專利名稱：基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流控芯片技術(shù)，特別提供了基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，高通量篩選(HTS)日益成為化學(xué)和生物學(xué)尋找靶標(biāo)分子的常規(guī)方 法，已成為新藥研發(fā)的主要方法。當(dāng)前主流的高通量篩選平臺(tái)是塑料微孔板，常用的有96、 384和1536孔?；谖⒖装宓暮Y選過程在敞開的環(huán)境中進(jìn)行，孔板中溶液的濃度受蒸發(fā)的 影響很大，分析結(jié)果準(zhǔn)確率低。開發(fā)通量高、結(jié)果準(zhǔn)確的篩選平臺(tái)已經(jīng)成為一個(gè)迫切的需 求。 微流控芯片是一個(gè)新興的技術(shù)平臺(tái)，在一塊幾平方厘米的芯片上，由網(wǎng)絡(luò)化的微 通道控制流體，完成常規(guī)化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室的各種操作。微液滴(droplet)是新近在微流 控芯片上發(fā)展起來的一種操控微小體積液體的技術(shù)，其原理為將兩種互不相溶的液體，以 其中的一種為連續(xù)相，另一種為分散相，連續(xù)相和分散相同時(shí)進(jìn)入微通道后，在微通道的作 用下，分散相以微小體積(10—15L_10—9L)單元的形式分布于連續(xù)相中，形成一系列離散的微 液滴，每個(gè)液滴作為一個(gè)微反應(yīng)器，完成一組化學(xué)或生物反應(yīng)。微液滴用于篩選具有如下優(yōu) 點(diǎn)(l)樣品消耗極微，大大降低篩選成本；(2)液滴被油包裹，與外界無物質(zhì)交換，液滴內(nèi) 的反應(yīng)條件穩(wěn)定，結(jié)果可靠。目前將微液滴用于篩選在技術(shù)上還存在一些不足，主要體現(xiàn)在 對(duì)微液滴的操控。在已有的方法中，油液(連續(xù)相)和水溶液(分散相)在注射泵的推動(dòng) 下進(jìn)入"T"型或流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu)的微通道，在油/水兩相之間表面張力和剪切力的相互作用 下，形成液滴。液滴的形成速率和大小取決于油/水兩相的流速，操作不靈活，不能準(zhǔn)確控 制單個(gè)液滴的大小和組成，而且難以同步形成多個(gè)具有不同組成的液滴，不符合高通量篩 選的要求。 人們迫切希望獲得一種將集成有氣動(dòng)微閥的微流控芯片用于控制微液滴的形成、 大小、組成和融合的技術(shù)方案，尤其要求適用于高通量篩選研究的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本的目的是提供一種適于高通量研究要求的基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片微液滴
操控方法；具體涉及微液滴的形成、大小、組成和融合以及過程中的控制技術(shù)。 為解決上述問題，我們首次將集成有氣動(dòng)微閥1的PDMS微流控芯片2用于微液滴
的形成和控制。通過對(duì)樣品池中油液(連續(xù)相)和水溶液(分散相)施加氣壓或在芯片末
端抽真空施加負(fù)壓驅(qū)動(dòng)液體流入微通道，通過氣動(dòng)微閥1的開啟和關(guān)閉控制液滴的生成與
否，通過調(diào)節(jié)氣動(dòng)微閥1的開啟和關(guān)閉時(shí)間控制微液滴的生成頻率和大小，通過選擇性地
開啟多種樣品溶液流路對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)微閥1，形成具有不同化學(xué)組成的微液滴。該芯片適用于
高通量篩選研究，如酶的高通量篩選和蛋白質(zhì)結(jié)晶條件的篩選。 本發(fā)明提供了一種基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于利用集成有氣動(dòng)微閥1的PDMS微流控芯片2作為平臺(tái)，通過操作氣動(dòng)微閥1控制下述內(nèi)容之一 或其組合微液滴的形成過程、液滴的大小、液滴的組成、液滴之間的融合過程。
所述集成有氣動(dòng)微閥1的PDMS微流控芯片2由液路層201、控制層202和基板203 三部分封接而成；其中 所述的液路層201中包含有液體流動(dòng)所需通道，控制層202含有控制通道202a，液 路層201和控制層202封接后與基板203封接； 所述的氣動(dòng)微閥1由液路層201和控制層202之間的PDMS薄膜構(gòu)成；液路層201 和控制層202之間只通過氣動(dòng)微閥1相聯(lián)系，二者內(nèi)部并不連通。 本發(fā)明所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法，利用集成有氣動(dòng)微閥1的 PDMS微流控芯片2作為平臺(tái)，通過操作氣動(dòng)微閥1對(duì)液滴進(jìn)行操控具體要求滿足如下要 求 控制通道202a通過進(jìn)氣口 202b與加壓氣體相連，加壓氣體的通或斷由電磁閥控 制；液體進(jìn)入微通道后，通過電磁閥控制加壓氣體的通或斷來控制氣動(dòng)微閥1即PDMS薄膜 發(fā)生明顯形變或基本不發(fā)生形變，以便關(guān)閉或連通水相所經(jīng)由的液路通道，從而控制水相 的流動(dòng)與否。 所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中，液路層201中的液體流動(dòng)通道 具有多種結(jié)構(gòu)，與氣動(dòng)微閥1對(duì)應(yīng)處的液流通道的橫截面為弧形結(jié)構(gòu)，液流通道的其余部 分的橫截面均為矩形結(jié)構(gòu)。 為了取得更好的技術(shù)效果，所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中具體 還包括以下內(nèi)容 向芯片的樣品池(油相入口和水相入口 )中加入油和水溶液后，在芯片末端的廢 液池抽真空，驅(qū)動(dòng)油和水溶液在微通道內(nèi)流動(dòng)；液體的流速由施加的真空度的大小進(jìn)行調(diào) 節(jié)。 所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中還包含有下述內(nèi)容之一或其組 合. 所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中，形成油包水(w/o)型微液滴的 具體方法是當(dāng)水相和油相同時(shí)進(jìn)入微通道時(shí)，首先打開水相通道的氣動(dòng)微閥1、持續(xù)一定 時(shí)間之后關(guān)閉水相通道的氣動(dòng)微閥1 ;如此交替進(jìn)行，即可在PDMS微流控芯片2的通道中 形成油包水(w/o)型微液滴； 在所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中，通過調(diào)節(jié)氣動(dòng)微閥1的開啟 時(shí)間的長(zhǎng)短可以精確控制微液滴的大?。?在所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中，通過增加水相通道數(shù)量并按
一定順序開啟各水相通道對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)微閥l，可以生成具有多種化學(xué)組成的微液滴陣列； 所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中，在微流控芯片的不同部位同步
形成兩個(gè)液滴，使上述液滴同時(shí)進(jìn)入?yún)R合通道并相遇，可以控制液滴的融合。 本發(fā)明所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中，所述氣動(dòng)微閥1具體為
下壓式(push down)或者上推式(push up);其中下壓式(pushdown)即控制層在液路層
之上；上推式(push up)即控制層在液路層之下。 在實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)水相和油相進(jìn)入微通道后，將在兩相通道相交匯處("T"型區(qū))形成微液滴；將加壓空氣與控制通道相連，采用電磁閥控制加壓空氣的供給與斷開，進(jìn)
而控制微閥的開啟和關(guān)閉。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn) 1、本發(fā)明首次將氣動(dòng)微閥用于微液滴的操控，通過調(diào)節(jié)氣動(dòng)微閥的開啟和關(guān)閉時(shí) 間就可以靈活地控制微液滴的形成及其大??； 2、本發(fā)明只需選擇性地開啟不同溶液對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)微閥，就可以靈活地改變微液滴 的化學(xué)組成； 3、本發(fā)明通過同時(shí)開啟不同溶液對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)微閥，在芯片不同位置同步地形成多 個(gè)微液滴，待其進(jìn)入?yún)R合通道后相遇融合； 4、本發(fā)明采用在芯片末端抽真空或?qū)悠烦貎?nèi)液體施加氣壓的方法驅(qū)動(dòng)液體在 微通道內(nèi)的流動(dòng)，無需使用注射泵。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明 圖1為用于控制單種液滴形成的芯片示意圖； 圖2為控制單種液滴形成芯片的三層結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為控制單種液滴形成芯片的微閥部位通道結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為液滴形成過程示意圖之一 ； 圖5為液滴形成過程示意圖之二 ； 圖6為液滴形成過程示意圖之三； 圖7為液滴形成過程實(shí)物照片之一 ； 圖8為液滴形成過程實(shí)物照片之二 ； 圖9為液滴形成過程實(shí)物照片之三； 圖10為用于控制多種(四種)液滴形成的芯片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖11為多種(四種)液滴形成過程示意圖之一 ； 圖12為多種(四種)液滴形成過程示意圖之二 ； 圖13為多種(四種)液滴形成過程示意圖之三； 圖14為多種(四種)液滴形成過程示意圖之四； 圖15為多種(四種)液滴形成過程示意圖之五； 圖16為多種(四種)液滴陣列實(shí)物照片； 圖17為用于控制液滴融合的芯片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖18為液滴融合過程示意圖之一 ； 圖19為液滴融合過程示意圖之二 ； 圖20為液滴融合過程示意圖之三； 圖21為液滴融合過程示意圖之四； 圖22為液滴融合實(shí)物照片之一 ； 圖23為液滴融合實(shí)物照片之二 ； 圖24為液滴融合實(shí)物照片之三； 圖25為液滴融合實(shí)物照片之四。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1單種組分液滴的形成 分別向圖1所示芯片的油相和水相入口中加入10微升的礦物油(油相)和橘黃墨 水溶液(水相)，芯片末端的廢液池通過一段特氟龍管與一個(gè)lOOmL玻璃瓶相連，利用80mL 注射器對(duì)玻璃瓶抽真空，瓶?jī)?nèi)真空度的大小由抽出空氣的體積決定。礦物油和墨水溶液在 芯片兩端壓力差的作用下流入微通道，在"T"型區(qū)相遇并形成液滴。將控制通道與加壓空氣 相連，加壓空氣的開和關(guān)由電磁閥控制。操作墨水溶液流路的微閥可以控制墨水溶液的流 動(dòng)與否，從而自如地控制液滴的形成，微閥關(guān)閉，無墨水溶液流出，無液滴形成；微閥開啟， 墨水溶液流出，被礦物油包裹形成液滴，上述過程如圖4 6所示。圖7、8為液滴形成的實(shí) 物照片，因液滴處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故而液滴顏色與溶液略有不同。改變微閥開啟的時(shí)間，可以 靈活地改變生成液滴的大小，如圖9所示。
實(shí)例2多種組分液滴的形成 分別向圖10所示芯片的油相和水相入口 1 4中加入一定體積的礦物油和橘黃、 藍(lán)、棕、綠四種顏色的墨水溶液，芯片末端由特氟龍管與一個(gè)具有一定真空度的玻璃瓶相 連，控制通道與加壓空氣相連。礦物油和墨水溶液在壓強(qiáng)差的作用下流入微通道，在"T"型 區(qū)形成液滴。依次開啟各路墨水溶液流路的微閥，可以形成具有不同組成的液滴陣列，其過 程如圖11 15所示。圖16為由四種墨水溶液形成的液滴陣列。
實(shí)例3液滴的融合 分別向圖17所示芯片的油相入口和水相入口 1和2中加入礦物油和棕色、綠色兩 種顏色的墨水溶液，芯片末端由特氟龍管與一個(gè)具有一定真空度的玻璃瓶相連，控制通道 與加壓空氣相連。礦物油和墨水溶液在壓強(qiáng)差的作用下流入微通道，在"T"型區(qū)形成液滴。 同時(shí)開啟和關(guān)閉兩路墨水溶液流路的微閥，在芯片的不同位置同時(shí)形成兩個(gè)液滴，上述液 滴對(duì)隨著油相運(yùn)動(dòng)至匯合通道，在匯合通道中相遇后在表面張力的作用下融合，其過程如 圖18 21所示，圖22 25為液滴融合的實(shí)物照片。
權(quán)利要求
基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于利用集成有氣動(dòng)微閥(1)的PDMS微流控芯片(2)作為平臺(tái)，通過操作氣動(dòng)微閥(1)控制下述內(nèi)容之一或其組合微液滴的形成過程、液滴的大小、液滴的組成、液滴之間的融合過程。
2. 按照權(quán)利要求l所述，其特征在于所述集成有氣動(dòng)微閥(1)的PDMS微流控芯片(2) 由液路層(201)、控制層(202)和基板(203)三部分封接而成；其中所述的液路層(201)中包含有液體流動(dòng)所需通道，控制層(202)含有控制通道(202a)， 液路層(201)和控制層(202)封接后與基板(203)封接；所述的氣動(dòng)微閥(1)由液路層(201)和控制層(202)之間的PDMS薄膜構(gòu)成；液路層 (201)和控制層(202)之間只通過氣動(dòng)微閥(1)相聯(lián)系，二者內(nèi)部并不連通。
3. 按照權(quán)利要求2所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于利用 集成有氣動(dòng)微閥(1)的PDMS微流控芯片(2)作為平臺(tái)，通過操作氣動(dòng)微閥(1)對(duì)液滴進(jìn)行 操控具體要求滿足如下要求控制通道(202a)通過進(jìn)氣口 (202b)與加壓氣體相連，加壓氣體的通或斷由電磁閥控 制；液體進(jìn)入微通道后，通過電磁閥控制加壓氣體的通或斷來控制氣動(dòng)微閥(1)即PDMS薄 膜發(fā)生明顯形變或基本不發(fā)生形變，以便關(guān)閉或連通水相所經(jīng)由的液路通道，從而控制水 相的流動(dòng)與否。
4. 按照權(quán)利要求3所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于 液路層(201)中的液體流動(dòng)通道具有多種結(jié)構(gòu)，與氣動(dòng)微閥(1)對(duì)應(yīng)處的液流通道的橫截面為弧形結(jié)構(gòu)，液流通道的其余部分的橫截面均為矩形結(jié)構(gòu)。
5. 按照權(quán)利要求1 4其中之一所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法，其特 征在于所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中具體還包括以下內(nèi)容向芯片的樣品池中加入油或/和水溶液后，對(duì)芯片末端的廢液池抽真空，驅(qū)動(dòng)油和水 溶液在微通道內(nèi)流動(dòng)；液體的流速由施加的真空度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。
6. 按照權(quán)利要求5所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法，其特在于所述基 于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中還包含有下述內(nèi)容之一或其組合所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中，形成油包水(w/o)型微液滴的具體 方法是當(dāng)水相和油相同時(shí)進(jìn)入微通道時(shí)，首先打開水相通道的氣動(dòng)微閥(D、持續(xù)一定時(shí) 間之后關(guān)閉水相通道的氣動(dòng)微閥(1);如此交替進(jìn)行，即可在PDMS微流控芯片(2)的通道 中形成油包水(w/o)型微液滴；在所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中，通過調(diào)節(jié)氣動(dòng)微閥(1)的開啟時(shí) 間的長(zhǎng)短可以精確控制微液滴的大?。辉谒龌跉鈩?dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中，通過增加水相通道數(shù)量并按一定 順序開啟各水相通道對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)微閥(l)，可以生成具有多種化學(xué)組成的微液滴陣列；所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中，在微流控芯片的不同部位同步形成 兩個(gè)液滴，使上述液滴同時(shí)進(jìn)入?yún)R合通道并相遇，可以控制液滴的融合。
7. 按照權(quán)利要求6所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于 在基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中，所述氣動(dòng)微閥(1)具體為下壓式或者上推式；其中下壓式即控制層在液路層之上；上推式即控制層在液路層之下。
8.按照權(quán)利要求5所述基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于 在基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法中，水相和油相進(jìn)入微通道后，將在兩相通道相交匯處形成微液滴；將加壓空氣與控制通道相連，采用電磁閥控制加壓空氣的供給與斷開，進(jìn)而控制微閥的開啟和關(guān)閉。
全文摘要
基于氣動(dòng)微閥的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于利用集成有氣動(dòng)微閥(1)的PDMS微流控芯片(2)作為平臺(tái)，通過操作氣動(dòng)微閥(1)控制下述內(nèi)容之一或其組合微液滴的形成過程、液滴的大小、液滴的組成、液滴之間的融合過程。本發(fā)明首次將氣動(dòng)微閥用于微液滴的操控，通過調(diào)節(jié)氣動(dòng)微閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間就可以靈活地控制下述針對(duì)微液滴的操作微液滴的形成及其大小、靈活控制微液滴的化學(xué)組成、多個(gè)微液滴融合。本發(fā)明采用在芯片末端抽真空或?qū)悠烦貎?nèi)液體施加氣壓的方法驅(qū)動(dòng)液體在微通道內(nèi)的流動(dòng)，無需使用注射泵；具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)效果好的突出優(yōu)點(diǎn)。其具有可預(yù)見的巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。
文檔編號(hào)G01N35/08GK101718795SQ20081001331
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2008年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月22日
發(fā)明者曾紹江, 林炳承, 秦建華 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所