用于采样与检测的液滴式微流控采样针及其制备方法

1.本发明属于医疗器械和生物医学检测技术领域，特别是涉及一种用于采样与检测的液滴 式微流控采样针及其制备方法。


背景技术：

2.在时间、化学、空间上高分辨率、快速精准地采集并监测一些快速变化的信号，比如脑 神经递质(脑神经递质是帮助信号从一个神经细胞传递到另外一个神经细胞的化学物质)，对 脑部基础研究和精准医疗有极大的帮助，其中主要挑战是获得准确时间、空间、浓度下样品 溶液中化学物质信息，并保证采集到的样本在运输与存储过程后依然完整，以真实反应采样 时刻样品的准确信息。
3.现有普通的采样针头，一般存在两个方面的问题：第一，现有采样装置采样面积大，难 以采集局部微小区域内的样品，无法实现较高的空间分辨率，阻碍了对局部区域内化学过程 的精准监测；第二，现有采样装置在采样时，由于泰勒分散现象，靠近管道内壁的液体流动 速度相比于管道中心流动的液体更慢，导致不同时刻所采集的样品在流动运输过程中混合， 最终无法检测到准确真实的样品信息，分辨率被极大破坏。阻碍了对快速变化的化学过程的 精确分析。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于采样与检测的液滴式微 流控采样针及其制备方法，用于解决现有技术中的采样装置时间、空间、化学分辨率较低等 的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于采样与检测的液滴式微流控采样 针，所述微流控针头是由基片与密封基片键合而成，包括：微流控芯片和连接于所述微流控 芯片前端的针头；
6.所述微流控芯片包括贯通所述密封基片的进样口、出样口、油相输入口及与其对应连通 且设置于所述基片上的进样微流控通道、出样微流控通道、油相微流控通道和检测区，且所 述检测区设置于所述出样微流控通道上；其中，所述进样微流控通道的末端与所述油相微流 控通道连通；
7.所述针头包括针身部分及针尖部分；
8.所述针身部分包括设置于所述基片上的两个互相平行的进液微流控通道及出液微流控通 道及连通其的连通微流控通道；其中，所述进液微流控通道与所述油相微流控通道连通，所 述出液微流控通道与所述出样微流控通道连通；
9.所述针尖部分包括设置于所述基片上且与所述连通微流控通道连通的若干个互相平行的 毛细采样通道；
10.所述进样微流控通道、所述出样微流控通道、所述油相微流控通道、所述检测区、所述 进液微流控通道、所述出液微流控通道及所述连通微流控通道为疏水通道；所述毛细
采样通 道为亲水通道。
11.可选地，所述密封基片为透明基片。
12.可选地，所述针尖部分设置有多个所述毛细采样通道。
13.可选地，所述进液微流控通道及所述出液微流控通道的宽度介于20μm～100μm之间、深 度介于20μm～100μm之间、长度介于0.9cm～1.1cm之间；所述毛细采样通道的宽度介于 1μm～3μm之间、深度介于1μm～3μm之间、长度介于110μm～130μm之间。
14.可选地，相邻两个所述毛细采样通道之间的间距介于3μm～6μm之间。
15.可选地，所述连通微流控通道为圆环形。
16.可选地，所述圆环形的内径介于20μm～100μm之间、外径介于70μm～150μm之间。
17.可选地，所述微流控芯片的长度介于0.9cm～1.1cm之间、宽度介于0.9cm～1.1cm之间、 厚度介于4mm～6mm之间。
18.本发明还提供一种用于采样与检测的液滴式微流控采样针的制备方法，该制备方法用于 制备上述用于采样与检测的液滴式微流控采样针，所述制备方法包括如下步骤：
19.1)提供硅基片，通过微加工工艺光刻、刻蚀在所述基片表面形成微流控通道，所述微流 控通道的端部形成有进样口、出样口及油相输入口；
20.2)提供密封基片，激光切割所述密封基片形成与所述基片上的所述进样口、出样口及油 相输入口位置对应的开孔。
21.3)将所述密封基片的所述开孔与所述基片上的所述进样口、出样口、油相输入口对准后 键合形成键合体，以密封所述微流控通道，并实现所述基片上的所述微流控通道通过所述密 封基片开孔与外部管道结合；
22.4)刻蚀所述键合体形成所述针头与所述微流控芯片；
23.5)通过所述开孔注入疏水试剂使所述微流控通道疏水化，再将所述针尖部分的所述毛细 采样通道中的所述疏水试剂剥离，以使其恢复亲水化。
24.可选地，步骤5)中所述疏水试剂为硅烷化试剂；采用氢氧化钾溶液将所述针尖部分的 所述微流控通道中的所述疏水试剂剥离。
25.如上所述，本发明的用于采样与检测的液滴式微流控采样针及其制备方法，在分辨率、 安全性、高通量、多功能性和集成度方面具有很大优势。首先，水相样品由疏水通道中不混 溶的油以液滴的形式携带，使得每个时刻所采集的样品分隔开输运，这种互不干扰的输运存 储方式既防止了污染，也克服了泰勒分散引起的信号失真，保证较高的时间分辨率，为在大 脑精确位置捕捉神经化学物质随时间快速演化的趋势提供了一个有力的工具；其次，针尖部 分采样处由于局部亲疏水的设计使水相样品在通道内形成拉普拉斯压力，实现只有水相可以 通过毛细采样通道，而阻止油相泄露至毛细采样通道外的功能，以此保护采样环境不被污染， 提高采样的安全性；再者，具有成熟的硅微加工工艺可加工出小尺寸的针尖部分，能够保证 较小的采样面积，因此提高针头的空间分辨率，同时采样液滴的体积大幅减小(基于现在的 加工工艺采样液滴的体积可减小到皮升级别)，从而降低所需样本量和对被采样对象的影响， 液滴也可以被操纵着在线混合反应，这种成百上千的样品采集和检测使得本发明具有高通量 的优势；最后，本实施例的针头可结合后端检测设备实现荧光、电化学、质谱等检测功能， 将整个采样与检测过程闭环，使检测集成度大幅提高，从而提高检测效率，可助力精准医疗 和脑科学发展。
附图说明
26.图1显示为本发明的用于采样与检测的液滴式微流控采样针的立体结构示意图。
27.图2显示为本发明用于采样与检测的液滴式微流控采样针的平面结构示意图。
28.图3显示为本发明用于采样与检测的液滴式微流控采样针的针身部分与针尖部分的连接 结构示意图。
29.图4显示为本发明用于采样与检测的液滴式微流控采样针的进样液滴生成处的结构示意 图。
30.图5显示为本发明用于采样与检测的液滴式微流控采样针生成采样液滴的过程示意图。
31.图6显示为本发明用于采样与检测的液滴式微流控采样针用以实现药物输出的过程示意 图。
32.图7显示为本发明用于采样与检测的液滴式微流控采样针用以实现生成的采样液滴在线 与检测试剂生成的液滴混合反应生成反应液滴的过程示意图。
33.图8至图14显示为本发明用于采样与检测的液滴式微流控采样针的制备过程中各步骤的 结构示意图。
34.元件标号说明
[0035]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
基片
[0036]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
密封基片
[0037]
10
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微流控芯片
[0038]
101
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进样口
[0039]
102
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出样口
[0040]
103
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油相输入口
[0041]
104
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进样微流控通道
[0042]
105
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出样微流控通道
[0043]
106
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
油相微流控通道
[0044]
107
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检测区
[0045]
20
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针头
[0046]
21
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针身部分
[0047]
211
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进液微流控通道
[0048]
212
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
出液微流控通道
[0049]
213
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
连通微流控通道
[0050]
22
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针尖部分
[0051]
221
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毛细采样通道
[0052]
30
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采样区域
[0053]
31
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采样液滴
[0054]
32
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反应液滴
[0055]
301
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光刻胶层
[0056]
302
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微流控通道
[0057]
303
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开孔
[0058]aꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
进样液滴生成处
[0059]bꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
液滴
具体实施方式
[0060]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。
[0061]
请参阅图1至图14。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明 的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状 及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件 布局型态也可能更为复杂。
[0062]
如图1至图4所示，本实施例提供一种用于采样与检测的液滴式微流控采样针，所述液 滴式微流控采样针是由基片1与密封基片2键合而成，包括：微流控芯片10和连接于所述微 流控芯片10前端的针头20；
[0063]
如图1及图2所示，所述微流控芯片10包括贯通所述密封基片2的进样口101、出样口 102、油相输入口103及与其对应连通且设置于所述基片1上的进样微流控通道104、出样微 流控通道105、油相微流控通道106和检测区107，且所述检测区107设置于所述出样微流控 通道105上；其中，所述进样微流控通道104的末端与所述油相微流控通道106连通；
[0064]
如图2所示，所述针头20包括针身部分21及针尖部分22；
[0065]
如图1及图3所示，所述针身部分21包括设置于所述基片1上的两个互相平行的进液微 流控通道211及出液微流控通道212及连通其的连通微流控通道213；其中，所述进液微流 控通道211与所述油相微流控通道106连通，所述出液微流控通道212与所述出样微流控通 道105连通；
[0066]
如图3所示，所述针尖部分22包括设置于所述基片1上且与所述连通微流控通道213连 通的若干个互相平行的毛细采样通道221；
[0067]
所述进样微流控通道104、所述出样微流控通道105、所述油相微流控通道106、所述检 测区107、所述进液微流控通道211、所述出液微流控通道212及所述连通微流控通道213为 疏水通道；所述毛细采样通道221为亲水通道。
[0068]
如图5所示，本实施例的用于采样与检测的液滴式微流控采样针可以实现在采样区域30 对水相样品以采样液滴31的形式进行运输、检测及存储的功能，具体步骤如下：
[0069]
如图5-1，提供本实施例所述的用于采样与检测的液滴式微流控采样针；
[0070]
如图5-2，施加负压将油相溶液通过所述油相输入口103并经所述油相微流控通道106 填充至所述针头20；
[0071]
如图5-3及5-4，水相样品从所述采样区域30进入所述毛细采样通道221并在所述连通 微流控通道213中汇聚；
[0072]
如图5-5，进入所述连通微流控通道213中的水相样品被油相分隔成采样液滴31，使所 述采样液滴31为油包水形式的采样液滴，所述采样液滴31的形成方式具体为：当毛细采样 通道221中的水相样品与油相微流控通道106中的油相溶液在连通微流控通道213处
汇聚， 从而两种不相溶的液体在连续相的剪切力以及分散相自身表面张力作用下，分散相破裂形成 相互独立的液滴，被油相溶液包裹，采样液滴31的大小和产生速率与油相微流控通道106与 毛细采样通道221中液体的流速相关，采样液滴31的尺寸可由施加的压力控制，通常直径在 10μm～100μm之间，从而可实现皮升体积液体的采样；
[0073]
如图5-6，所述采样液滴31向后运输经所述出液微流控通道212进入所述出样微流控通 道及所述检测区107以实现对所述采样液滴31的检测和存储，通过步骤5-5的液滴采样，并 使用本步骤的液滴保存和运输不同时间、空间、化学信息的样品，抑制直接运输过程中的泰 勒分散效应，保证信号被完整无损地运输到检测端实现高分辨率检测。
[0074]
如图6所示，本实施例的用于采样与检测的液滴式微流控采样针还可以对采样区域30实 现药物以液滴b的形式输出的功能，具体步骤如下：
[0075]
如图5-1及5-2，先通过负压将油相通过所述油相输入口103并经所述油相微流控通道 106填充至所述针头20；
[0076]
如图4及图6-1，将药物通过所述进样口101并经过所述进样微流控通道104进入所述进 样液滴生成处a生成液滴b，且所述液滴b经所述进液微流控通道211进入所述连通微流控 通道212；
[0077]
如图6-2，所述液滴b进入所述毛细采样通道221；
[0078]
如图6-3，所述液滴b经所述毛细采样通道221输出。
[0079]
如图7所示，本实施例的用于采样与检测的液滴式微流控采样针还可以实现将生成的采 样液滴31在线与检测试剂生成的液滴b混合反应生成反应液滴32并进行运输、检测及存储 的功能，具体步骤如下：
[0080]
如图5-1及5-2，先通过负压将油相通过所述油相输入口103并经所述油相微流控通道 106填充至所述针头20；
[0081]
如图4及图7-1，将检测试剂通过所述进样口101并经过所述进样微流控通道104进入所 述进样液滴生成处a生成液滴b，且所述液滴b经所述进液微流控通道211进入所述连通微 流控通道212；
[0082]
如图7-2，由检测试剂生成的所述液滴b与从采样区域30采集的所述采样液滴31混合 反应生成反应液滴32；
[0083]
如图7-3，所述反应液滴32向后运输经所述出液微流控通道212进入所述出样微流控通 道及所述检测区107以实现对所述反应液滴32的检测(可以为光学荧光检测、质谱检测等) 和存储。
[0084]
与现有的水相样品采样系统相比，本实施例提供的用于采样与检测的液滴式微流控采样 针在分辨率、安全性、高通量、多功能性和集成度方面具有很大优势。首先，水相样品由疏 水通道中不混溶的油以液滴的形式携带，使得每个时刻所采集的样品分隔开输运，这种互不 干扰的输运存储方式既防止了污染，也克服了泰勒分散引起的信号失真，保证较高的时间分 辨率，为在大脑精确位置捕捉神经化学物质随时间快速演化的趋势提供了一个有力的工具； 其次，针尖部分采样处由于局部亲疏水的设计使水相样品在通道内形成拉普拉斯压力，实现 只有水相可以通过毛细采样通道，而阻止油相泄露至毛细采样通道外的功能，以此保护采样 环境不被污染，提高采样的安全性；再者，具有成熟的硅微加工工艺可加工出小尺寸的针尖 部分，能够保证较小的采样面积，因此提高针头的空间分辨率，同时，
所述基片1表面形成微流控通道302，所述微流控通道302的端部形成有进样口、出样口及 油相输入口。所述微流控通道302后续即为所述液滴式微流控安全采样针的进样微流控通道 104、出样微流控通道105、油相微流控通道106、进液微流控通道211、出液微流控通道212、 连通微流控通道213及毛细采样通道221。
[0093]
作为示例，形成所述微流控通道302的步骤包括：先于所述基片1上涂覆光刻胶层301 (如图8所示)；然后对所述光刻胶层301进行图形化，形成图形化的光刻胶层(如图9所 示)；接着基于所述图形化的光刻胶层刻蚀所述基片1，优选采用深反应离子刻蚀的方法刻 蚀所述基片1，以形成所述微流控通道302(如图10所示)；最后去除所述图形化的光刻胶 层(如图11所示)。
[0094]
如图12所示，接着进行步骤2)，提供密封基片2，使用激光切割的方法在所述密封基 片2形成开孔303，所述开孔303与所述基片1上的所述进样口、出样口及油相输入口一一 对应。
[0095]
如图13所示，接着进行步骤3)，将所述密封基片2的所述开孔303与所述基片1上的 所述进样口、出样口、油相输入口对准后键合形成键合体，以密封所述微流控通道302，并 实现所述基片1上的所述微流控通道302通过所述密封基片开孔303与外部管道结合。
[0096]
如图14所示，接着进行步骤4)，刻蚀所述键合体形成所述针头20与所述微流控芯片 10。例如可采用激光切割的方法刻蚀所述键合体，如图14中的刻蚀轮廓线c，形成所述针头 20与所述微流控芯片10的轮廓形状。
[0097]
最后进行步骤5)，通过所述开孔303注入疏水试剂使所述微流控通道302疏水化，再 将所述针尖部分22的所述微流控通道302中的所述疏水试剂剥离，以使其恢复亲水化，从而 使所述微流控针头中除所述毛细采样通道221之外的所有通道为疏水通道，所述毛细采样通 道221为亲水通道。
[0098]
作为示例，所述疏水试剂为硅烷化试剂；采用氢氧化钾溶液将所述针尖部分22的所述微 流控通道中的所述疏水试剂剥离。本实施例中选择于所述微流控通道302中通入所述硅烷化 试剂后在120℃下烘烤1小时使所述微流控通道302疏水化，另外通过在所述针尖部分22的 所述微流控通道中注入氢氧化钾溶液来剥离硅烷层，以使所述针尖部分22的所述微流控通道 恢复到亲水状态。
[0099]
综上所述，本发明提供一种用于采样与检测的液滴式微流控采样针及其制备方法，该微 流控针头在分辨率、安全性、高通量、多功能性和集成度方面具有很大优势。首先，水相样 品由疏水通道中不混溶的油以液滴的形式携带，使得每个时刻所采集的样品分隔开输运。这 种互不干扰的输运存储方式既防止了污染，也克服了泰勒分散引起的信号失真，保证了较高 的时间分辨率，为在大脑精确位置捕捉神经化学物质随时间快速演化的趋势提供了一个有力 的工具；其次，针尖部分采样处由于局部亲疏水的设计使水相样品在通道内形成拉普拉斯压 力，实现只有水相可以通过毛细采样通道，而阻止油相泄露至毛细采样通道外的功能，以此 保护采样环境不被污染，提高采样的安全性；再者，成熟的硅微加工工艺可加工出小尺寸的 针尖部分，能够保证较小的采样面积，因此提高针头的空间分辨率。同时，采样液滴的体积 大幅减小(基于现在的加工工艺采样液滴的体积可减小到皮升级别)，从而降低所需样本量和 对被采样对象的影响，液滴也可以被操纵着在线混合反应，这种成百上千的样品采集和检测 使得本发明具有高通量的优势；最后，本实施例的针头可
结合后端检测设备实现荧光、电化 学、质谱等检测功能，将整个采样与检测过程闭环，使检测集成度大幅提高，从而提高检测 效率，可助力精准医疗和脑科学发展。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具 高度产业利用价值。
[0100]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。