存留下微液体，再在表面张力更小的油相作用下，形成微液滴阵列。

为了达到上述目的，本发明提供了一种微液滴阵列芯片，该芯片包含：基底；该基底上设置有由若干微孔构成的微孔阵列，所述的微孔具有三维形状，且微孔开口渐大，微孔侧壁至少一面倾斜设置，所述的基底与液滴的接触角大于80°。

较佳地，所述微孔的三维形状为梯形体、棱锥形、半球体、半椭球体、水滴状中的任意一种或几种的组合。

较佳地，各微孔的体积相同或者不同。

较佳地，所述微孔阵列形状选择矩形、三角形、梯形或不规则形状。

较佳地，所述的基底材料与待填充的液体满足液体滑动角大于10°,液体接触角大于80°。优选采用pdms基底材料，待填充的液体通常为水溶液。

本发明还提供了一种上述的微液滴阵列芯片的制备方法，采用仿生倒模方法或光刻倒模方法制备微液滴阵列芯片。

较佳地，该光刻倒模方法包含：

步骤1，光刻加工制备若干沟槽，形成具有沟槽阵列的模具；

步骤2，将基底材料的溶液倒入模具的沟槽中，并进行加温固化，形成基底层；

步骤3，取下固化后的基底层，其具有凹槽；

步骤4，将稀释后的基底材料的溶液旋涂在固化后的基底层的凹槽中；

步骤5，加温固化，形成具有若干微孔阵列的微液滴阵列芯片。

较佳地，该仿生倒模方法包含：

步骤a)，取新鲜荷叶洗净、吹干；

步骤b)，将荷叶固定；

步骤c)，倒入基底材料的溶液，并进行加温固化，形成基底层；

步骤d)，取出固化后的基底层。

本发明还提供了一种上述的微液滴阵列芯片的使用方法，该方法包含：

s1，向微液滴阵列芯片的任意一或多微孔加入待填充液体；

s2，在外力牵引下，待填充液体经基底流过微孔阵列，均匀分布至微液滴阵列芯片的微孔中；

s3，滴加油滴，在外力牵引下，对基底进行冲洗，将基底上残留的待填充液体冲净，油滴分散包裹待填充液体并分布至微孔阵列，使微孔内液体变为一个球体，以大大减小与微孔壁的长时间接触，避免污染；

s4，采用盖玻片密封微液滴阵列芯片。

s3中，加入油滴的目的如下：1、使得留在微孔内的液体形成液滴球形；2、防止液滴挥发；3、冲掉基底表面残留的液体；4、免受环境污染。

较佳地，所述的外力牵引包含机械外力、重力、离心力中的任意一种或多种的组合。

本发明的技术构思为：设计微孔开口渐大的形式，利用了迟滞角的效应，使得微流体在与基底材料的接触作用下滞留在微孔内，可实现批量微液滴的大规模生成，再加入油相，进一步使得微液滴与基底材料接触面积减小，对微液体生化反应和分析造成的影响小。采用仿生倒模、光刻倒模等微加工技术生产用于微流控芯片，用于微液滴阵列产生，微液滴稳定性高，微流控芯片成本低。

所述的迟滞角的效应类似于一液滴滴在一个平面上，当平面倾斜很大的角度才能使液滴滑动。pdms层本身的固有性质的迟滞角比较大，加上开口渐大，与液滴接触面积多，迟滞角效果更加明显，液体一旦进去会很难滑出。

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：

1.本发明微流控芯片中微孔阵列可以采用形状、大小、阵列方式不同，生成的微液滴的大小、阵列方式可以使用更多的应用场景。

2.本发明微流控芯片中微孔阵列微孔开口渐大，可以保证待填充液体顺利进入微孔中，从而生成微液体阵列。该种方式生产微液滴效率高，微液滴均匀稳定。

3.本发明微流控芯片形成的微液滴形状接近为圆球形，与基底材料接触面积小，减小了基底材料性质对微液体组分的影响，提高了生化测试分析的性能。

4.采用仿生倒模、光刻倒模等微加工技术生产用于微流控芯片，用于微液滴阵列产生。

5.本发明使用方法简单高效，可以采用机械外力、重力、离心力等驱动待填充液体流过微孔阵列的方式，不仅操作简单，而且可以在不同应用场景使用。

附图说明

图1为本发明的微液滴阵列芯片的微孔开口渐大结构示意图。

图2为本发明的微液滴阵列芯片的仿生倒模制造方法。

图3为本发明的荷叶倒模pdms形成的微液滴阵列芯片的液滴、统计、形貌、截面示意图。

图4a-4f为本发明的微液滴阵列芯片的光刻倒模制造方法。

图5为本发明采用光刻倒模技术制备的微液滴阵列芯片的液滴、统计、形貌、截面示意图。

图6为本发明的微液滴阵列芯片使用方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本文所述的“接触角”(contactangle)是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线，此切线在液体一方的与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。

本文所述的“滑动角”即滚动角，是指液滴在倾斜表面上刚好发生滚动时，倾斜表面与水平面所形成的临界角度，以α表示，是表征一个特定表面润湿性的重要方法。

本发明所述的基底材料与待填充液体的滑动角大于10°,接触角大于80°，可选择pdms(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)，poe(polyolefinelastomer，聚烯烃弹性体)，epdm(ethylenepropylenedienemonomer，三元乙丙橡胶)，pmma(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)，ptfe(polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)，pr(polystyrene，聚苯乙烯)中的任意一种或任意两种以上的复合材料。

本文所述的“开口渐大”是指微孔的开口的口径从下向上逐渐增大。

如图1所示，微流控芯片为分布有由若干微孔1构成的微孔阵列的基底材料，微孔1的开口渐大，微孔侧壁至少一面以一定角度倾斜。

微流控芯片的微孔可以是不同的三维形状，微孔的三维形状包括但不限于梯形体、棱锥形、半球体、半椭球体、水滴状等中的任意一种，微孔的侧壁至少一面倾斜于基底材料。

一些较优的实施例中，微流控芯片的微孔阵列形状可以是不同的平面形状，包括但不限于矩形、三角形、梯形或不规则形状等。

如图2所示，微流控芯片的基底材料可以采用仿生倒模技术，包含以下步骤：a)取一块新鲜的荷叶、洗净杂质、吹干水分；b)将荷叶(正面朝上)通过双面胶固定在培养皿上；c)倒入含有预混液的pdms，并进行加温固化；d)取出固化后的pdms，其具有类似荷叶表面的微孔阵列。由于荷叶正面有很多微小凸起结构，倒模后pdms表面就变成了微小的凹坑结构。

该荷叶倒模pdms形成的微液滴阵列芯片的液滴、统计、形貌、截面示意如图3所示，其中，a为微孔阵列局部形貌图，b为2297个液滴的体积分布统计图，c为局部放大的微孔形状，d为微孔截面示意图。

如图4a-4f所示，微液滴阵列芯片可以采用光刻倒模技术制备：

步骤1，光刻加工su-8基底10，制备若干沟槽11，如图4a所示。

步骤2，将含有预混液的pdms倒入su-8基底的沟槽中，并进行加温固化，形成pdms层20，如图4b所示。

步骤3，取下固化后的pdms层20，其具有凹槽21，如图4c所示。

步骤4，将稀释后的含有预混液的pdms旋涂在固化后的pdms层20的凹槽21中，如图4d所示；

步骤5，加温固化，在加热过程中，稀释剂(正己烷、甲苯等)挥发(见图4e)，形成开口渐大形状的微孔1，形成具有若干微孔阵列的微流控芯片，如图4f所示。

采用光刻倒模技术制备的微液滴阵列芯片的液滴、统计、形貌、截面示意如图5所示，其中，a为微孔阵列局部形貌图，b为576个液滴的体积分布统计图，c为局部放大的微孔形状，d为微孔截面示意图。

本发明提供的微流控芯片的使用方法如图6所示，包含：

s1，向微流控芯片中加入试剂；

s2，采用盖玻片或刮刀或刮片在微流控芯片上表面水平施力，在外力牵引下，待填充液体以一定速度流过微孔阵列，使得试剂均匀分布至微流控芯片的微孔阵列中；所述的外力是指采用机械外力、重力、离心力等驱动；

s3，加入油滴，进行冲洗，作用如下：1、使得留在微孔内的液体形成液滴球形；2、防止液滴挥发；3、冲掉基底表面残留的液体；4、保护液滴免受环境污染。

s4，采用盖玻片覆盖密封微流控芯片的微孔阵列，确保将液滴固定在里面，免受外界杂质污染。

综上所述，本发明的微液滴阵列芯片采用的基底材料固有性质迟滞角比较大，加上微孔开口渐大，与液滴接触面积多，迟滞角效果更加明显，液体一旦进去难滑出，可实现批量微液滴的大规模生成，再加入油相，微液滴与基底材料接触面积小，对微液体生化反应和分析造成的影响小。本发明具有芯片结构简单、微液滴生成效率高、操作方便的优点。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。