液滴制备装置及方法与流程

1.本发明涉及生物芯片技术领域，特别涉及一种液滴制备装置及方法。


背景技术：

2.现有的一种数字pcr(聚合酶链式反应)液滴制备技术中，采用液滴生成装置生成液滴，该液滴生成装置中，包括芯片，芯片设置在腔体内，通过腔体向芯片内施加的压力变化，以使得芯片内形成液滴。但是，由于仅通过压力调节控制液滴的生成，会产生压力波动问题，液滴生成质量不理想，存在液滴大小不均一等问题。
3.因此，如何改善液滴生成质量，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种液滴制备装置及方法，能够改善液滴生成质量。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种液滴制备装置，包括腔体、芯片、压力检测单元、温控模块、下压装置和小孔帽；所述芯片、所述温控模块和所述压力检测单元均设于所述腔体内，所述温控模块用于调节所述芯片内的温度值，所述压力检测单元用于检测所述腔体内的压力数据；所述芯片的顶部具有进样口和储油口两个芯片端口；所述小孔帽具有沿上下方向贯穿的通气孔，且所述小孔帽在下压力的作用下可上下弹性形变，以改变所述通气孔的体积；
7.在所述小孔帽直接连接于所述储油口的状态下，所述通气孔与所述储油口连通，所述下压装置通过升降运动以打开或封盖所述通气孔的顶端，从而对应打开或封盖所述储油口，且在所述下压装置封盖所述储油口的状态下，所述腔体可经所述进样口向所述芯片内施加正压力，以使所述芯片内形成压力差。
8.优选地，还包括通气帽，所述通气帽在直接连接于所述进样口的状态下，所述通气帽的内侧面与所述芯片上靠近所述进样口部分的外侧面之间形成进气通道，所述进气通道的底端为进口端且顶端与所述进样口连通。
9.优选地，所述通气帽与所述小孔帽可在两个所述芯片端口之间切换连接；在所述通气帽与所述小孔帽分别连接于两个所述芯片端口的状态下，所述小孔帽的顶面高于所述通气帽的顶面，所述下压装置通过下压封盖所述通气孔的顶面，以封盖所述小孔帽所直接连接的所述芯片端口，而另一个所述芯片端口与所述腔体连通；
10.其中，在所述通气帽直接连接于所述通气帽的状态下，所述通气帽的内侧面与所述芯片上靠近所述储油口部分的外侧面之间形成出气通道，所述出气通道的底端为出口端且顶端与所述储油口连通。
11.优选地，在所述小孔帽所直接连接的所述芯片端口的顶面上，部分面积被所述小孔帽覆盖，其余面积与所述通气孔对齐连通。
12.优选地，所述芯片包括进口臂、出口臂和设于所述进口臂的底端、所述出口臂的底
端之间的底臂，以使进口臂、出口臂和所述底臂形成u形结构，所述进口臂的顶端为所述进样口，所述出口臂的顶端为所述储油口。
13.优选地，所述芯片贴合压在所述温控模块的顶面上。
14.一种液滴制备方法，应用如上液滴制备装置，所述方法包括：
15.实时接收所述压力检测单元检测的压力数据；
16.判断所述压力数据是否超过预设压力范围，若是，执行选定的调节步骤，以使所述芯片中的实际液滴大小等于所述预设压力值下的液滴大小；
17.其中，至少一个所述调节步骤为第一调节步骤，所述第一调节步骤为：仅控制所述温控模块调节温度值。
18.优选地，在所述小孔帽直接连接于所述储油口且所述下压装置封盖所述通气孔的状态下，至少一个所述调节步骤为第二调节步骤，所述第二调节步骤为：仅调节所述下压装置对所述小孔帽的下压力。
19.优选地，在所述小孔帽直接连接于所述储油口且所述下压装置封盖所述通气孔的状态下，至少一个所述调节步骤为第三调节步骤，所述第三调节步骤为：控制所述温控模块调节温度值，同时调节所述下压装置对所述小孔帽的下压力。
20.优选地，在所述小孔帽直接连接于所述进样口的状态下，在进行所述实时接收所述压力检测单元检测的压力数据之前，还包括：
21.控制所述下压装置封盖所述通气孔以封盖所述进样口，通过所述腔体向所述储油口提供负压，以使所述芯片内形成压力差。
22.本发明提供的液滴制备装置，包括腔体、芯片、压力检测单元、温控模块、下压装置和小孔帽；芯片、温控模块和压力检测单元均设于腔体内，温控模块用于调节芯片内的温度值，压力检测单元用于检测腔体内的压力数据；芯片的顶部具有进样口和储油口两个芯片端口；小孔帽具有沿上下方向贯穿的通气孔，且小孔帽在下压力的作用下可上下弹性形变，以改变通气孔的体积。
23.在小孔帽直接连接于储油口的状态下，通气孔与储油口连通，下压装置通过升降运动以打开或封盖通气孔的顶端，从而对应打开或封盖储油口，且在下压装置封盖储油口的状态下，腔体可经进样口向芯片内施加正压力，以使芯片内形成压力差。
24.该液滴制备装置中，压力检测单元可实时检测压力数据，可以控制温控模块调节温度值和/或调节下压装置的下压情况，以调节液滴制备过程中液滴生成的速度、大小，以抵消当前压力数据不同于预设压力数据对液滴进行的影响，可改善液滴生成质量。之后，通过下压装置的缓慢上升，直至离开小孔帽，使得进样口和储油口的压差处于平衡状态，此时，液滴停止制备及移动，再通过腔体内的排气孔放气后，使腔体内压差与外界平衡。此时大量液滴会均一快速制备完成。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
26.图1为本发明所提供的液滴制备装置的一种具体实施方式的结构示意图；
27.图2为本发明所提供的液滴制备装置中芯片的一种具体实施方式中液滴存储腔的俯视图；
28.图3为理想状态下的腔体压力控制曲线；
29.图4为实际腔体压力控制曲线。
30.附图标记：
31.通气帽1，进气通道11，小孔帽2，通气孔21，芯片3，进样口31，储油口32，下压装置4，腔体5，温控模块6，压板7，下压电机8。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明的核心是提供一种液滴制备装置及方法，能够改善液滴生成质量。
34.本发明所提供液滴制备装置的具体实施例一中，请参考图1和图2，包括腔体5、芯片3、压力检测单元、温控模块6、下压装置4和小孔帽2。
35.腔体5连接有压力源，密闭的腔体5内的压力可以变化，压力源可以是正压或负压装置，用于给密闭腔体5内加压或泄压，也可以在密闭腔体5上设置电磁泄压阀，结合压力源，从而精确控制密闭腔体5内的压力。芯片3、温控模块6和压力检测单元均设于腔体5内，具体地，温控模块6、压力检测单元位于芯片3外侧。
36.芯片3具体为微流体芯片。芯片3的顶部具有进样口31和储油口32两个芯片端口。腔体5内部形成压力工作腔，压力工作腔可通过其连通的芯片端口向芯片3内部提供压力。生成液滴时，芯片3的内部先充满油相。样品从进样口31加入，在压力的作用下，样品通过芯片3内部的微流道生成液滴，分散在油相中，同时部分油相进入储油口32。
37.压力检测单元用于检测腔体5内的压力数据。通常理想状态下的腔体5压力控制曲线如图3所示，压力是平稳的，上升过程中也圆滑上升，实际上，腔体5压力控制曲线会如图4所示，在某一具体压力数据上是上下波动的，具有不确定性。基于检测结果，可以对应调节相应腔体5内的压力，或者其他影响液滴生成的参数，以改善液滴质量，控制液滴快速、稳定地生成，解决压力波动带来的液滴大小不均一的问题。
38.温控模块6用于调节芯片3内的温度值，主要用来平衡腔内压力波动时带来的液滴大小变化，通过联合压力控制来达到控制液滴大小均一的目的。具体地，温控模块6可以只制冷，也可以是只制热，也可以是又能制冷又能制热。可选地，温控模块6可以在液滴生成时进行20℃～55℃的温度控制处理，一方面可增加油性流动性，促进液滴向前平铺，
39.小孔帽2具有沿上下方向贯穿的通气孔21，且小孔帽2在下压力的作用下可上下弹性形变，以改变通气孔21的体积。可选地，小孔帽2采用橡胶、例如硅橡胶，聚氨酯等弹性材料制成。本实施例中，小孔帽2直接连接于储油口32。
40.下压装置4包括驱动源和连接于驱动源底端的压板7，驱动源具体为下压电机8。驱动源通过驱动压板7上下移动，来对小孔帽2进行离开或密封小孔帽2。具体地，压板7向下移
动可压紧小孔帽2上的通气孔21，达到密封效果，使得进样口31和储油口32之间产生压力差；压板7向上移动，可离开通气孔21，解除密封，使得进样口31和储油口32之间消除压力差。其中，在下压装置4离开小孔帽2时，进样口31和储油口32可瞬间保持平衡。
41.在使用时，小孔帽2直接连接于储油口32，通气孔21与储油口32连通，下压装置4通过下移封盖通气孔21的顶端，从而封盖储油口32，封盖后，向腔体5内施加正压力，进而腔体5可经进样口31向芯片3内施加正压力，以使芯片3内形成压力差，从而使芯片3内快速形成大量液滴。
42.在液滴生成过程中，通过压力检测单元实时检测腔体5内的压力数据，当检测到的压力数据与预设压力数据不符时，可以通过温控模块6改变芯片3内的温度值，通过温度和压力联控的模式来保证液滴大小均一化。
43.另外，由于小孔帽2在压板7的压力下是可变形的，从而导致通气孔21的体积发生变化，使储油口32一端的压力发生变化。压板7与通气孔21密封接触后，进一步通过控制压板7下压的距离，可以精确控制储油口32一端的压力。压板7下压距离越大，则储油口32内的压力越大，反之，则储油口32内的压力越小。基于小孔帽2的以上特征，可以通过下压装置4的升降和压力联控的模式来保证液滴大小均一化。
44.当然，还可以通过温度、压力、下压装置4的升降三者联控来的模式(即同时调节温控模块6、下压装置4)来保证液滴大小均一化。
45.本实施例中的液滴制备装置，压力检测单元可实时检测压力数据，可以控制温控模块6调节温度值和/或调节下压装置4的下压情况，以调节液滴制备过程中液滴生成的速度、大小，以抵消当前压力数据不同于预设压力数据对液滴进行的影响，可改善液滴生成质量。之后，通过下压装置4的缓慢上升，直至离开小孔帽2，使得进样口31和储油口32的压差处于平衡状态，此时，液滴停止制备及移动，再通过腔体5内的排气孔放气后，使腔体5内压差与外界平衡。此时大量液滴会均一快速制备完成。
46.进一步地，该液滴制备装置还包括通气帽1，通气帽1直接连接于。如图1所示，通气帽1的内侧面与芯片3上靠近进样口31部分的外侧面之间形成进气通道11，进气通道11的底端为进口端且顶端与进样口31连通。可选地，通气帽1可以为弹性体，也可以为硬质物体，可以为塑料件，也可以为金属件。
47.本实施例中，腔体5内的空气可以通过进气通道11底端进入，再从进气通道11顶端进入进样口31，驱动样品进入芯片3内部。通气帽1确保了腔体5内压力可以通过其进气通道11进入进样口31，同时，通气帽1限定了腔体5的气体经位于进气通道11位于下方的进口端进入，能够避免大量非期望的物质从上方掉入进样口31、影响液滴制备及污染芯片3，可达到防尘防污染的目的。
48.进一步地，在通气帽1与小孔帽2分别连接于两个芯片端口的状态下，小孔帽2的顶面高于通气帽1的顶面，下压装置4通过下压封盖通气孔21的顶面，以封盖小孔帽2所直接连接的芯片端口，而另一个芯片端口与腔体5连通。由于通气帽1比小孔帽2高度要低，方便下压装置4下压后，只密封通气孔21以及其直接连接的芯片端口，而另一芯片端口和腔体5之间处于通气状态。
49.进一步地，在小孔帽2所直接连接的芯片端口的顶面上，部分面积被小孔帽2覆盖，其余面积与通气孔21对齐连通。
50.其中，通气孔21为圆柱孔且直径优选在0.5～3mm之间，直径太小加工不易，容易堵塞，太大在芯片3从两个芯片端口泄压时容易造成液滴回流。
51.本实施例中，通气孔21的面积小于储油口32，可以防止大颗粒物质掉入芯片3，对液滴制备产生影响，同时，通气孔21还可以防止在下压装置4上升过程中，储油口32空腔体5积变化过大带来的液滴融合。
52.进一步地，芯片3包括进口臂、出口臂和设于进口臂的底端、出口臂的底端之间的底臂，以使进口臂、出口臂和底臂形成u形结构，进口臂的顶端为进样口31，出口臂的顶端为储油口32，结构简单。具体地，进口臂、出口臂的顶端高度相同。
53.进一步地，芯片3贴合压在温控模块6的顶面上，以避免干涉下压装置4的运动，且可以保证温控模块6对芯片3的温控效果。
54.本发明所提供的液滴制备装置，在腔体5给芯片3增压之前，通过下压装置4对小孔帽2的通气孔21进行密封，腔体5内增压后，腔体5内部形成的压力可为进样口31向芯片3内提供压力，通过芯片3两端形成压力差的方式，在压力的作用下，芯片3内可快速形成大量液滴，通过调节腔体5内的压力数据，温控模块6的温度值，及下压装置4的下压距离等，可调节液滴生成速度，可在短时间内形成大量均一、稳定的液滴。
55.本实施例中的液滴制备装置，能够有效提高液滴生成速度，在短时间内生成大量的液滴，满足高通量试验需求，有效降低回流现象发生，能够使装置本身对微流体芯片的结构要求降低，更易实现微流体芯片的低成本化和易加工性，同时，能够使液滴通过动态平衡控制，保证压力的平稳上升和下降，生成的液滴大小更加均一，检测结果更加可靠。
56.本发明所提供液滴制备装置的具体实施例二中，在实施例一的基础上，通气帽1与小孔帽2可在两个芯片端口之间切换连接。具体地，除了实施例一中通气帽1与小孔帽2在两个芯片端口上的连接方式一，还包括通气帽1直接连接于储油口32、小孔帽2直接连接于进样口31的连接方式二。
57.在连接方式二下，通气帽1的内侧面与芯片3上靠近储油口32部分的外侧面之间形成出气通道，出气通道的底端为出口端且顶端与储油口32连通，小孔帽2连通进样口31。另外，小孔帽2的顶面高于通气帽1的顶面，下压装置4通过下压封盖通气孔21的顶面，以封盖进样口31。
58.液滴生成时，下压装置4通过下压封盖通气孔21，腔体5内的压力先变为负压，储油口32压力降低，以使进样口31和储油口32之间形成压差，样品从进样口31进入微流道形成液滴，油相进入储油口32，然后进样口31端进行泄压，完成液滴生成过程。
59.除了上述液滴制备装置，本发明还提供了一种液滴制备方法，该液滴制备方法应用液滴制备装置，液滴制备装置具体可以为以上任一实施例中提供的液滴制备装置，有益效果可以相应参考以上各个实施例。
60.该液滴制备方法包括：
61.实时接收压力检测单元检测的压力数据；
62.判断压力数据是否超过预设压力范围，若是，执行选定的调节步骤，以使芯片3中的实际液滴大小等于预设压力值下的液滴大小；
63.其中，至少一个调节步骤为第一调节步骤，第一调节步骤为：仅控制温控模块6调节温度值。
64.具体地，在选定第一调节步骤时，执行第一调节步骤具体包括：
65.当实时测得的腔体5内的实际压力数据比压力偏离最大设置值高的时候，降低温控模块6的温度，使液滴流动变慢，达到使液滴大小与预设压力数据一致时的大小的目的；
66.当实时测得实际腔体5内压力数据比压力偏离最小设置值低的时候，会通过升高温控模块6的温度，使液滴流动变快，达到使液滴大小与预设压力数据一致时的大小的目的。
67.其中，预设压力数据为预设压力范围内的一个值，压力偏离最大设置值为预设压力范围的最大值，压力偏离最小设置值为预设压力范围的最小值，压力偏离最小设置值＜预设压力数据＜压力偏离最大设置值。另外，每个时刻预设压力数据、预设压力范围可以根据需要进行设置，可以是相同的，也可以是不同的。
68.进一步地，在小孔帽2直接连接于储油口32且下压装置4封盖通气孔21的状态下，至少一个调节步骤为第二调节步骤。第二调节步骤为：仅调节下压装置4对小孔帽2的下压力。
69.具体地，在选定第二调节步骤时，通过调节压板7的下压距离来改善液滴生成质量。
70.执行第二调节步骤具体包括：
71.在实时测得实际压力数据比压力偏离最大设置值高的时候，下降压板7，小孔帽2被压缩，使通气孔21的空气体积变小压强增大，进而芯片3的进出口两端的压力差变小，从而使液滴流动变慢，达到使液滴大小与预设压力数据一致时的大小的目的；
72.在实时测得实际压力数据比压力偏离最小设置值低的时候，上升压板7，使通气孔21的空气体积变大压强减小，使得芯片3的进出口两端的压力差变大，从而使液滴流动变快，达到使液滴大小与预设压力数据一致时的大小的目的。
73.进一步地，在小孔帽2直接连接于储油口32且下压装置4封盖通气孔21的状态下，至少一个调节步骤为第三调节步骤。第三调节步骤为：控制温控模块6调节温度值，同时调节下压装置4对小孔帽2的下压力。
74.具体地，在选定第三调节步骤时，通过同时控制温控模块6的温度值和调节压板7的下压距离来改善液滴生成质量。
75.执行第三调节步骤具体包括：
76.在实时测得实际压力数据比压力偏离最大设置值高的时候，下降压板7，使通气孔21的空气体积变小，同时降低温控模块6的温度，使液滴流动变慢，达到使液滴大小与预设压力数据一致时的大小的目的；
77.在实时测得实际压力数据比压力偏离最小设置值低的时候，上升压板7，使通气孔21的空气体积变大，同时升高温控模块6的温度，使液滴流动变快，达到使液滴大小与预设压力数据一致时的大小的目的。
78.其中，温控模块6和压板7控制方法可以根据实际的液滴生成条件进行测试获得。具体地，温控模块6的温度调节方法可以根据不同的芯片3结构、油相组成等因素实际测试得到，下降压板7相对小孔帽2的下降距离压缩量，可以根据不同小孔帽2结构等因素实际测试得到。
79.进一步地，在小孔帽2直接连接于进样口31的状态下，在进行实时接收压力检测单
元检测的压力数据之前，该方法还包括：控制下压装置4封盖通气孔21以封盖进样口31，通过腔体5向储油口32提供负压，以使芯片3内形成压力差。
80.在以上各个实施例的基础上，针对液滴大小，可以参照以下可多参数控制液滴生成的模型的经验公式进行精确控制。在液滴生成的升压阶段，尽可能保证实际液滴尺寸等于液滴理论值，并让实际液滴大小均一性；在液滴生成的泄压阶段，有效控制已生成的液滴在芯片3中平均分布，最大程度降低液滴回流、空气过充入，导致液滴总数量变异性大，影响结果的精准。
81.公式为：
82.r＝r-a
×
(ηt-ηt0)
×
ln(1+(p-p0))-b
×
(ηt-ηt0)
2-c
×
δd
83.式中，
84.r为液滴实际半径；
85.r为液滴理论半径＝(芯片3的微流道出口结构设计尺寸在整个液滴生成装置反应过程中的理论预期值)；
86.ηt为芯片3中的油在温控模块6升降温度时的黏度；
87.ηt0为芯片3中的油在熔点温度时的黏度；
88.p为压力检测单元在腔体5中的压力实测值(atm)；
89.p0为1标准大气压；
90.△
d以压板7与小孔帽2密封接触时为下压原点0值，再继续向下压距离为正值；
91.a、b和c为常数。
92.该公式应用在液滴生成的升压阶段：压板7与小孔帽2密封接触后，
△
d≥0时，腔体5压力开始上升，并透过压力检测单元，测得p≥1)，液滴方开始生成，并透过不断监控p的数值，同时控制
△
d的向下压或向上升，与温控模块6的温度下降与上升来取得液滴实际半径r能与液滴理论半径r一致且平均。
93.该公式应用在液滴生成的泄压阶段：腔体5压力开始下降，并透过压力检测单元，测得p值的下降状况，为确保腔体5内的液滴质量与分布平均，经过p值的动态监控，控制
△
d的上升或下降，与与温控模块6的温度下降与上升，来维持已生成的液滴能在芯片3中平均分布，减少液滴回流或空气过充入的情况，导致液滴总数量变异性大，影响结果的精准。
94.需要说明的是，当元件被称为“固定”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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。
95.术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”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。
96.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
97.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
98.以上对本发明所提供的液滴制备装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。