專利名稱：基于三層夾心圓盤式芯片的液滴形成和捕獲方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流控芯片技術(shù)，特別提供了一種基于三層夾心圓盤式芯 片的液滴形成和捕獲方法及其應(yīng)用。
技術(shù)背景微流控芯片是一種新興的科學(xué)技術(shù)平臺，它依托于一塊幾平方厘米的 芯片，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，可以取代常規(guī)化學(xué) 或生物實驗室的各種功能。它的基本特征是耗樣量極低，樣品處理速度快， 包括反應(yīng)、檢測在內(nèi)的多種單元技術(shù)可在微小平臺上靈活組合、規(guī)模集成。 發(fā)展至今，微流控芯片涉及的領(lǐng)域越來越廣，不斷派生出新的分支。最近在微流控芯片上發(fā)展起來一種液滴(droplet)技術(shù)，這種技術(shù)的基 本點是利用互不混溶的兩相流，在流體剪切力和界面張力的作用下，其中 的一相分散在另一相中，形成一系列單分散的液滴，每個液滴包含特定的 化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)，形成平行的微反應(yīng)器。基于液滴的微反應(yīng)器具有反 應(yīng)物的快速混合，反應(yīng)時間的精確控制，高通量，小體積等優(yōu)點，是潛在 的高通量篩選平臺。但是液滴的快速流動性增加了液滴的檢測難度，特別 是需要實時監(jiān)控反應(yīng)，需要動力學(xué)數(shù)據(jù)的分析。針對存在的問題，最近液 滴的捕獲技術(shù)越來越被重視。目前液滴的捕獲技術(shù)主要是基于幾何尺寸的 捕獲，上游產(chǎn)生的液滴流經(jīng)捕獲區(qū)域時，在各種力的作用下，進入捕獲區(qū) 域，其特點是液滴先產(chǎn)生，后捕獲。這種特點決定了必須精確控制液滴的 大小和捕獲區(qū)域匹配，過大會導(dǎo)致液滴不能進入捕獲區(qū)域，過小則會捕獲不住。此外，流體流速的微小波動會導(dǎo)致液滴大小的變化，導(dǎo)致液滴的捕 獲效率低。建立一種簡單、高效的液滴捕獲方法成為迫切的需要，尤其是對需要 實時在線檢測，需要動力學(xué)參數(shù)的分析。目前液滴內(nèi)進行的反應(yīng)主要是液-液反應(yīng)，包括酶反應(yīng)，納米材料或 微顆粒材料的合成，蛋白質(zhì)結(jié)晶等；液滴內(nèi)的氣-液反應(yīng)沒有實現(xiàn)的原因是油相阻斷了氣相與水相的接觸，反應(yīng)難以發(fā)生。如何讓液滴內(nèi)的水相與氣相充分接觸，成為實現(xiàn)液滴內(nèi)氣-液反應(yīng)的瓶頸。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供了一種基于三層夾心圓盤式芯片的液滴形成和捕 獲及其應(yīng)用。本發(fā)明提供了一種三層夾心圓盤式芯片，該芯片由上、中、下三層組成；上層是具有幾何微結(jié)構(gòu)的芯片，由儲液池l、儲液池2、幾何微結(jié)構(gòu)組 成；中層是薄膜層；下層為氣體通路芯片；所述幾何微結(jié)構(gòu)由主通道，側(cè) 通道和捕獲區(qū)域組成。本發(fā)明提供的三層夾心圓盤式芯片，所述芯片上層的材質(zhì)是玻璃，中 層薄膜是高聚物(優(yōu)選PDMS)，芯片下層的材質(zhì)是玻璃。本發(fā)明還提供了一種基于三層夾心圓盤式芯片的液滴形成和捕獲的方 法，具體步驟如下將具有幾何微結(jié)構(gòu)的PDMS-玻璃雜交芯片在真空干燥器中脫氣3-5分 鐘，然后取出，在儲液池1中加入水相，儲液池2中抽一下真空，使水溶 液充滿主通道，靜置，在PDMS的透氣作用下，水溶液進入捕獲區(qū)域，待捕獲區(qū)域充滿后，在儲液池2抽真空，主通道中的溶液被抽走，然后在儲 液池1中加入油相，油相浸潤主通道，形成油包水的液滴；PDMS-玻璃雜交芯片上水包油的液滴形成方法基本同上，由于水不浸 潤PDMS，主通道中的油相被抽走之后，向儲液池1中加入水相，然后在 儲液池2抽真空，促使水相封閉油滴。本發(fā)明提供的基于三層夾心圓盤式芯片的液滴形成和捕獲的方法，通 過改變捕獲區(qū)域的面積可以方便的形成不同大小的液滴，液滴的尺寸和捕 獲區(qū)域的尺寸高度一致；通過改變捕獲區(qū)域的形狀，形成的液滴的形狀也 會相應(yīng)的改變，可以形成圓形、方形、多邊形以及不規(guī)則形等等。本發(fā)明提供的基于三層夾心圓盤式芯片的液滴形成和捕獲的方法，通 過使用多個陣列液滴形成單元的離心圓盤式芯片，以離心力為驅(qū)動力，在 靠近圓心的每個儲液池中加入組分不同的水溶液，采用上述液滴形成和捕 獲的方法，形成不同組分的陣列液滴。本發(fā)明提供的芯片應(yīng)用于pH梯度的形成和液滴內(nèi)的氣-液反應(yīng)。本發(fā)明提供的pH梯度的形成，具體步驟如下以pH指示劑為水相，氟 化油Fc40為油相，在芯片上層形成pH指示劑的液滴，然后在下層氣體通路 中持續(xù)通入NH3， NH3透過PDMS薄膜進入液滴，并與液滴中的指示劑反應(yīng)， 液滴的堿性增加，顏色變深；隨著氨氣擴散距離的增加，氨氣的濃度降低， 液滴吸收的氨氣量減少，堿性的增加幅度減小，形成以氣體通路正上方的 液滴為中心，向兩側(cè)液滴逐漸變化的pH梯度。本發(fā)明提供的pH梯度的形成，所述pH指示劑為將濃度0.05 0.5moi/L (優(yōu)選為0.25mol/L)甲基紅水溶液、濃度0.05 0.5mol/L(優(yōu)選為0.25mol/L)溴甲酚綠水溶液和0.05 0.5mol/L (優(yōu)選為0.25mol/L)溴百里酚藍水溶液 按體積比1:1:1 1:1:30 (優(yōu)選為1:1:30)混合均勻，用鹽酸調(diào)節(jié)至酸性，即 為pH指示劑。本發(fā)明采用三層夾心圓盤式芯片，將反應(yīng)試劑分散成液滴陣列，形成 包含反應(yīng)試劑的陣列微反應(yīng)器，不同組分的反應(yīng)試劑分散成不同的液滴陣 列，下層通道通入另一種參與反應(yīng)的試劑，經(jīng)過跨膜擴散進入陣列微反應(yīng) 器內(nèi)參與反應(yīng)。本發(fā)明提供的液滴內(nèi)的氣-液反應(yīng)，具體步驟如下采用不同的金屬離 子鹽溶液為水相，F(xiàn)c40為油相，形成的不同組分的陣列液滴與與跨膜擴散 的氣體(氨氣、HC1、 11202等)發(fā)生配合反應(yīng)，實現(xiàn)了液滴內(nèi)的氣-液反應(yīng)。本發(fā)明的優(yōu)點1、 采用一種簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了液滴的原位形成和捕獲；2、 液滴形成不需要對流體流速的精確控制，避免了精密注射泵的使用；3、 液滴形成過程中不需要添加表面活性劑，避免了表面活性劑的影響；4、 液滴形成不需要對芯片通道進行表面處理，可以在未修飾的PDMS 芯片上實現(xiàn)水包油的液滴；5、 液滴的捕獲不需要控制液滴大小與捕獲區(qū)域相匹配，捕獲效率高；6、 通過PDMS薄膜使氣體與水相間接接觸，首次實現(xiàn)了微流控芯片液 滴內(nèi)的氣液反應(yīng)；7、 在同一塊芯片上實現(xiàn)了多個反應(yīng)物，多個濃度的氣-液反應(yīng)。


圖lPDMS-玻璃雜交芯片示意圖，其中1， 2為儲液池，3為主通道，4為捕獲區(qū)域，5為側(cè)通道；圖2液滴形成和捕獲的幾何微結(jié)構(gòu)示意圖，其中l(wèi)為側(cè)通道，2為捕 獲區(qū)域，3為主通道；圖3液滴形成和捕獲的過程剖面示意圖，其中a代表PDMS芯片，b 代表玻璃基片，A代表水相，B代表空氣，C代表油相，l代表主通道，2 代表捕獲區(qū)域；圖4液滴形成和捕獲的過程實物照片，其中A代表空氣，B代表亞甲基藍溶液，C代表礦物油；圖5不同大小、形狀的陣列液滴(油包水)實物照片； 圖6不同大小、形狀的陣列液滴(水包油)實物照片； 圖7多組分陣列液滴的圓盤芯片及陣列液滴實物照片； 圖8三層夾心圓盤式芯片示意圖，其中A代表上層液滴形成和捕獲單元，B代表中層PDMS薄膜，C代表下層氣體通路；圖9在三層夾心圓盤式芯片上形成的pH梯度實物照片； 圖10NiCl2液滴與氨氣反應(yīng)結(jié)果的實物照片； 圖11 CuS04液滴與氨氣反應(yīng)結(jié)果的實物照片； 圖12Fe(N03)3液滴與氨氣反應(yīng)結(jié)果的實物照片。
具體實施方式
以下實施例將對本發(fā)明予以進一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。 實施例l陣列液滴的原位形成和捕獲將圖1所示的PDMS芯片放入真空干燥器中，真空脫氣3-5分鐘，取 出后在儲液池1中加入亞甲基藍水溶液，在儲液池2用真空泵抽一下，亞甲基藍水溶液充滿主通道，形成捕獲區(qū)域的空氣泡(見圖3-l， 4-1)，由于 PDMS具有透氣性，捕獲區(qū)域的空氣緩慢進入PDMS本體，主通道內(nèi)的亞 甲基藍溶液逐漸充滿捕獲區(qū)域(見圖3-2，圖4-2)，待亞基藍溶液完全充滿 捕獲區(qū)域后，在儲液池2抽真空，主通道中的亞基藍溶液被抽走，捕獲區(qū) 域的亞基藍溶液形成水滴(見圖3-3,圖4-3)，然后再儲液池1中加入礦物 油，礦物油在毛細(xì)作用下充滿主通道，形成油包水的液滴(見圖3-4，圖4-4)。 通過改變水相和油相的添加次序，可以分別形成油包水的液滴(見圖5)和 水包油的液滴(見圖6)。采用具有多個陣列液滴形成單元的圓盤式芯片， 可以形成多種不同組分的陣列液滴(見圖7)。 實施例2陣列液滴內(nèi)pH梯度的形成將圖8所示的三層夾心圓盤式芯片放入真空干燥器中，真空脫氣3-5 分鐘，取出后在靠近圓心的儲液池中加入pH指示液，在遠離圓心的儲液池 用真空泵抽一下，pH指示液進入主通道，靜置待pH指示液充滿捕獲區(qū)域， 然后將芯片離心55秒(2500轉(zhuǎn)/分鐘)，然后再靠近圓心的儲液池中分別加 入Fc40 (氟化油)，形成Fc40包裹的pH指示液液滴。下層通道持續(xù)通入 氨氣，跨膜擴散的氨氣與pH指示液反應(yīng)，導(dǎo)致pH指示液顏色變化(見圖 9)。由于pH指示液對氨氣的吸收，氨氣的濃度沿擴散方向降低，導(dǎo)致pH 指示液液滴吸收的氨氣量不同，形成了顏色的梯度變化，即pH的梯度變化 (見圖9)。實施例3陣列液滴內(nèi)多種金屬離子與氨氣的配合反應(yīng)采用圖8所示的芯片及實施例2所述的方法，分別形成NiCl2/Fc40， CuS(VFc40和Fe(NO3)3/Fc40陣列液滴，在下層通道中持續(xù)通入氨氣，跨膜擴散的氨氣被金屬鹽溶液吸收，與金屬離子發(fā)生配合反應(yīng)，每個液滴吸收的氨氣量不同，導(dǎo)致形成了金屬離子-氨氣配合物的晶體(見圖10-3， 10-4)、溶液、沉淀等不同形態(tài)(見圖IO， 11， 12)。
權(quán)利要求
1、一種三層夾心圓盤式芯片，其特征在于該芯片由上、中、下三層組成；上層是具有幾何微結(jié)構(gòu)的芯片，由儲液池1、儲液池2、幾何微結(jié)構(gòu)組成；中層是薄膜層；下層為氣體通路芯片；所述幾何微結(jié)構(gòu)由主通道，側(cè)通道和捕獲區(qū)域組成。
2、 按照權(quán)利要求l所述三層夾心圓盤式芯片，其特征在于所述芯片上層的材質(zhì)是玻璃，中層薄膜是高聚物，芯片下層的材質(zhì)是玻璃。
3、 按照權(quán)利要求2所述三層夾心圓盤式芯片，其特征在于所述中層薄膜是PDMS。
4、 一種基于權(quán)利要求1、 2所述芯片的液滴形成和捕獲的方法，其特征在于將具有幾何微結(jié)構(gòu)的PDMS-玻璃雜交芯片在真空干燥器中脫氣3-5分鐘，然后取出，在儲液池1中加入水相，儲液池2中抽一下真空，使水溶液充滿主通道，靜置，在PDMS的透氣作用下，水溶液進入捕獲區(qū)域，待捕獲區(qū)域充滿后，在儲液池2抽真空，主通道中的溶液被抽走，然后在儲液池1中加入油相，油相浸潤通道，形成油包水的液滴；PDMS-玻璃雜交芯片上水包油的液滴形成方法基本同上，由于水不浸潤PDMS，主通道中的油相被抽走之后，向儲液池1中加入水相，然后在儲液池2抽真空，促使水相封閉油滴。
5、 按照權(quán)利要求4所述液滴形成和捕獲的方法，其特征在于通過改變捕獲區(qū)域的面積和形狀，形成不同大小和形狀的陣列液滴；通過使用具有多個陣列結(jié)構(gòu)單元的圓盤式芯片，形成不同組分的陣列液滴。
6、 權(quán)利要求l所述芯片應(yīng)用于pH梯度的形成和液滴內(nèi)的氣-液反應(yīng)。
7、 按照權(quán)利要求5所述pH梯度的形成，其特征在于以pH指示劑為水相，氟化油Fc40為油相，在芯片上層形成pH指示劑的液滴，然后在下層氣體通路中持續(xù)通入NH3， NH3透過PDMS薄膜進入液滴，并與液滴中的指示劑反應(yīng)，液滴的堿性增加，顏色變深；隨著氨氣擴散距離的增加，氨氣的濃度降低，液滴吸收的氨氣量減少，堿性的增加幅度減小，形成以氣體通路正上方的液滴為中心，向兩側(cè)液滴逐漸變化的pH梯度。
8、 按照權(quán)利要求6所述pH梯度的形成，其特征在于所述pH指示劑為將0.05 0.5mol/L甲基紅水溶液、0.05 0.5mol/L溴甲酚綠水溶液和0.05 0.5mol/L溴百里酚藍水溶液按體積比1:1:1 1:1:30混合均勻，用鹽酸調(diào)節(jié)至酸性，即為pH指示劑。
9、 按照權(quán)利要求5所述液滴內(nèi)的氣-液反應(yīng)，其特征在于采用不同的金屬離子鹽溶液為水相，F(xiàn)c40為油相，形成的不同組分的陣列液滴與跨膜擴散的氣體發(fā)生配合反應(yīng)，實現(xiàn)了液滴內(nèi)的氣-液反應(yīng)。
10、 按照權(quán)利要求9所述液滴內(nèi)的氣-液反應(yīng)，其特征在于所述跨膜擴散的氣體為氨氣、HC1、 11202中至少一種。
全文摘要
一種基于三層夾心圓盤式芯片的液滴形成和捕獲方法及其應(yīng)用，設(shè)計了一種由主通道，側(cè)通道和捕獲區(qū)域組成的幾何微結(jié)構(gòu)的芯片，利用不同寬度的通道內(nèi)的表面張力的差異誘導(dǎo)了液滴的原位形成和捕獲；本發(fā)明的優(yōu)點在于采用一種簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了液滴的原位形成和捕獲；液滴的形成不需要使用表面活性劑，避免了表面活性劑對液滴內(nèi)反應(yīng)的影響；液滴的形成不受通道表面性質(zhì)的影響，可以在未修飾的PDMS芯片上實現(xiàn)水包油的液滴；液滴的形成不需要對流體流速進行精確的控制，流體的流動采用儲液池抽真空的方式，避免了精密注射泵的使用，降低了實驗的成本；捕獲的液滴作為陣列微反應(yīng)器，首次在液滴內(nèi)實現(xiàn)了氣-液兩相的化學(xué)反應(yīng)。
文檔編號B01J19/00GK101590389SQ20091001220
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月24日
發(fā)明者張清泉, 林炳承, 秦建華 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所