一种利用惯性力产生微液滴的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物技术领域，更具体涉及一种微液滴的产生装置和方法，及其应用。 技术背景
[0002] 近年来，生物技术发展对液滴化技术提出越来越高的要求：第一方面，样品低损失 需求。微量测序样品如单细胞样品（如受精卵），切片样品，癌症（如CTC细胞）样品等 稀有样品的制备、表征技术中，保持生物样品的完整性尤其重要。而且对于digital PCR， digital MDA等其他数字定量技术，保持样品的完整性达99%以上更是技术的必要条件，即 在样品处理、检测过程中需要保证尽量少的样品损失。然而，使用传统微流控芯片方案的液 滴化技术，难免产生液滴化介质残留，并导致样品中的核酸、蛋白等待分析组分损失。
[0003] 第二方面，均匀性需求。这些针对微量样品的精密制备、检测技术，又需要产生的 液滴大小均匀，不能又过大差异，导致后续实验中带来倾向性和不确定性。
[0004] 第三方面，高通量需求。随着上游样品数的不断增多，对大规模样品同时制备的需 求不断增长。现有微流芯片技术生成液滴的技术，每台仪器最多仅能使8个样品同时液滴 化，由于其繁琐的管道设计，流体控制设计，已经不能满足扩大规模，通量的需要了。
[0005] 第四方面，制冷需求。生物样品，尤其是DNA，RNA，蛋白样品比较脆弱。并且，有些 反应液配置好后，常温下便会发生反应（如MDA)，需要快速的（< IOmin)在低温（小于10 摄氏度，最好在0-4摄氏度）产生液滴。传统方法不能对微流芯片进行方便的降温，并且产 生速度也不够快。
[0006] 当液体十分微小的时候，其表现出与宏观液体截然不同的特性。比如端面尺寸 10 XlOym微通道中，流体处于层流状态，传热和传质都与常规的宏观流体，比如常见的实 验室烧杯或1厘米端面的橡胶管中不同。一直以来，快速精确的产生微米级别的液滴是一 项巨大的工程挑战。微流控芯片可以快速产生直径可控的液滴，但是其设备复杂，成本较 高。喷墨技术可以产生高速的液滴，但是其液滴直径均匀性不好，并且需要喷墨装置，不适 合普通的生物化学实验室。因此，发展便捷的快速产生均匀的小液滴，例如300微米以下， 具有十分重要的生物化学意义。
[0007] 本发明提供的基于高惯性力产生的液滴的技术，很好的满足了上述四点需求。1) 无残留。全部液滴在离心机的高离心力场中，完全经由液滴化口，产生液滴，不会产生残留。 2)可控单分散。全部液滴产生液滴的平衡态均相同，所以液滴尺寸精确相同，并且重复性 好，可控范围大，没有液体湍流等影响。3)高通量。由于仅需要离心力即可产生液滴，仅需 一台常规桌上离心机（如 thermo PIC017，PIC0 21，eppendorf 5430R 等），使用 I. 5mL 离心 管收集便可同时使24个样品的液滴化，进一步如果使用8联排管、96孔板、384孔板、甚至 1536孔板的形式，并加以堆叠，很容易使用一台离心机，同时实现几千甚至上万个独立的样 品的液滴化。
【发明内容】
[0008] 本发明针对现有技术的不足，提出一种简单的等大水相液滴产生新方法。利用惯 性力驱动液滴化介质，穿过微孔道，在流出空道口后断裂，产生液滴，并落在收集介质中。与 产生液滴接触的液体可以为空气或低密度的异相。
[0009] 液滴在惯性力条件下的断裂，满足一个明确的物理过程：当液滴所受地球引力大 于最薄弱处的表面张力时，液滴断裂。利用确定的惯性力常数，这个原理被普遍应用在测定 溶液表面张力上，称为滴液法，尺寸由〇· 5-2mm不等。而使用变化的惯性力和调整张力，来 高速产生小体积，5-200 μ m直径的液滴，不仅仅利用了表面张力的原理，更具备广阔的生物 化学意义。均匀的微小液滴，在生物或者化学的检测方面，具备了巨大的潜力。
[0010] 本发明中，所称的加速度指的是，在外界非自然力的作用下，例如向心力、牵引力， 使得液体受到加速度方向相反的力，从而使得液体有向相反于加速度方向运动的趋势。本 发明中，第一液体受到惯性力的作用，通过液滴化装置形成液滴。第一液体也称之为液滴化 介质。
[0011] 本发明一种液滴的产生装置，其特征在于，包含加速度产生装置，其用于产生向心 加速度；包含第一液体；包含液滴化装置，其具备微通道，第一液体在加速度产生装置的作 用下通过液滴化装置的微通道产生5-300 μ m直径的液滴；包含收集装置，其用于收集产生 的液滴；其中，第一液体在液滴化装置出口部分的表面呈疏水态。其中所述微通道的内径为 1-100 μ m，长度为 0· l-lOmm。
[0012] 本发明提供一种液滴的产生方法，其特征在于，包含加速度产生装置，其用于产生 向心加速度；包含第一液体；包含液滴化装置，其具备微通道，第一液体在加速度产生装置 的作用下通过液滴化装置的微通道产生5-300 μ m直径的液滴；包含收集装置，其用于收集 产生的液滴；其中，第一液体在液滴化装置出口部分的表面呈疏水态。其中所述微通道的内 径为 1-100 μ m，长度为 0· l-10mm。
[0013] 其中第一液体指的是常见的低粘度的液体或溶液。比如第一液体是水、细胞培养 液、乙醇等物质的溶液，或者液体中包含细胞、DNA、RNA或者蛋白质的组合。
[0014] 液滴化装置是带微通道的装置。比如常见的毛细管、带小孔的膜或者带小孔的板； 毛细管的内径或者小孔的直径为1-100 μm ;液滴化装置的材料可为无机材料如：玻璃，石 英，硅；或常见有机塑料材料如：聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸，聚酰胺，聚乙烯，聚氯 乙稀，聚丙烯；含氟塑料如聚四氟乙烯，PVDF等。
[0015] 根据进一步优选的技术方案，所述小孔为圆孔或者多边形孔；所述方孔的内径即 其边长为1-100 μ m。
[0016] 根据进一步优选的技术方案，所述液滴的直径为10-250 μ m，优选20-200微米；所 述微通道的内径为2-90微米，优选5-50微米；微通道的长度为0. 5-6mm，优选l-5mm。
[0017] 根据进一步优选的技术方案，液滴化装置是1，2,.....η个，其中η是大于2的整 数。
[0018] 根据进一步优选的技术方案，收集装置是离心收集管。
[0019] 根据进一步优选的技术方案，更进一步还可以包括第一液体的储存装置，其用于 储存第一液体。
[0020] 更进一步还可以包括第二液体，位于收集装置内，用于收集产生的第一液体的液 滴，所述液滴化装置的出口的部分和第二液体不接触。第一液体在转化成液滴前和转化成 液滴中不与第二液体接触。
[0021] 根据进一步优选的技术方案，所述的加速度产生装置为离心机。
[0022] 根据进一步优选的技术方案，所述加速度可以是恒定的或者变化的。
[0023] 根据进一步优选的技术方案，所述微通道为直的或弯曲的。
[0024] 根据进一步优选的技术方案，液滴化装置为前端有开口的管状物或锥状物。
[0025] 根据进一步优选的技术方案，更进一步包括延迟介质或者延迟装置。
[0026] 根据进一步优选的技术方案，液滴化装置和储存装置是一个整体。
[0027] 根据进一步优选的技术方案，液滴化装置材料为无机材料、有机材料或复合材料。 无机材料为玻璃，石英，陶瓷，金属中的一种。有机材料为聚苯乙烯，聚醚醚酮，聚酯高分子 材料中的一种。复合材料是一种或多种所述有机材料和/或无机材料的混合物。
[0028] 根据进一步优选的技术方案，所述液滴化装置的全部或者仅出口部分经过疏水和 /或亲水表面处理，使得第一液体在液滴化装置出口部分的表面呈疏水态；表面处理的方 法有：直接覆涂，化学反应修饰，化学沉积等。
[0029] 根据需求，可以不包括第一液体的储存装置，例如利用毛细管作为液滴化装置，毛 细管本身就可以储存一定量的液体，如图1所示。根据需求，可以更进一步包括第一液体的 储存装置，其可以是和液滴化装置不同的材质；也可以是和液滴化装置相同的材质，并且可 以和液滴化装置形成一个整体。
[0030] 第二液体也称为收集介质，其主要有以下几个作用：
[0031] (1)不与水相互溶。
[0032] (2)提供浮力，大幅减少液滴收到的重力，保持产生的液滴不因离心力破裂，融合。
[0033] (3)提供粘度，降低液滴下降速度，缓冲液滴，避免融合。
[0034] 提供活性剂，稳定液滴。
[0035] (4)密度小于液滴化相，可以让水相液滴沉降到收集介质底部，避免与上方新产生 的下落液滴碰撞，产生融合。
[0036] (5)防止水分蒸发。在后续实验，如PCR过程中防止水分蒸发
[0037] (6)作为成像介质、后续分析，荧光采集等的流动相。
[0038] 产生液滴用的装置即液滴化装置，最简单的液滴化装置是毛细管。毛细管可由一 根或多条组成。可由一根毛细管或多跟毛细管构成，也可采用多孔毛细管或多孔膜、多孔 板，如图2所示。
[0039] 细管的制造可由机械加工，机械加工后拉制，湿法腐蚀，干法腐蚀等工艺，配套有 切割、抛光等工序完成。
[0040] 细管材料可为无机材料如：玻璃，石英，硅；或常见有机塑料材料如：聚苯乙烯，聚 碳酸酯，聚甲基丙烯酸，聚酰胺，聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯；含氟塑料如聚四氟乙烯，PVDF 等。
[0041] 细管或细管组表面需要修饰，修饰的结果应当使液滴化介质不至于在微管管口铺 开。液滴化介质与表面的接触角应当大于90度。
[0042] 该装置整体结构分为三部分。液滴化装置（上），收集管（下）两部分组成；液滴 化管包含液滴盛放区和微管区两部分。
[