專利名稱：一種用于液滴萃取的微流控芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流控芯片，具體涉及一種用于液滴萃取的微流控芯片。
背景技術(shù)：
微流控芯片技術(shù)由于其低消耗、高通量、集成化等優(yōu)點，在生物學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。目前微流控芯片已經(jīng)實現(xiàn)了細胞的分選、捕獲、培養(yǎng)和刺激等功能，但為了實現(xiàn)微流控芯片技術(shù)在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最終應(yīng)用，許多微流控芯片功能需要進一步地改進和提聞。在微流控芯片中研究細胞代謝或藥物篩選是現(xiàn)階段微流控芯片技術(shù)應(yīng)用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一，文獻Gao D.;ffei H.;Guo G.-S.;Lin J.-M.Anal.Chem.，2010, 82，5679-568在微流控芯片中培養(yǎng)了人肺上皮細胞A549，并利用固相萃取和質(zhì)譜對A549的維生素E代謝過程進行了檢測與分析。這種方法成功地將質(zhì)譜技術(shù)與微流控芯片技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)了細胞代謝物的高靈敏度質(zhì)譜檢測，但這種方法使用微流控芯片中的固相萃取進行樣品前處理，使得樣品前處理的操作較為復(fù)雜并且無法進行實時的樣品監(jiān)測。因此，操作更加簡單、更加自動化的樣品前處理方法能夠極大的改進微流控芯片技術(shù)與質(zhì)譜技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)微流控芯片中樣品的實時監(jiān)測。除了固相萃取，液液萃取也是一種能夠與微流控芯片系統(tǒng)兼容的樣品處理方法。文獻Chen H.;Fang Q.;Yin X.-F.;Fang Z.-L.Lab Chip, 2005，5，719-725設(shè)計了一種微流控芯片，將萃取劑液滴固定在芯片通道的兩側(cè)的腔室中，從而對通過芯片通道的溶液進行萃取。但這種方法的萃取液滴被限制在通道兩側(cè)的腔室中無法釋放，使得檢測方法局限于光學(xué)方法，難以給出目標(biāo)物質(zhì)更進一步的詳細信息。一種能夠兼容更多檢測方式的芯片中液液萃取方法將使得微流控芯片中的樣品前處理得到更廣泛的應(yīng)用。為了在微流控系統(tǒng)中實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，微流控芯片中流體的操縱也成為一項重要的研究內(nèi)容，其中微流控芯片中液滴的產(chǎn)生與操控是流體操縱的主要內(nèi)容之一。文獻Zhu Y.;Fang Q.Anal.Chem.，2010，82，8361-8366設(shè)計了一種液滴產(chǎn)生的微流控芯片，并用于微反應(yīng)的質(zhì)譜檢測。這種方法證實了電噴霧質(zhì)譜能夠與微流控芯片的液滴體系結(jié)合起來，實現(xiàn)液滴的監(jiān)測。但是這種方法產(chǎn)生的液滴是栓塞型，液滴的比表面積較小，不利于液液萃取。文獻 Jung S.-Y.; Retterer S.T.; Collier C.P.Lab Chip, 2010, 10，2688-2694 提出了 一種在微流控芯片中產(chǎn)生微小的單分散液滴的辦法，減小了單個液滴的體積，有效的提高了液滴的比表面積，有利于施行液液萃取。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于液滴萃取的微流控芯片，所述微流控芯片能夠向連續(xù)流動的樣品溶液中通入單分散的萃取劑液滴，在萃取完成以后將萃取液滴導(dǎo)入收集通道，并直接通入檢測器進行分析。本發(fā)明能夠用于連續(xù)流動體系的樣品前處理和在線實時分析，簡化了人為操作，促進了微流控芯片萃取體系的自動化和穩(wěn)定性。
本發(fā)明所提供的一種用于液滴萃取的微流控芯片，它包括主通道；所述主通道的一端設(shè)有樣品入口，另一端設(shè)有廢液出口 ；靠近所述廢液出口的一端，所述主通道與一個收集通道相連通，所述收集通道的游尚端為樣品出口；靠近所述樣品入口的一端，所述主通道與一個側(cè)通道相連通，所述側(cè)通道的游離端為萃取劑入口 ；所述側(cè)通道與所述主通道之間存在高度差，且所述側(cè)通道設(shè)于所述主通道的下部；本發(fā)明中，所述主通道的樣品入口端與所述側(cè)通道構(gòu)成本發(fā)明的液滴產(chǎn)生部分，在該部分中可以產(chǎn)生單分散液滴；本發(fā)明中，所述主通道主要構(gòu)成本發(fā)明的液滴萃取部分，通過較長的運動路程，使液滴在通過所述主通道時有足夠的時間發(fā)生充分的萃?。槐景l(fā)明中，所述樣品出口和所述廢液出口構(gòu)成本發(fā)明的液滴收集部分，將收集到的萃取液滴導(dǎo)入至檢測裝置內(nèi)進行檢測。上述的微流控芯片中，所述主通道為直線形通道或蛇形通道，所述蛇形通道的設(shè)置可以增加流體運動的路程。上述的微流控芯片中，靠近所述樣品出口的一端，所述主通道內(nèi)設(shè)有一導(dǎo)流軌道，且所述導(dǎo)流軌道的高度大于所述主通道的高度，所述導(dǎo)流軌道沿所述主通道的寬度方向延伸；所述導(dǎo)流軌道的一端與所述主通道相連通，另一端與所述收集通道相連通。本發(fā)明中，所述導(dǎo)流軌道與所述主通道之間的高度差有利于利用浮力和表面張力對液滴進行引導(dǎo):有機相液滴由于浮力能夠進入較高的所述導(dǎo)流軌道，所述導(dǎo)流軌道中的液滴離開軌道需要克服浮力和改變球形狀態(tài)所產(chǎn)生的表面張力，使液滴更傾向于沿著所述導(dǎo)流軌道運動。上述的微流控芯片中，所述主通道內(nèi)設(shè)有親水性多孔膜，所述親水性多孔膜設(shè)于所述收集通道與所述主通道的連接處和所述廢液出口之間，所述親水性多孔膜可以讓水相溶液順利通過的同時，將有機相的液滴攔截并導(dǎo)入所述收集通道。上述的微流控芯片中，所述收集通道上設(shè)有吸收劑入口，在萃取液滴進入檢測裝置以前，也可以根據(jù)檢測裝置的不同要求，用相應(yīng)的緩沖溶液或溶劑對萃取液滴進行吸收，以兼容不同檢測體系。本發(fā)明提供的微流控芯片裝置可以對連續(xù)流動的樣品溶液進行在線液滴萃取，本發(fā)明對于產(chǎn)生液滴所采用的有機相沒有特別的要求，因此可以根據(jù)目標(biāo)萃取物質(zhì)的性質(zhì)，合理地選擇不同的萃取劑作為產(chǎn)生液滴的有機相，從而達到更好的萃取效果。使用本發(fā)明的微流控芯片時，可以選擇不同的萃取劑進行實驗，從而使本發(fā)明的微流控芯片可以適應(yīng)多種不同的實驗要求并應(yīng)用于多種實驗體系中，提高了其對于各種體系的兼容性。本發(fā)明提供的微流控芯片可以與微流控芯片中的生物學(xué)或醫(yī)學(xué)研究結(jié)合起來，t匕如微流控芯片中的細胞代謝、藥物篩選、細胞間通訊等研究中，本發(fā)明可以用來實時監(jiān)測細胞分泌物、藥物代謝產(chǎn)物、細胞通訊分子等。本發(fā)明提供的微流控芯片在進行在線液滴萃取時，可以根據(jù)目標(biāo)萃取物質(zhì)的不同性質(zhì)，與不同的檢測方法結(jié)合起來。對于多數(shù)的小分子物質(zhì)而言，質(zhì)譜是一種可靠而高效的檢測方法。與此同時，電噴霧質(zhì)譜采用液體進樣的方式，與微流控芯片的液體流動體系有較好的適應(yīng)性。在本發(fā)明的液滴收集部分，在收集通道中用適當(dāng)?shù)馁|(zhì)譜進樣緩沖液吸收液滴能夠很好的促進本發(fā)明與電噴霧質(zhì)譜技術(shù)的結(jié)合。除了電噴霧質(zhì)譜，光學(xué)檢測也能夠應(yīng)用到本發(fā)明中。本發(fā)明的微流控芯片由聚二甲基硅氧烷與玻璃片鍵合制成，具有較好的透光性，有利于光學(xué)檢測在本發(fā)明中的應(yīng)用。對于目標(biāo)萃取物可以被激光激發(fā)而發(fā)光、有較強的紫外吸收或者與某些化合物反應(yīng)發(fā)光的情況，都可以在本發(fā)明中應(yīng)用光學(xué)檢測。綜上所述，本發(fā)明的微流控芯片可以進行在線液滴萃??；在進行在線液滴萃取中，本發(fā)明能夠適應(yīng)于多種連續(xù)流動的實驗體系，對于多種檢測方式有較好的兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)實時在線的物質(zhì)監(jiān)測，能夠有效地應(yīng)用到微流控芯片上的生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中。


圖1是本發(fā)明的微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各標(biāo)記如下:1樣品引入管；2萃取劑引入管；3吸收劑引入管；4樣品導(dǎo)出管；5廢液導(dǎo)出管；6主通道；7導(dǎo)流軌道；8微通道局部立體示意圖；9側(cè)通道；10高度差a ;11收集通道；12高度差b。圖2是本發(fā)明的微流控芯片各部分功能的示意圖。圖3是本發(fā)明的微流控芯片進行親水性修飾的操作示意圖。圖4是利用本發(fā)明的微流控芯片進行單分散液滴產(chǎn)生的結(jié)果(直接型液滴產(chǎn)生方式)。本圖還顯示了通過調(diào)節(jié)樣品液流速和萃取劑流速可以控制所產(chǎn)生的液滴數(shù)量。圖5是利用本發(fā)明的微流控芯片進行液滴捕獲和回收的結(jié)果(導(dǎo)流軌道回收方式)。圖中跟蹤了某一液滴在不同時刻的位置，說明了液滴捕獲和回收的過程。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。本發(fā)明的微流控芯片可以采用軟光刻的方法制作，根據(jù)具體需要，采用多次曝光。具體制備方法如下:將硅片浸沒于硫酸和雙氧水的混合溶液(硫酸與雙氧水的比例為3:1)中加熱，微沸40min，然后將硅片洗凈、烘干。用勻膠機在硅片表面涂布一層SU-8 2050光刻膠，控制轉(zhuǎn)速為3000rpm，使光刻膠厚度約為50 μ m。經(jīng)過前烘過程(65°C烘烤lmin，95°C烘烤2min)以后，用曝光機曝光，將微流控芯片中液滴產(chǎn)生部分的側(cè)通道復(fù)制到硅片模具上。第一次曝光完成以后，娃片需進行后烘過程(65°C烘烤lmin,95°C烘烤2min),然后就可以進行第二次光刻膠涂布。經(jīng)過相似的操作過程，以2500rpm的轉(zhuǎn)速在硅片上繼續(xù)涂布一層約60 μ m的SU-8 2050光刻膠，經(jīng)過曝光將整個微流控芯片的主通道復(fù)制到硅片模具上。對于通過導(dǎo)流軌道方式進行液滴收集的微流控芯片，還需要進行第三次曝光:用類似的操作過程，以1500rpm的轉(zhuǎn)速在硅片上再涂布一層約30 μ m的SU-8 2015光刻膠，曝光后將微流控芯片液滴收集部分的導(dǎo)流軌道復(fù)制到硅片模具上。接著，經(jīng)過顯影和硅烷化，得到制作微流控芯片的模具。將聚二甲基硅氧烷(PDMS)預(yù)聚物與引發(fā)劑以10:1的比例混合均勻并倒入微流控芯片模具中，經(jīng)脫氣處理以后置于75V聚合2h，即可得到有微流控芯片通道的PDMS聚合物塊。將此PDMS聚合物塊從模具上剝離后，用打孔器打孔作為微流控芯片的溶液入口與出口。最后，PDMS聚合物塊經(jīng)氧等離子體處理后與玻璃片鍵合即得到本發(fā)明的微流控芯片。實施例1、微流控芯片以直接型液滴產(chǎn)生方式及導(dǎo)流型液滴回收方式為例來說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本發(fā)明提供的微流控芯片包括主通道6，其為直線形通道，該主通道6的一端設(shè)有樣品入口(圖中未標(biāo))，該樣品入口與樣品引入管I相連通，用于注入樣品溶液；主通道6的另一端設(shè)有廢液出口(圖中未標(biāo))，該廢液出口與廢液導(dǎo)出管5相連通，用于導(dǎo)出萃取后的廢液；靠近樣品入口的一端，主通道6與一個側(cè)通道9相連通，該側(cè)通道9的游離端為萃取劑入口(圖中未標(biāo))，該萃取劑入口與萃取劑引入管2相連通，用于引入萃取劑；如微通道局部立體示意圖8，該側(cè)通道9與主通道6之間存在高度差alO，且側(cè)通道9的上緣設(shè)于主通道6的下緣的下部?？拷鼜U液出口的一端，主通道6與一個收集通道11相連通，該收集通道11的游離端為樣品出口(圖中未標(biāo))，該樣品出口與樣品導(dǎo)出管4相連通，該樣品導(dǎo)出管4與檢測裝置相連接；靠近樣品出口的一端，該主通道6內(nèi)設(shè)有設(shè)有一導(dǎo)流軌道7，且該導(dǎo)流軌道7的高度大于主通道6的高度，兩者之間存在高度差bl2，該導(dǎo)流軌道7沿主通道6的寬度方向延伸；導(dǎo)流軌道7的一端與主通道6相連通，另一端與收集通道11相連通。高度差bl2有利于利用浮力和表面張力對液滴進行引導(dǎo):有機相液滴由于浮力能夠進入較高的導(dǎo)流軌道7，導(dǎo)流軌道7中的液滴離開軌道需要克服浮力和改變球形狀態(tài)所產(chǎn)生的表面張力，使液滴更傾向于沿著導(dǎo)流軌道7運動。上述實施例中，如圖2所示，主通道的樣品入口端與側(cè)通道構(gòu)成本發(fā)明的液滴產(chǎn)生部分，在該部分中可以產(chǎn)生單分散液滴；主通道主要構(gòu)成本發(fā)明的液滴萃取部分，通過較長的運動路程，使液滴在通過主通道時有足夠的時間發(fā)生充分的萃取；樣品出口、廢液出口和收集通道構(gòu)成本發(fā)明的液滴收集部分，將收集到的萃取液滴導(dǎo)入至檢測裝置內(nèi)進行檢測。本實施例中，微流控芯片各部分的尺寸為:主通道的高度為110 μ m，寬度為1mm;液滴萃取部分的側(cè)通道高度為50 μ m，寬度60 μ m ;液滴收集部分的導(dǎo)流軌道高出主通道30 μ m，寬60 μ m ;液滴收集部分的收集通道高140 μ m，寬200 μ m。液滴產(chǎn)生部分側(cè)通道與主通道之間的高度差使進入主通道的有機相萃取更容易形成球形，利用表面張力，讓水相溶液能更好地切割有機相而形成單分散液滴。液滴收集部分導(dǎo)流軌道與主通道之間的高度差有利于利用浮力和表面張力對液滴進行引導(dǎo):有機相液滴由于浮力能夠進入較高的導(dǎo)流軌道，導(dǎo)流軌道中的液滴離開軌道需要克服浮力和改變球形狀態(tài)所產(chǎn)生的表面張力，使液滴更傾向于沿著導(dǎo)流軌道運動。上述的微流控芯片中，其中的液滴收集部分還可通過親水性多孔膜來實現(xiàn)，該親水性多孔膜設(shè)于收集通道11與主通道6的連接處和廢液出口之間，所設(shè)置的親水性多孔膜可以讓水相溶液順利通過的同時，將有機相的液滴攔截并導(dǎo)入收集通道11中。同時，還可在收集通道11上設(shè)置吸收劑入口(圖中未標(biāo))，該吸收劑入口與吸收劑引入管3相連通，從而可以在萃取液滴進入檢測裝置以前，也可以根據(jù)檢測裝置的不同要求，用相應(yīng)的緩沖溶液或溶劑對萃取液滴進行吸收，以兼容不同檢測體系。實施例2、微流控芯片的親水修飾如圖3所示，本發(fā)明所述微流控芯片在制成以后可以使用層層自組裝的方法進行親水修飾，具體過程如下:將微流控芯片用氧等離子體處理，使其通道表面轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性后，首先通入含0.1%聚丙烯胺鹽酸鹽(PAH)的氯化鈉溶液(含0.5M氯化鈉)修飾lOmin，用
0.1M的氯化鈉溶液沖洗后，通入含0.1%聚對苯乙烯磺酸鈉(PSS)的氯化鈉溶液(含0.5M氯化鈉)修飾lOmin，然后再次用0.1M的氯化鈉溶液沖洗，之后再用相同的操作依次通入PAH和PSS的氯化鈉溶液進行修飾，重復(fù)2次，即可將微流控芯片的通道表面修飾為親水的，并能長期保持。實施例3、本發(fā)明微流控芯片中液滴的產(chǎn)生一直接型液滴產(chǎn)生方式如圖4所示，以5μ L/min的流速向微流控芯片的主通道中通入水相樣品溶液(以含紅色染料的水溶液模擬)，同時以I μ L/min的流速向微流控芯片液滴產(chǎn)生部分的側(cè)通道中通入萃取劑溶液(以丁醇模擬)。萃取劑溶液進入主通道時，會被主通道中流動的樣品溶液切割，形成單分散的液滴，并隨著樣品溶液向前流動。通過調(diào)整樣品溶液的流動速度和萃取劑溶液的速度，可以調(diào)整液滴的數(shù)量和大小。實施例4、本發(fā)明微流控芯片中液滴的回收一導(dǎo)流軌道回收方式如圖5所示，當(dāng)微流控芯片中的萃取劑液滴隨著樣品溶液向前流動，經(jīng)過微流控芯片液滴收集部分的導(dǎo)流軌道時，會由于浮力和表面張力的原因進入導(dǎo)流軌道，并在后續(xù)樣品溶液的持續(xù)推動下，沿著導(dǎo)流軌道繼續(xù)向收集通道運動。最終，萃取劑液滴被引導(dǎo)進入液滴收集通道并被導(dǎo)入后續(xù)的檢測部分。
權(quán)利要求
1.一種用于液滴萃取的微流控芯片，其特征在于:所述微流控芯片包括主通道；所述主通道的一端設(shè)有樣品入口，另一端設(shè)有廢液出口； 靠近所述廢液出口的一端，所述主通道與一個收集通道相連通，所述收集通道的游離端為樣品出口 ； 靠近所述樣品入口的一端，所述主通道與一個側(cè)通道相連通，所述側(cè)通道的游離端為萃取劑入口 ；所述側(cè)通道與所述主通道之間存在高度差，且所述側(cè)通道的上緣設(shè)于所述主通道的下緣的下部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控芯片，其特征在于:所述主通道為直線形通道或蛇形通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微流控芯片，其特征在于:靠近所述樣品出口的一端，所述主通道內(nèi)設(shè)有一導(dǎo)流軌道，且所述導(dǎo)流軌道的高度大于所述主通道的高度，所述導(dǎo)流軌道沿所述主通道的寬度方向延伸； 所述導(dǎo)流軌道的一端與所述主通道相連通，另一端與所述收集通道相連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微流控芯片，其特征在于:所述主通道內(nèi)設(shè)有親水性多孔膜，所述親水性多孔膜設(shè)于所述收集通道與所述主通道的連接處和所述廢液出口之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微流控芯片，其特征在于:所述收集通道上設(shè)有吸收劑入口。
6.權(quán)利要求1-5中任一項所述微流控芯片在液滴萃取中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于液滴萃取的微流控芯片。所述微流控芯片包括主通道；所述主通道的一端設(shè)有樣品入口，另一端設(shè)有廢液出口；靠近所述廢液出口的一端，所述主通道與一個收集通道相連通，所述收集通道的游離端為樣品出口；靠近所述樣品入口的一端，所述主通道與一個側(cè)通道相連通，所述側(cè)通道的游離端為萃取劑入口；所述側(cè)通道與所述主通道之間存在高度差，且所述側(cè)通道的上緣設(shè)于所述主通道的下緣的下部。本發(fā)明的微流控芯片可以進行在線液滴萃?。辉谶M行在線液滴萃取中，本發(fā)明能夠適應(yīng)于多種連續(xù)流動的實驗體系，對于多種檢測方式有較好的兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)實時在線的物質(zhì)監(jiān)測，能夠有效地應(yīng)用到微流控芯片上的生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中。
文檔編號G01N1/34GK103203258SQ20131010194
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者林金明, 王聶君 申請人:清華大學(xué)