微滴制备系统及微流控芯片的制作方法

[0001]
本实用新型涉及微滴制备技术领域，特别是涉及微滴制备系统及微流控芯片。


背景技术：

[0002]
传统地，液滴微流控是把不相溶的液体注入到微流控芯片、以极快的速度生成满足各种尺寸要求、均匀的液滴的技术，把生物、化学、医学等分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程的技术。宏观样品可以在数以万计的微流控芯片(单个微滴体积在纳声到皮升级别)中进行各种化学物理反应。通过对这些液滴测量和分析，可以大大提高样品检测分析的精度和灵敏度。然而，传统的微流控芯片生成液滴的稳定性较差。


技术实现要素：

[0003]
基于此，有必要克服现有技术的缺陷，提供一种微滴制备系统及微流控芯片，它能够提高生成液滴的稳定性，有利于实现生成大小均一的液滴。
[0004]
其技术方案如下：一种微流控芯片，所述微流控芯片包括：芯片板，所述芯片板上设有连续相孔、离散相孔、微滴出液孔、第一流道及第二流道，所述连续相孔通过所述第一流道与所述第二流道的中部部位相连通，所述离散相孔通过所述第二流道与所述微滴出液孔相连通，所述第一流道设有第一迂回通道段，所述第二流道上与所述离散相孔相连的一端至第二流道的中部部位设有第二迂回通道段。
[0005]
上述的微流控芯片，一方面，由于第一流道设有第一迂回通道段，第一迂回通道段有利于连续相流体充分均匀混匀，并能起到稳流作用，同样地，第二迂回通道段也有利于离散相流体充分均匀混匀，并能起到稳流作用；另一方面，可以在不增大芯片板的体积尺寸情况下，改变第一迂回通道段的形状时，便能调整连续相孔到第一流道与第二流道的交叉口处的路径长度，以及改变第二迂回通道段的形状时，便能调整离散相孔到交叉口处的路径长度，通过控制连续相孔到交叉口处的路径长度，以及离散相孔到交叉口处的路径长度便能实现控制便可控制两相接触时的剪应力，保证分散相流体进入微流道后，在连续相流体的剪应力作用下，在交叉口处可稳定生成大小均一的微滴(例如油包水(w/o)液滴，且油水配比接近1：1)。
[0006]
在其中一个实施例中，所述第一迂回通道段为s字形、c字形、z字形或l字形的迂回通道，所述第二迂回通道段为s字形、c字形、z字形或l字形的迂回通道。
[0007]
在其中一个实施例中，所述微流控芯片还包括底盖板，所述连续相孔、所述离散相孔、所述微滴出液孔、所述第一流道及所述第二流道均由所述芯片板的其中一侧面贯穿到所述芯片板的另一侧面形成，所述底盖板叠设于所述芯片板的下方以使得所述芯片板的底面封闭。
[0008]
在其中一个实施例中，所述底盖板与所述芯片板采用键合方式连接、粘接连接、焊接连接、螺钉连接、铆接连接、销钉连接或卡接连接。
[0009]
在其中一个实施例中，所述芯片板上还设有与所述连续相孔相连通的第一进样管，与所述离散相孔相连通的第二进样管，以及与所述微滴出液孔相连通的出样管；所述第一进样管、所述第二进样管及所述出样管均设置于所述芯片板上背离于所述底盖板的侧面。
[0010]
在其中一个实施例中，所述底盖板与所述芯片板均为透明板材。
[0011]
在其中一个实施例中，所述第二流道上与所述微滴出液孔相连的一端包括渐变通道段，所述渐变通道段的口径大小在靠近于所述微滴出液孔的方向上逐渐增大。
[0012]
在其中一个实施例中，所述微流控芯片还包括第一过滤结构与第二过滤结构，所述第一过滤结构设置于所述第一流道的进样端，所述第二过滤结构设置于所述第二流道的进样端。
[0013]
在其中一个实施例中，所述连续相孔、所述离散相孔、所述微滴出液孔、所述第一流道及所述第二流道均为两个以上；两个以上所述连续相孔及两个以上所述第一流道均分别与两个以上所述微滴出液孔一一对应设置；两个以上所述离散相孔、两个以上所述第二流道均分别与两个以上所述微滴出液孔一一对应设置。
[0014]
一种微滴制备系统，包括所述的微流控芯片，气压控制器及气源动力设备，所述气源动力设备用于将气体分别通入到所述连续相孔及所述离散相孔中，所述气压控制器用于控制通入到所述连续相孔中的气压大小，以及控制通入到所述离散相孔中的气压大小。
[0015]
上述的微滴制备系统工作时，使用微量定量移液枪分别把定量的连续相流体加入到微流控芯片的连续相孔中，把定量的离散相样品加入到微流控芯片的离散相孔中；开启气源动力设备和气压控制器，在微流控芯片中生成液滴；液滴生成完毕，关闭压力控制器，使用移液枪可以从微滴出液孔处移除定量的乳液。此外，由于包括微流控芯片，因此还包括微流控芯片的技术效果，在此不再赘述。
附图说明
[0016]
构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
[0017]
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]
图1为本实用新型一实施例的微流控芯片的芯片板的结构示意图；
[0019]
图2为图1在a处的放大结构示意图；
[0020]
图3为本实用新型一实施例的微滴制备系统的结构示意图。
[0021]
10、微流控芯片；11、芯片板；111、连续相孔；112、离散相孔；113、微滴出液孔；114、第一流道；115、第二流道；116、交叉口；117、第一迂回通道段；118、第二迂回通道段；119、渐变通道段；13、第一进样管；14、第二进样管；15、出样管；16、第一过滤结构；17、第二过滤结构；20、夹持板；30、密封垫板；31、对接口。
具体实施方式
[0022]
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
[0023]
参阅图1至图3，图1示意出了本实用新型一实施例的微流控芯片10的芯片板11的结构示意图；图2示意出了图1在a处的放大结构示意图；图3示意出了本实用新型一实施例的微滴制备系统的结构示意图。本实用新型一实施例提供的一种微流控芯片10，微流控芯片10包括芯片板11。芯片板11上设有连续相孔111、离散相孔112、微滴出液孔113、第一流道114及第二流道115。连续相孔111通过第一流道114与第二流道115的中部部位相连通。离散相孔112通过第二流道115与微滴出液孔113相连通。第一流道114设有第一迂回通道段117，第二流道115上与离散相孔112相连的一端至第二流道115的中部部位设有第二迂回通道段118。
[0024]
上述的微流控芯片10，一方面，由于第一流道114设有第一迂回通道段117，第一迂回通道段117有利于连续相流体充分均匀混匀，并能起到稳流作用，同样地，第二迂回通道段118也有利于离散相流体充分均匀混匀，并能起到稳流作用；另一方面，可以在不增大芯片板11的体积尺寸情况下，改变第一迂回通道段117的形状时，便能调整连续相孔111到第一流道114与第二流道115的交叉口116处的路径长度，以及改变第二迂回通道段118的形状时，便能调整离散相孔112到交叉口116处的路径长度，通过控制连续相孔111到交叉口116处的路径长度，以及离散相孔112到交叉口116处的路径长度便能实现控制便可控制两相接触时的剪应力，保证分散相流体进入微流道后，在连续相流体的剪应力作用下，在交叉口116处可稳定生成大小均一的微滴(例如油包水(w/o)液滴，且油水配比接近1：1)。
[0025]
需要说明的是，交叉口116既可以是十字交叉口(如图所示2)，又可以是t字形交叉口。当交叉口116为十字交叉口时，在第二流道115的两侧均分布有第一流道114，第一流道114从连续相孔111进入后，分两路向外流动，并在十字交叉口处与第二流道115相汇合。当交叉口116为t字形交叉口时，第二流道115的其中一侧分布有第一流道114，第一流道114与第二流道115相汇合形成t字形交叉口。
[0026]
进一步地，第一迂回通道段117为s字形、c字形、z字形或l字形的迂回通道，第二迂回通道段118为s字形、c字形、z字形或l字形的迂回通道。可以理解的是，第一迂回通道段117与第二迂回通道还可以是其它形状，在此不进行限定。
[0027]
请再参阅图1至图3，在一个实施例中，微流控芯片10还包括底盖板(图中未示意出)。连续相孔111、离散相孔112、微滴出液孔113、第一流道114及第二流道115均由芯片板11的其中一侧面贯穿到芯片板11的另一侧面形成，底盖板叠设于芯片板11的下方以使得芯片板11的底面封闭。如此，在生产制造时，采用例如微注塑的方式得到芯片板11后，将底盖板叠设连接于芯片板11的下方以使得芯片板11的底面封闭即可，使得芯片板11形成半封闭的结构，避免流体从芯片板11的底面往下流出，同时便于生产。
[0028]
可以理解的是，当连续相孔111、离散相孔112、微滴出液孔113、第一流道114及第二流道115没有由芯片板11的其中一侧面贯穿到芯片板11的另一侧面，而只是延伸到芯片
板11的内部时，也是可行的方案，此时便可以无需在芯片板11的下方叠设连接底盖板。
[0029]
可以理解的是，连续相孔111、离散相孔112及微滴出液孔113均从芯片板11的其中一侧面贯穿到芯片板11的另一侧面，第一流道114及第二流道115没有由芯片板11的其中一侧面贯穿到芯片板11的另一侧面而只是延伸到芯片板11的内部时，也是可行的方案。
[0030]
在一个实施例中，底盖板与芯片板11采用键合方式连接、粘接连接、焊接连接、螺钉连接、铆接连接、销钉连接或卡接连接。
[0031]
其中，底盖板与芯片板11键合方式具体为热压键合、超声波键合、溶剂键合等等，在此不进行限定，采用键合方式将底盖板与芯片板11相连，能实现底盖板与芯片板11结合为一个整体，而且组装效率较高。
[0032]
作为一个示例，芯片板11可使用coc、cop、pc、pmma、ps等聚合物加工，加工方式一般是注射模塑成型。此外，底盖板与芯片板11的材质相同时，能实现底盖板与芯片板11结合较为稳固，当然底盖板与芯片板11的材质也可以设置为不同，在此不进行限定。
[0033]
此外，若芯片板11采用本征亲水的板材时，一般需对第一流道114与第二流道115的内表面进行表面疏水改性，也是可行的方案。
[0034]
需要说明的是，底盖板与芯片板11均为透明板材。当底盖板与芯片板11为透明板材时，可以将微流控芯片10固定放置在夹持板20上，并将夹持板20载着微流控芯片10直接放置在显微镜下进行观察微滴生成情况，不需要配置或者设计昂贵的观察和检测系统。
[0035]
此外，为了便于在显微镜下进行观察微滴生成情况，夹持板20也可以设置为透明板材。夹持板20可以例如采用机加工方式快速批量生产，用于放置在微滴生成接收仪器上。
[0036]
在一个实施例中，芯片板11上还设有与连续相孔111相连通的第一进样管13，与离散相孔112相连通的第二进样管14，以及与微滴出液孔113相连通的出样管15。第一进样管13、第二进样管14及出样管15均设置于芯片板11上背离于底盖板的侧面。如此，第一进样管13一方面便于连接连续相气路，另一方面能用于存储连续相液体，工作时连续相气路施加压力将第一进样管13所存储的连续相液体压入到连续相孔111内即可。同理，第二进样管14一方面连接离散相气路，另一方面能用于存储离散相液体，工作时采用离散相气路施加压力将第二进样管14所存储的离散相液体压入到离散相孔112内即可。
[0037]
需要说明的是，在侵权对比中，该“第一进样管13”可以为“芯片板11的一部分”，即“第一进样管13”与“芯片板11的其他部分”一体成型制造；也可以与“芯片板11的其他部分”可分离的一个独立的构件，即“第一进样管13”可以独立制造，再与“芯片板11的其他部分”组合成一个整体。如图3所示，一实施例中，“第一进样管13”为“芯片板11”一体成型制造的一部分。此外，第二进样管14与出样管15类似于第一进样管13，在此不进行赘述。
[0038]
具体而言，第一进样管13与连续相孔111相连通形成的第一容纳空间的体积控制在2μl-100μl范围内，第二进样管14与离散相孔112相连通形成的第二容纳空间的体积控制在2μl-100μl范围内。如此，具体试验时，例如采用移液枪定量把样品加入对应的第一容纳空间与第二容纳空间中，分别以一定压力的气体通入到第一进样管13与第二进样管14中，使得第一容纳空间存储的连续相流体与第二容纳空间存储的离散相流体进行混合，所生成微滴数量根据具体需求从数百到数十万可选。
[0039]
在一个实施例中，第二流道115上与微滴出液孔113相连的一端包括渐变通道段119。渐变通道段119的口径大小在靠近于微滴出液孔113的方向上逐渐增大。如此，第二流
道115的出口处通道渐宽的结构可以使得所生成的微液滴有序排出，避免微滴之间相互挤压产生破裂、融合。
[0040]
请再参阅图1至图3，在一个实施例中，微流控芯片10还包括第一过滤结构16与第二过滤结构17。第一过滤结构16设置于第一流道114的进样端，第二过滤结构17设置于第二流道115的进样端。如此，能过滤掉连续相流体及离散相流体中可能含有的杂质，减小堵塞管路的可能性。具体而言，第一过滤结构16与第二过滤结构17可以是圆柱体状、三棱柱状、圆锥体状等等，不同形状与不同大小排布可以达到不同过滤效果。
[0041]
在一个实施例中，连续相孔111、离散相孔112、微滴出液孔113、第一流道114及第二流道115均为两个以上。两个以上连续相孔111及两个以上第一流道114均分别与两个以上微滴出液孔113一一对应设置。两个以上离散相孔112、两个以上第二流道115均分别与两个以上微滴出液孔113一一对应设置。如此，连续相孔111、离散相孔112、微滴出液孔113、第一流道114及第二流道115均为一个时，相当于一个微滴制备通道；数量为两个以上时，相当于微滴制备通道为两个以上。在两个以上微滴制备通道同步工作时，能更高效率地制备更多的微滴，生产效率较高；此外，可以对两种以上微滴同步进行制备，独立性较好。
[0042]
进一步地，连续相孔111、离散相孔112、微滴出液孔113、第一流道114及第二流道115均为八个，相当于八个微滴制备通道，八个微滴制备通道依次间隔设置并形成一排。可选择性同时进行1-8个道通的微滴生成。可防止样本交叉污染，同时满足高通量样本制备需求。
[0043]
请参阅图1至图3，在一个实施例中，一种微滴制备系统，包括上述任一实施例微流控芯片10，气压控制器(图中未示意出)及气源动力设备(图中未示意出)。气源动力设备用于将气体分别通入到连续相孔111及离散相孔112中，气压控制器用于控制通入到连续相孔111中的气压大小，以及控制通入到离散相孔112中的气压大小。
[0044]
上述的微滴制备系统工作时，使用微量定量移液枪分别把定量的连续相流体加入到微流控芯片10的连续相孔111中，把定量的离散相样品加入到微流控芯片10的离散相孔112中；开启气源动力设备和气压控制器，在微流控芯片10中生成液滴；液滴生成完毕，关闭压力控制器，使用移液枪可以从微滴出液孔113处移除定量的乳液。此外，由于包括微流控芯片10，因此还包括微流控芯片10的技术效果，在此不再赘述。
[0045]
具体而言，微滴制备系统还包括顶盖板。顶盖板上设有分别与第一进样管13、第二进样管14及出样管15相对应的第一避让孔、第二避让孔及第三避让孔。第一进样管13设置于第一避让孔中，第二进样管14设置于第二避让孔中，出样管15设置于第三避让孔中，顶盖板盖设于芯片板11上，使得封闭闭合芯片板11的上表面，这样贯穿芯片板11的第一流道114与第二流道115分别被位于芯片板11两侧的底盖板及顶盖板所密封，如此，能保证气密性，此外，气源动力设备将气体分别通入到第一进样管13、第二进样管14后，便能实现将第一进样管13内的连续相流体推动到交叉口116处，以及将第二进样管14的离散相流体推动到交叉口116处，并使得连续相流体与离散相流体在交叉口116处混合生成微滴，生成的微滴继续向前移动从微滴出液孔113处排出，能避免微液滴生成过程中溅出污染样本的风险。
[0046]
此外，微滴制备系统还包括密封垫板30。密封垫板30设置于气源动力设备的出气端与第一进样管13、第二进样管14及出样管15之间，密封垫板30具体例如为硅胶板，密封垫板30上设有若干个对接口31，对接口31分别与第一进样管13、第二进样管14及出样管15相
对应设置，这样密封垫板30有利于实现气源动力设备的出气端分别与第一进样管13、第二进样管14对接良好。
[0047]
其中，气源动力设备可以采用氮气瓶，也可以使用压力泵和注射泵等。
[0048]
在一个实施例中，一种上述任一实施例微流控芯片10的设计方法，包括如下步骤：第一流道114与第二流道115相连接的部位形成交叉口116，通过调整连续相孔111到交叉口116处的路径长度，以及离散相孔112到交叉口116处的路径长度来控制交叉口116处生成微滴的大小均匀性。
[0049]
上述的微流控芯片10的设计方法，微流控芯片10的设计方案采用正压式、十字交叉法生成微滴，通过设置连续相孔111达到交叉口116处的长度，以及设置离散相孔112达到交叉口116处的长度，便可控制两相接触时的剪应力，保证分散相流体进入微流道后，在连续相流体的剪应力作用下，在交叉口116处可稳定生成大小均一的微滴(例如油包水(w/o)液滴，且油水配比接近1：1)。此外，由于采用了微流控芯片10，因此还包括微流控芯片10的技术效果，在此不再赘述。
[0050]
需要说明的是，生成微滴的交叉口116处的两相(连续相与离散相)通道宽度决定生成微滴的大小量级。也就是，当调整交叉口116处的第一流道114的通道宽度(也可以通过内径表示)、第二流道115的通道宽度时，能相应调整目标微滴大小范围。
[0051]
此外，生成的液滴直径可根据两相不同的进样压力配比变化具有宽范围连续可调能力。也就是说，通过调整两相不同的进样压力配比时，能相应调整生成的液滴直径大小。
[0052]
作为一个示例，本设计交叉口116处的第一流道114的通道宽度(也可以通过内径表示)、第二流道115的通道宽度分别为101μm与91μm，在特定进样条件下目标微滴大小范围在80μm-130μm。进一步地，由于生成的微液滴直径与两相进样压力比成线性相关，通过增大两相进样压力时，能实现生成的微液滴直径在80μm-130μm的范围内相应增大。
[0053]
需要说明的是，微流控芯片10生成微滴的原理是，将两种互不相溶的流体通入微流控芯片10的流道内，其中一种流体为离散相，作为被剪切相流体，另一种流体为连续相，作为剪切流体，在两种流体交汇的区域，通过连续相流体将离散相流体分隔为离散的液滴。
[0054]
具体地，连续相流体和离散相流体分别进入微流控芯片10中对应的流道后，会在不同流道的交汇处形成连续相流体和离散相流体的界面。离散相流体在外力的推动以及连续相流体剪切力的作用下与连续相流体同步向前运动。当界面处的界面张力不足以维持连续相流体施加给离散相流体的剪切力时，离散相流体断裂生成独立的被连续相流体包围的微小体积单元即液滴。
[0055]
例如，在连续相流体为油而离散相流体为水的情况下，在油水交汇处形成油/水界面，水相在外力的推动以及油相剪切力的作用下与油相同步向前运动，当油/水界面处的界面张力不足以维持油相施加给水相的剪切力时，水相断裂生成独立的被油相包围的液滴。
[0056]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0057]
以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实
用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
[0058]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0059]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0060]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0061]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0062]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。