[发明专利]一种微流控浓度梯度液滴生成芯片及生成装置及其应用

说明书

一、技术领域：

本发明涉及微流控液滴分析领域，特别是涉及一种微流控浓度梯度液滴生成装置及将其用于基于流动注射梯度和液滴微流控技术的液滴生成方法。

二、背景技术：

基于液滴的微流控系统是当前微流控领域的重要研究方向和热点领域。它主要通过微通道网络的设计，在不互溶载液的作用下，将一相连续的流体分割成非连续的液滴。由于被不互溶相隔离，因此每个液滴可以看作一个独立的微反应器。基于液滴的微流控系统解决了基于连续流动的微流控系统中混合速度慢、分析通量低、易引起交叉污染等问题，并进一步减少了试剂和样品的消耗。另外，微液滴技术的操作自动化、生成频率高、分析速度快等优点，使其广泛应用于高通量筛选、单细胞分析、酶动力学测定等方面。

在进行化学和生物学研究中，通常需要配置一系列不同浓度的样品和试剂溶液，来考察不同浓度试样对实验对象的影响。比如在高通量药物筛选研究中，为了考察药物对酶或者细胞的作用效率，需要配置横跨几个数量级浓度的药物溶液。这些溶液一般利用手工或者自动化液体操作机器人，采用逐级稀释的方法来配置。配置操作过程繁琐、费时，且需要消耗大量的样品和试剂(微升至毫升级)，因此带来分析成本高，分析通量低的问题。

目前，在微流控芯片上一般采用T型或者十字型接口进行高通量液滴的生成。这类方法存在的问题是难以生成具有不同浓度的液滴。为了生成具有浓度梯度的液滴，Ismagilov研究组通过改变水相通道中样品、缓冲液和试剂的流速，对液滴内试样组分的浓度进行调节(H.Song，J.D.Tice，R.F.Ismagilov.A microfluidic system for controllingreaction networks in time.Angewandte Chemie-International Edition.2003.42(7)：768-772)。Damean等人结合微流控层流扩散与液滴生成技术，自动化生成了具有不同浓度试剂的液滴(N.Damean，L.F.Olguin，F.Hollfelder，C.Abell，WTS Huck.Simultaneous measurementof reactions in microdroplets filled by concentration gradients.Lab On AChip.2009.9(12)：1707-1713)。Jambovane等人则采用一系列的微阀，通过调节微阀的开启时间来调节试样注入液滴的体积，从而达到调节液滴内试样浓度的目的(S.Jambovane，D.J.Kim，E.C.Duin，S.K.Kim，J.W.Hong.Creation of Stepwise Concentration Gradient inPicoliter Droplets for Parallel Reactions of Matrix Metalloproteinase IIand IX.Analytical Chemistry.2011.83(9)：3358-3364)。然而，上述几种方法存在的问题是生成试样浓度的范围太窄，通常在一个到两个数量级之内，难以满足药物筛选等领域的要求。最近，Theberge等人将超高效液相色谱结合液滴生成技术来生成不同浓度梯度液滴(A.B.Theberge，G.Whyte，WTS Huck.Generation of Picoliter Droplets withDefined Contents and Concentration Gradients from the Separation ofChemical Mixtures.Analytical Chemistry.2010.82(9)：3449-3453)。这种方法利用液相色谱分离中试样区带的扩散行为来获得不同浓度的试样，具有浓度范围宽(2-3个数量级)、试样消耗低等特点。但是该方法耗时较长(约40分钟)，而且使用了较为昂贵的色谱仪器，不易普及。此外，色谱分离缓冲液中常用的甲醇或乙腈等有机添加剂对生物常用的酶或者细胞带来负面影响，限制了其在生化分析中的应用。

流动注射梯度技术是一种广泛使用的自动化液体处理和分析技术。它利用精确控制试样区带在连续载液中的物理扩散，结合基于出峰时间的电子矫正技术，从而获得连续的试样浓度信息。流动注射梯度技术具有分析时间短，试样消耗低，重现性好等优点。并且载液中不需要加入对生化分析有害的有机试剂等添加剂，具有较好的生物兼容性。然而，流动注射梯度技术并没有应用于基于液滴的微流控分析领域中。

三、发明内容：