專利名稱：一種高通量微凝膠固定方法及其專用微流控芯片的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及微流控芯片中的微凝膠在線原位固定技術(shù)，特別提供了一種高通量微凝膠固定方法及其專用微流控芯片。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，微流控芯片(microfluidic chip)又稱芯片實驗室(lab on achip)，指的是把生物和化學等領域中所涉及的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，用以取代常規(guī)生物或化學實驗室的各種功能的一種技術(shù)。最近，基于液滴的微流控技術(shù)引起了越來越多的關(guān)注。與微通道相比較，微液滴具有如下優(yōu)勢:尺寸更小，通量更高，傳質(zhì)傳熱更加迅速，運輸和固定更加靈活，并且可以形成一個相對穩(wěn)定可控的液滴微環(huán)境；因此，在化學和生物學領域的許多高通量分析中，微液滴作為反應器被用于反應條件的篩選(如蛋白結(jié)晶、DNA分析等)，或者用來包裹各種粒子(包括細胞、細菌等)以進行各種生物學研究。高分子微凝膠是一類具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分子內(nèi)交聯(lián)的球形體系，其尺寸在微、納米量級。微凝膠的大小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和所包含的功能基團的種類等性質(zhì)都可以簡單地通過改變單體組成、交聯(lián)劑的用量以及制備條件等進行控制。在分散穩(wěn)定劑的作用下，微凝膠在水或有機介質(zhì)中能較好地分散且相應的物理、化學性質(zhì)均與其構(gòu)象變化密切相關(guān)。對于外界環(huán)境條件如溫度、pH、離子強度、電場或磁場等的改變，微凝膠即表現(xiàn)出相應的刺激響應特性。與其它合成高分子如樹枝狀化合物、嵌段共聚物等相比，高分子微凝膠不僅制備方法簡單、容易引入反應性基團，而且通過選擇合適的聚合方法，微凝膠的尺寸可以從納米級到微米級能得到有效控制。高分子微凝膠所具有的特殊結(jié)構(gòu)與獨特性能，使其已在工業(yè)生產(chǎn)涂料和油漆等領域中獲得技術(shù)性的應用，并在藥物控制釋放、催化劑載體、水體凈化、化學分離等方面有著極大的應用潛力，而基于高分子微凝膠制備無機微、納米材料的研究工作也受到了關(guān)注?；谝旱渭夹g(shù)形成和固化微凝膠可以快速，簡單，穩(wěn)定的操作并可以高通量精確地控制凝膠微球的尺寸，與微流控芯片將結(jié)合，可以實現(xiàn)為凝膠的原位固化。因此，人們期望獲得一種滿足使用要求且技術(shù)效果較好的高通量微液滴固定方法及其專用微流控芯片。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種高通量微凝膠固定方法及其專用微流控芯片，涉及的微流控芯片制造簡單，實驗操作方便，固定效果穩(wěn)定，且易于與芯片上其他功能單元進行靈活組合和規(guī)模集成。本發(fā)明提供了一種微流控芯片，所述微流控芯片為雙層結(jié)構(gòu)，分為上、下兩層，上層為液滴捕獲器陣列，每20個液滴捕獲器通過細通道連接在一起，同時每個液滴捕獲器通過液滴疏運通道連通，且皆布置在液滴疏運通道的上部；下層為T型液滴生成區(qū)和液滴疏運通道，一個連續(xù)相入口和四個分散相入口相連組成T型液滴生成區(qū)的進樣端，液滴疏運通道串聯(lián)在T型液滴生成區(qū)之后。本發(fā)明提供的微流控芯片，所述液滴捕獲器的結(jié)構(gòu)形狀為圓柱體，所述液滴捕獲器總數(shù)為80個，并且每20個液滴捕獲器為一組連續(xù)布置在液滴疏運通道中。本發(fā)明還提供了一種基于上面所述微流控芯片的高通量微凝膠固定方法，基于表面張力原理，具體方法為:將微流控芯片上的連續(xù)相和分散相入口通過特氟龍管分別與兩個注射泵相連接，在注射泵驅(qū)動下，將連續(xù)相和分散相分別注入芯片，既而在T型液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液滴；連續(xù)產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動下繼續(xù)流動并進入液滴捕獲器陣列，液滴在流經(jīng)捕獲器下方通道時由于表面張力的共同作用向上進入捕獲器；后續(xù)液滴從已經(jīng)成功固定液滴的液滴捕獲器的下方通道流過，繼而被順序地捕獲于后續(xù)的液滴捕獲器中，當微液滴全部進入液滴捕獲器中，停止注射泵，把整個芯片裝置置于4攝氏度的條件下保持30分鐘，液滴固化成凝膠，形成高通量的微凝膠陣列。本發(fā)明提供的高通量微凝膠固定方法，所述連續(xù)相為油相(優(yōu)選為氟化液-氟碳-40 (FC-40))，分散相為瓊脂糖水溶液(優(yōu)選為0.5%瓊脂糖水溶液)。本發(fā)明提供的高通量微凝膠固定方法，所述微凝膠的固化方法是通過降低溫度介導的，溫度是由室溫降低到4度。本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
1)本發(fā)明產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動下會自動進入液滴捕獲陣列并被順序地捕獲于圓柱體的微液滴捕獲器中；
2)本發(fā)明的創(chuàng)造性是在芯片上利用表面張力的作用完成了凝膠的固定，利用溫度介導微凝膠固化，芯片設計簡單，操作方式簡便，捕獲效果穩(wěn)定；
3)本發(fā)明簡化了凝膠固定原理和過程，易于與其他功能單元進行靈活組合和規(guī)模集成。


圖1為集成化微流控芯片平臺整體結(jié)構(gòu)示意圖，其中:I為連續(xù)相入口，2為分散相入口，3為凝膠捕獲陣列，4為廢液出口，該芯片包含4個分散相的入口，可同時進4種不同的樣品；
圖2為凝膠捕獲陣列中T型通道和一個凝膠捕獲器的放大圖，其中，I為形成的前驅(qū)微液滴，2為一個微凝膠捕獲器；
圖3為微液滴在捕獲陣列中的固定過程示意圖，其中:A說明前驅(qū)液滴I位于下層疏運通道，由于空間限制呈長條狀；B說明前驅(qū)液滴I流至捕獲器下方，由于表面張力的作用向上升，開始進入直徑比疏運通道大的捕獲器中；C說明前驅(qū)液滴I繼續(xù)上升，完全進入捕獲器，并恢復表面張力最小的球體狀態(tài)而被穩(wěn)定捕獲，前驅(qū)液滴2繼續(xù)向前流動；D說明前驅(qū)液滴I被穩(wěn)定捕獲在捕獲器中，前驅(qū)液滴2從下層的疏運通道繼續(xù)向前，不與前驅(qū)液滴I發(fā)生融合，進入下一個捕獲單元；E說明前驅(qū)微液滴I在4攝氏度放置30分鐘后凝固成微凝膠3 ;
圖4為微凝膠在線捕獲陣列實物 圖5為ACCM細胞在瓊脂糖微凝膠中1，2，3天的增殖情況實物 圖6為ACCM細胞在瓊脂糖微凝膠中1，2，3天的增殖情況統(tǒng)計圖。
具體實施例方式下面的實施例將對本發(fā)明予以進一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。實施例1 一種基于表面張力原理的微流控芯片上高通量微凝膠固定方法及其專
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用心片ο用于高通量微凝膠固定方法的微流控芯片，該芯片為雙層結(jié)構(gòu)，分為上、下兩層，上層為液滴捕獲器陣列，每20個液滴捕獲器通過細通道連接在一起，同時每個液滴捕獲器通過液滴疏運通道連通，且皆布置在液滴疏運通道的上部；下層為T型液滴生成區(qū)和液滴疏運通道，一個連續(xù)相入口和四個分散相入口相連組成T型液滴生成區(qū)的進樣端，液滴疏運通道串聯(lián)在T型液滴生成區(qū)之后，如圖1所示。一種基于表面張力原理的微流控芯片上高通量微凝膠固定方法，方法具體過程為:將芯片上的連續(xù)相(氟化液-氟碳-40(FC-40))和分散相(0.5%ff/V的瓊脂糖水溶液)入口通過特氟龍管分別與注射泵相連接，在注射泵驅(qū)動下，將連續(xù)相和分散相分別注入芯片，既而在T型微液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液滴；連續(xù)產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動下繼續(xù)流動并進入液滴捕獲器陣列，液滴在流經(jīng)捕獲器下方通道時由于表面張力的作用向上進入圓柱體捕獲器，后續(xù)液滴接著從下方通道流過，繼而被順序地捕獲于圓柱體的液滴捕獲器中；微液滴被完全捕獲后，關(guān)閉注射泵以停止液滴產(chǎn)生和流體流動。將捕獲液滴的芯片置于4攝氏度的環(huán)境中保持30分鐘，微液滴固化成微凝膠，過程如圖3所示。所述微液滴捕獲原理為:在T型微液滴生成區(qū)產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動下繼續(xù)流動并進入液滴捕獲器陣列，液滴在流經(jīng)捕獲器下方通道時由于表面張力的作用向上進入圓柱體捕獲器；液滴在下方通道中處于被擠壓狀態(tài)，進入捕獲器后恢復球形，表面張力最小，因而狀態(tài)穩(wěn)固；后續(xù)液滴接著從下方通道流過，繼而被順序地捕獲于后面的圓柱體的液滴捕獲器中，每20個圓柱體的液滴捕獲器由狹窄的通道連接，對連續(xù)相有分流的作用，可以更好的提聞捕獲率。實施例2 —種基于表面張力原理的微流控芯片上高通量多組分的微凝膠在線固定方法
具體方法為:在芯片的不同分散相入口通過特氟龍管分別與四個注射泵連接，在注射泵驅(qū)動下，將連續(xù)相和分散相分別注入芯片，既而在T型微液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液滴；分散相分別為不同顏色墨水標記0.5%ff/V的瓊脂糖溶液。連續(xù)產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動下繼續(xù)流動并進入液滴捕獲器陣列，液滴在流經(jīng)捕獲器下方通道時由于表面張力的作用向上進入圓柱體捕獲器，微液滴被完全捕獲后，關(guān)閉注射泵以停止液滴產(chǎn)生和流體流動。將捕獲液滴的芯片置于4攝氏度的環(huán)境中保持30分鐘，微液滴固化成微凝膠，形成多組分的瓊脂糖微凝膠陣列，如圖4所示。實施例3 —種高通量微凝膠在線固定方法用于細胞的三維培養(yǎng)。具體方法是:將芯片上的連續(xù)相和分散相入口通過特氟龍管分別與兩個注射泵相連接，在注射泵驅(qū)動下，將連續(xù)相和分散相分別注入芯片，既而在T型微液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性包裹細胞的微液滴，連續(xù)相為FC-40，分散相為0.5%ff/V的瓊脂糖ACCM細胞懸液。連續(xù)產(chǎn)生的包裹細胞的微液滴在注射泵驅(qū)動下繼續(xù)流動并進入液滴捕獲器陣列，液滴在流經(jīng)捕獲器下方通道時由于和表面張力的共同作用向上進入圓柱體捕獲器；后續(xù)液滴從已經(jīng)成功固定液滴的液滴捕獲器的下方通道流過，繼而被順序地捕獲于后續(xù)的圓柱體的液滴捕獲器中。包裹細胞的瓊脂糖微陣列的芯片置于4攝氏度條件下保持30分鐘，包裹細胞的微液滴固化成微凝膠，然后在連續(xù)相入口通過注射泵連接細胞培養(yǎng)液，放入細胞培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)三天(如圖5所示)。從圖中可以看出ACCM細胞在瓊脂糖微凝膠中的增殖情況，由圖標可以看出ACCM的細胞在瓊脂糖的三維基質(zhì)中的增殖不是很明顯(生長趨如圖6所示)，這是符合細胞三維培養(yǎng)的增殖規(guī)律，在ACCM細胞在瓊脂糖微凝膠中培養(yǎng)第三天用PI染色，統(tǒng)計細胞的存活率為75%，生長情況良好(如圖7所示)。
權(quán)利要求
1.一種微流控芯片，其特征在于:所述微流控芯片為雙層結(jié)構(gòu)，分為上、下兩層， 上層為液滴捕獲器陣列，每20個液滴捕獲器通過細通道連接在一起，同時每個液滴捕獲器通過液滴疏運通道連通，且皆布置在液滴疏運通道的上部； 下層為T型液滴生成區(qū)和液滴疏運通道，一個連續(xù)相入口和四個分散相入口相連組成T型液滴生成區(qū)的進樣端，液滴疏運通道串聯(lián)在T型液滴生成區(qū)之后。
2.按照權(quán)利要求1所述微流控芯片，其特征在于:所述液滴捕獲器的結(jié)構(gòu)形狀為圓柱體。
3.按照權(quán)利要求1所述微流控芯片，其特征在于:所述液滴捕獲器總數(shù)為80個，并且每20個液滴捕獲器為一組連續(xù)布置在液滴疏運通道中。
4.一種基于權(quán)利要求1所述微流控芯片的高通量微凝膠固定方法，基于表面張力原理，其特征在于:將微流控芯片上的連續(xù)相和分散相入口通過特氟龍管分別與兩個注射泵相連接，在注射泵驅(qū)動下，將連續(xù)相和分散相分別注入芯片，既而在T型液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液滴； 連續(xù)產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動下繼續(xù)流動并進入液滴捕獲器陣列，液滴在流經(jīng)捕獲器下方通道時由于表面張力的共同作用向上進入捕獲器；后續(xù)液滴從已經(jīng)成功固定液滴的液滴捕獲器的下方通道流過，繼而被順序地捕獲于后續(xù)的液滴捕獲器中，把捕獲了液滴的芯片放于4度環(huán)境中保持30分鐘，液滴固化成凝膠，形成高通量的微凝膠陣列。
5.按照權(quán)利要求4所述的高通量微凝膠固定方法，其特征在于:所述連續(xù)相為油相，分散相為瓊脂糖水溶液。
6.按照權(quán)利要求5所述的高通量微凝膠固定方法，其特征在于:所述連續(xù)相為氟化液-氟碳-40，分散相為0.5%的瓊脂糖水溶液。
7.按照權(quán)利要求4所述的高通量微凝膠固定方法，其特征在于:所述微凝膠的固化方法是通過降低溫度介導的，溫度是由室溫降低到4度。
8.權(quán)利要求4所述的高通量微凝膠固定方法，應用于細胞的三維培養(yǎng)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高通量微凝膠固定方法及其專用微流控芯片，該微流控芯片為雙層結(jié)構(gòu)，分為上、下兩層，上層為液滴捕獲器陣列，下層為T型液滴生成區(qū)和液滴疏運通道；并且基于該芯片利用表面張力原理進行了高通量微凝膠固定。該微流控芯片制造簡單，實驗原理操作方便，固定效果穩(wěn)定，且易于與芯片上其他功能單元進行靈活組合和規(guī)模集成，本發(fā)明產(chǎn)生的微液滴在注射泵驅(qū)動下會自動進入液滴捕獲陣列并被順序地捕獲于圓柱體的微液滴捕獲器中。
文檔編號B01L3/00GK103084225SQ20111033125
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者秦建華, 石楊 申請人:中國科學院大連化學物理研究所