[发明专利]基于三层夹心圆盘式芯片的液滴形成和捕获方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术，特别提供了一种基于三层夹心圆盘式芯片的液滴形成和捕获方法及其应用。

背景技术

微流控芯片是一种新兴的科学技术平台，它依托于一块几平方厘米的芯片，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，可以取代常规化学或生物实验室的各种功能。它的基本特征是耗样量极低，样品处理速度快，包括反应、检测在内的多种单元技术可在微小平台上灵活组合、规模集成。发展至今，微流控芯片涉及的领域越来越广，不断派生出新的分支。

最近在微流控芯片上发展起来一种液滴(droplet)技术，这种技术的基本点是利用互不混溶的两相流，在流体剪切力和界面张力的作用下，其中的一相分散在另一相中，形成一系列单分散的液滴，每个液滴包含特定的化学反应或生物反应，形成平行的微反应器。基于液滴的微反应器具有反应物的快速混合，反应时间的精确控制，高通量，小体积等优点，是潜在的高通量筛选平台。但是液滴的快速流动性增加了液滴的检测难度，特别是需要实时监控反应，需要动力学数据的分析。针对存在的问题，最近液滴的捕获技术越来越被重视。目前液滴的捕获技术主要是基于几何尺寸的捕获，上游产生的液滴流经捕获区域时，在各种力的作用下，进入捕获区域，其特点是液滴先产生，后捕获。这种特点决定了必须精确控制液滴的大小和捕获区域匹配，过大会导致液滴不能进入捕获区域，过小则会捕获不住。此外，流体流速的微小波动会导致液滴大小的变化，导致液滴的捕获效率低。

建立一种简单、高效的液滴捕获方法成为迫切的需要，尤其是对需要实时在线检测，需要动力学参数的分析。

目前液滴内进行的反应主要是液-液反应，包括：酶反应，纳米材料或微颗粒材料的合成，蛋白质结晶等；液滴内的气-液反应没有实现的原因是油相阻断了气相与水相的接触，反应难以发生。如何让液滴内的水相与气相充分接触，成为实现液滴内气-液反应的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于三层夹心圆盘式芯片的液滴形成和捕获及其应用。

本发明提供了一种三层夹心圆盘式芯片，该芯片由上、中、下三层组成；上层是具有几何微结构的芯片，由储液池1、储液池2、几何微结构组成；中层是薄膜层；下层为气体通路芯片；所述几何微结构由主通道，侧通道和捕获区域组成。

本发明提供的三层夹心圆盘式芯片，所述芯片上层的材质是玻璃，中层薄膜是高聚物(优选PDMS)，芯片下层的材质是玻璃。

本发明还提供了一种基于三层夹心圆盘式芯片的液滴形成和捕获的方法，具体步骤如下：

将具有几何微结构的PDMS-玻璃杂交芯片在真空干燥器中脱气3-5分钟，然后取出，在储液池1中加入水相，储液池2中抽一下真空，使水溶液充满主通道，静置，在PDMS的透气作用下，水溶液进入捕获区域，待捕获区域充满后，在储液池2抽真空，主通道中的溶液被抽走，然后在储液池1中加入油相，油相浸润主通道，形成油包水的液滴；

PDMS-玻璃杂交芯片上水包油的液滴形成方法基本同上，由于水不浸润PDMS，主通道中的油相被抽走之后，向储液池1中加入水相，然后在储液池2抽真空，促使水相封闭油滴。

本发明提供的基于三层夹心圆盘式芯片的液滴形成和捕获的方法，通过改变捕获区域的面积可以方便的形成不同大小的液滴，液滴的尺寸和捕获区域的尺寸高度一致；通过改变捕获区域的形状，形成的液滴的形状也会相应的改变，可以形成圆形、方形、多边形以及不规则形等等。

本发明提供的基于三层夹心圆盘式芯片的液滴形成和捕获的方法，通过使用多个阵列液滴形成单元的离心圆盘式芯片，以离心力为驱动力，在靠近圆心的每个储液池中加入组分不同的水溶液，采用上述液滴形成和捕获的方法，形成不同组分的阵列液滴。

本发明提供的芯片应用于pH梯度的形成和液滴内的气-液反应。

本发明提供的pH梯度的形成，具体步骤如下：以pH指示剂为水相，氟化油Fc40为油相，在芯片上层形成pH指示剂的液滴，然后在下层气体通路中持续通入NH₃，NH₃透过PDMS薄膜进入液滴，并与液滴中的指示剂反应，液滴的碱性增加，颜色变深；随着氨气扩散距离的增加，氨气的浓度降低，液滴吸收的氨气量减少，碱性的增加幅度减小，形成以气体通路正上方的液滴为中心，向两侧液滴逐渐变化的pH梯度。