液滴多路分選、原滴下沉、注物平走或上浮式微流控芯片的制作方法

本發明涉及一種微流控芯片及對應的微流控方法。

背景技術：

當今世界經濟中，生物技術、生命科技、化工科技等領域的藥品研發、醫學檢測、食品開發、生物催化、化學實驗等過程復雜而漫長，涉及的學科門類眾多，而當前實際的研發、生產以及實驗場合，大多仍然采用傳統方法，包括使用取液器、取液槍、試劑盒等工具，多采用人工或半人工的方式進行，自動化程度不高，效率低下，并且整個過程樣品、原料使用量偏高，浪費嚴重，使得相關的材料、人力、管理等成本居高不下。隨著科技的進步以及時代的發展，很多復雜的檢測、實驗都可以在幾平方厘米甚至更小的芯片上實現，這就是微流控技術，它被稱為“改變世界”的七種技術之一。

液滴，也叫液滴型微反應器，是下一代生化分析工具，皮升至微升級的液滴，在酶、細胞、蛋白、細菌等檢測與篩選、基因測序、稀缺樣本參與的生物化學實驗中，必將扮演重要的角色，具有非常誘人的應用前景。

但在當下，微流控技術在更多的領域主要處于研發試驗階段，實際在國民經濟中得到應有的不多，主要原因是微流控技術在很多應用中遇到難以解決的問題，其中最重要的一個瓶頸技術：如何把微樣本中高活性、高品質或其它具有特定參數特征的部分篩選出來，具體篩選對象包括酶、蛋白、細菌、細胞、病毒等，這個技術關系到獲得樣本的品質，影響深遠。

國外有學者采用高壓電極產生電場的方式，在帶有分叉結構的通道中，檢測液滴參數后，按照預先設定的參數閾值，有選擇的通過電極接通電信號，產生的電場使附近的液滴受到介電力的“拉拽”，改變該液滴的運動方向，進而完成液滴的篩選。

但上述方式采用了較強的電場，其對液滴以及液滴內部的樣本產生了不良影響，甚至導致使用這種方法篩選出的樣本的活性、功效、性能、狀態發生了不可逆的變化，影響了后續的應用。

本發明克服了上述技術的缺陷，在實現液滴篩選環節中不使用強電場，而是利用液滴自身的重力以及液滴在液體中的浮力，實現液滴的無損篩選。

本發明具有非常好的應用前景與市場預期。

技術實現要素：

本發明的微流控芯片，適用對象可以是內部含有樣本的液滴，也可以針對內部不含有樣本的液滴，其中，液滴中含有樣本的情形，樣本包括活性樣本與非活性樣本兩種。

本發明的微流控芯片，用于實施分選或篩選的適用對象，包括體積在皮升至微升級別的液滴，也包括上述范圍之外的液滴。

在可供液體及液滴流動的通道內，液滴與液滴之間、液滴與通道之間，存在與前述液滴不相溶的液體。

液滴周圍液體中可以包含如下多種成分中的若干種：表面活性劑、增加液滴穩定性物質、抑制液滴相互融合物質、上述以外對液滴內樣本可以施加影響的物質，也可以不包含上述物質。

上述對液滴內樣本可以施加影響的物質包括但不限于：氧氣、二氧化碳、鹽、消毒液、增稠劑、減稠劑。

上述的通道指包含若干個端口，既可以采用空腔結構形式，也可以采用通過端口與外界連通的非空腔結構形式，包括但不限于：可容液滴運動的空腔結構、微通道、導管、局部開放的水槽結構等，本發明可以采用微流控芯片實現，也可借助其它帶有微通道結構的器物實現。

通過上述與液滴不相溶的液體的驅動，液滴在帶有分叉結構的上述通道內運動，實現液滴分選處的通道的分叉結構的多個分支中，至少有一個分支在重力方向上的投影分量不為零，用于確保重力或浮力能夠作用到液滴，實現針對液滴的操控。

所述實現液滴分選的通道分叉形式，包含一分二、一分三、一分四、一分五、一分n，這里的一分n指一分五路以上的分支情形。

上述用于液滴分選的通道分叉結構，在重力方向上的投影分量不為零的實現，選擇如下方法、措施中的一種或多種：

（1）實現液滴分選的通道制作時，沿液滴運動方向，實現液滴分選的通道分叉結構的分支方向由水平向垂直過度，或由水平變為垂直；

（2）實現液滴分選的通道制作時，沿液滴運動方向，實現液滴分選的通道分叉結構的分支方向與地球水平面呈一定夾角，具體分為下述不同情況：

用于密度小于周圍液體的液滴的篩選時，該實現液滴分選的通道分叉結構的分支在液滴運動方向的矢量與重力矢量反向或夾角為鈍角，即以水平面為參照，在液滴運動方向，通道分叉結構的分支包含向上傾斜的部分，用于實現液滴借助浮力自動經向上傾斜的通道分支“上浮”運動；

用于密度大于周圍液體的液滴的篩選時，該實現液滴分選的通道分叉結構的分支在液滴運動方向的矢量與重力矢量同向或夾角為銳角，即以水平面為參照，在液滴運動方向，通道分叉結構的分支包含向下傾斜的部分，即實現液滴借助重力自動經向下傾斜的通道分支“下沉”運動；

（3）雖然實現液滴分選的通道分叉結構在水平放置時，其分支在重力方向的投影為零，但使用時，使該實現液滴分選的通道分叉結構垂直、傾斜或翻轉放置，通過這種方式實現：內部用于分選的通道分叉結構的分支在重力方向的投影不為零，從而借助重力或浮力的作用實現液滴按密度的區分進行分選。

液滴在到達實現液滴分選的通道分叉結構處之前，沿單通道以串行方式或經多通道并行方式進入檢測區域，經多通道并行方式進入檢測區域的情形，每個通道中的液滴以串行方式運動。

所述檢測區域針對液滴的檢測包括對液滴參數、性質、狀態、大小、顏色、氣味、聲音中若干方面的檢測，其中液滴參數包括液滴的直接參數與間接參數，檢測區域由下述中的若干種實現：

（1）檢測窗、

（2）檢測孔、

（3）預設檢測裝置或部件的特定區域。

針對液滴的檢測采用如下手段中的一種或多種：

（1）激發熒光檢測；

（2）影像識別；

（3）顏色識別；

（4）氣味識別；

（5）聲音識別；

（6）同位素鑒別；

（7）阻抗或導納測量；

（8）電容或頻率測量；

（9）相關的電壓或電流測量；

（10）熱量測量；

（11）紅外或遠紅外測量。

依據檢測結果，將液滴分為兩類，向其中一類液滴內注入某種物質，通道包含三個或三個以上分支的多分支結構，該多分支結構的形式可以是“t”型或“y”型三通結構，也可以是其它形狀、其它分支數的多分支形式，注入方法包括下述方法中的一種或多種：

（1）多分支結構的若干分支通路作為加液口，即向液滴注入物質的入口，在液滴經過該加液口時，在泵、閥的控制作用下，實現經加液口向液滴內注入某種物質；

（2）多分支結構的若干分支通路作為加液口，即向液滴注入物質的入口，附近設有磁場發射裝置，在液滴經過該加液口時，借助前述磁場發射裝置產生磁場的作用，使液滴與經加液口發射出的與液滴內液體相溶的物質接觸并融合，從而實現向液滴內注入某種物質；

（3）多分支結構的若干分支通路作為加液口，即向液滴注入物質的入口，附近設有電極，在液滴經過該加液口時，借助該電極接通電信號后所產生電場的作用，通過介電力，使液滴與經加液口發射出的與液滴內液體相溶的物質接觸并融合，從而實現向液滴內注入某種物質；

（4）多分支結構的若干分支通路作為加液口，即向液滴注入物質的入口，附近設有超聲波發射裝置，在液滴經過該加液口時，借助前述超聲波發射裝置產生超聲波的作用，使液滴與經加液口發射出的與液滴內液體相溶的物質接觸并融合，從而實現向液滴內注入某種物質。

更具體的：采用如下方式：

依據檢測結果，將液滴分為兩類，向其中一類液滴內注入某種物質，通道多分支結構為三通結構，該三通結構可以是“t”型或“y”型，也可以是其它形狀的三通形式，注入方法包括下述方法中的一種或多種：

（1）三通結構的一個分支通路作為加液口，即向液滴注入物質的入口，在液滴經過該加液口時，在泵、閥的控制作用下，實現經加液口向液滴內注入某種物質；

（2）三通結構的一個分支通路作為加液口，即向液滴注入物質的入口，附近設有磁場發射裝置，在液滴經過該加液口時，借助前述磁場發射裝置產生磁場的作用，使液滴與經加液口發射出的與液滴內液體相溶的物質接觸并融合，從而實現向液滴內注入某種物質；

（3）三通結構的一個分支通路作為加液口，即向液滴注入物質的入口，附近設有電極，在液滴經過該加液口時，借助該電極接通電信號后所產生電場的作用，通過介電力，使液滴與經加液口發射出的與液滴內液體相溶的物質接觸并融合，從而實現向液滴內注入某種物質；

（4）三通結構的一個分支通路作為加液口，即向液滴注入物質的入口，附近設有超聲波發射裝置，在液滴經過該加液口時，借助前述超聲波發射裝置產生超聲波的作用，使液滴與經加液口發射出的與液滴內液體相溶的物質接觸并融合，從而實現向液滴內注入某種物質。

上述向液滴內注入的物質類型為液體、氣體與固體中的若干種，注入該種物質的目的是使液滴密度發生變化，更具體的，與液滴周圍的液體密度相比，注入前述物質后與其它未注入前述物質的多種液滴中，產生如下情形：

一種液滴密度高于液滴周圍液體的密度，另一種液滴密度低于液滴周圍液體的密度，第三種液滴密度等于液滴周圍液體的密度。所

另外，因為液滴密度絕對相等在現實應用中難以實現，上述多種情形中的“密度相等”包括密度相近的情形，判斷的標準閾值根據通道尺寸、液滴大小、液滴慣性參數、通道參數、實際應用情形或者經驗數據設定，范圍為0%～100%，包括但不限于下述幾個實例參數及相應判別方法：

（1）密度差別小于1%認為液滴之間密度相近，否則認為液滴之間液滴不相近；

（2）密度差別小于3%認為液滴之間密度相近，否則認為液滴之間液滴不相近；

（3）密度差別小于5%認為液滴之間密度相近，否則認為液滴之間液滴不相近；

（4）密度差別小于10%認為液滴之間密度相近，否則認為液滴之間液滴不相近；

（5）密度差別小于15%認為液滴之間密度相近，否則認為液滴之間液滴不相近；

（6）密度差別小于20%認為液滴之間密度相近，否則認為液滴之間液滴不相近；

（7）密度差別小于30%認為液滴之間密度相近，否則認為液滴之間液滴不相近。

注入使液滴密度發生變化的物質后，既可以采用使液滴的顏色發生變化的方式，便于后續進行識別，同時便于操作人員進行觀察；也可采用液滴顏色不發生變化的方式。

由于用于分選的通道分叉結構的多個分支中，至少有一個在重力方向上的投影分量不為零，因為與周圍液體相比密度大小的不同，經過液滴注入某種物質的位置與實現分選的通道分叉結構處之間的距離，在重力或浮力的作用下，液滴按密度的差異逐漸在重力方向上具有不同的速度、位移，繼而在到達通道分叉結構處時進入其不同方向的分支入口，最終實現液滴的分選。

根據注入某種物質時液滴所處的通道位置與實現分選的通道分叉結構處之間的距離長度或尺寸，控制液滴運動速度，使不同密度的多類液滴能夠在該段通道完成重力方向上足夠多但不超限的位移，該位移能夠按密度差異使不同密度的液滴分別到達通道分叉結構不同分支入口，最終實現分選。

本發明的具體實現形式及控制方法包括但不限于：

采用“上中下三路分選，原滴下沉，注物平走或上浮”的微流控方法：

微流控芯片內實現液滴分選的多個分叉中，包括如下多種分支：

（1）以水平面為參照，分支的結構包含使液滴的走向與水平面平行的部分；

（2）以水平面為參照，分支的結構包含使液滴的走向為向上的部分；

（3）以水平面為參照，分支的結構包含使液滴的走向為向下的部分，

液滴在到達實現液滴分選的通道分叉處之前，對液滴實施檢測，

根據檢測結果向其中一類液滴內注入某種物質，該注入物質類型為液體、氣體與固體中的若干種，使注入該種物質后的液滴密度等于與之不相溶且驅動其運動的周圍液體的密度，產生“平走”的效果，進入通道分叉的與水平面平行的分支；根據檢測結果向其中另一類液滴內注入某種物質，該注入物質類型為液體、氣體與固體中的若干種，使注入該種物質后的液滴密度低于與之不相溶且驅動其運動的周圍液體的密度，產生“上浮”的效果，進入通道分叉的向上的分支；上述過程中其它所有沒有注入前述物質的液滴的密度高于與之不相溶且驅動其運動的周圍液體的密度，產生“下沉”的效果，進入通道分叉的向下的分支，

這里使液滴產生“平走”、“上浮”兩種效果的過程中，注入的物質可以不同，也可以相同但注入的劑量有差異，

利用上述分叉結構，在與之不相溶的液體的驅動下，即實現不同密度的液滴在重力與浮力的作用下，進入分叉結構的不同分支，繼而實現分選。

本發明中，使用電極實現的情形，電極上接入的電信號為直流或交流，電壓幅值在1v至5000v之間或-5000v至-1v之間；電信號為交流時的參數為：電壓頻率在50hz至1mhz之間；電極上接入的電信號的幅值與頻率的選擇依據包括但不限于：芯片內通道中液滴與電極的距離、制作通道的材質、液滴的參數、電極的形狀；電極上接入的電信號的類型包括：方波、三角波、正弦波、鋸齒波、積分波、微分波、階梯波，以及直流與上述波形中多個類型的疊加或同時組合使用。

實現本發明的系統包括但不限于：進液池與進液接口中的一種或多種、成品池與出液接口中的一種或多種、廢液池與廢液接口中的一種或多種、加液池與加液接口中的一種或多種。

上述實現本發明的情形中，所述電極、磁場發射裝置、超聲波發射裝置的安裝方法包含但不限于如下方法中的若干種：預埋法、灌注法、印刷電路法。

本發明中的控制方式包括但不限于：通過傳感器測量與液滴相關的電壓、電流、阻抗、顏色、圖像、熒光或其它性狀、參數；在微控制器、微處理器、plc、計算機或其它智能設備的控制下，根據用戶之前的設定，控制泵、閥或電極等部件，或者通過對電場、磁場、超聲波、液滴間用于驅動液滴的液體的相關的控制，另外通過對液滴或加液口處物質的影響或驅動，實現加液口處物質注入特定參數的液滴中，從而改變這類特定參數液滴的密度。

本發明中的控制方式包括但不限于：液滴之間、液滴與通道之間的用于驅動、間隔液滴的液體，其驅動是在微控制器、微處理器、plc、計算機或其它智能設備的控制下，通過泵、閥或其它液體控制設備、部件完成。

本發明中，使用微流控芯片實現的情形，針對液滴的檢測通過微流控芯片的檢測區域實現；用于液滴分選的帶分叉結構的通道位于微流控芯片內。

附圖說明

圖1為本發明的“上中下三路分選，原滴下沉，注物平走或上浮”式液滴分選實施例示意圖。

圖2為本發明實施例的密度大于周圍液體的液滴受力分析圖。

圖3為本發明實施例的密度小于周圍液體的液滴受力分析圖。

圖4為本發明實施例的密度等于周圍液體的液滴受力分析圖。

圖5為本發明實施例的控制系統結構示意圖。

具體實施方式

本發明的典型實施例如圖1～圖5所示，該實施例只是本發明具體形式中的一種，給出的目的是更詳細的描述本發明，而不是限制本發明的范圍，也不是限定本發明的應用形式。

實施例一：

“上中下三路分選，原滴下沉，注物平走或上浮”式液滴分選：重液滴注入物質后變輕,液滴沿上中下分支實現分選。

圖1為本實施例的示意圖，標號1為進液接口；標號2為第一路出液接口；標號3為第二路出液接口；標號11為第三路出液接口；標號4為向液滴內加注的物質；標號5為加液口；標號6為檢測區域；標號7為經進液接口剛進入通道的液體；標號8為經加液口完成加液的液滴；標號9為經加液口沒有加液的液滴；標號10為實現分選的通道分叉結構。

本實施例中，本發明的密度大于周圍液體的液滴根據參數選擇性注入物質，不同參數注入物質的量不同，使注入物質的液滴產生兩種效果：

（1）密度小于周圍液體；

（2）密度等于周圍液體。

繼而出現三種液滴：密度大于周圍液體、密度等于周圍液體、密度小于周圍液體，這三種液滴由于重力及浮力的作用，在通道分叉處分別沿上中下分支運動，從而實現分選，上中下分支指三個分支，沿液滴的運動方向：其中一個“上分支”包含與重力矢量反向的投影分量；其中一個“中分支”與重力矢量方向垂直或接近垂直；另一個“下分支”包含與重力矢量同向的投影分量。

圖2是密度大于周圍液體的液滴受力分析圖；圖3是密度小于周圍液體的液滴受力分析圖；圖4是密度等于周圍液體的液滴受力分析圖。

圖5是本發明實施例的控制系統結構示意圖，微控制器通過對泵、閥的控制，實現驅動通道內的液滴周圍液體流動，并間接驅動液滴運動；同時，微控制器通過檢測裝置對通道內液滴進行實時檢測，并根據用戶預先設定的參數或條件，實時對泵、閥進行控制，或對電極進行加電、斷電控制，實現對符合用戶預先設定參數或條件的液滴在通道內的加液口附近被注入物質，進而液滴的密度發生改變，在通道分叉處，實現液滴因為重力、浮力的合力的方向不同，沿通道分叉結構的不同分支分別運動，從而實現分選。。