一种多功能微通道阵列液滴生成器及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种液滴生成技术，具体是一种多功能微通道阵列液滴生成器及其使用方法。

背景技术

稳定均匀的油包水液滴微反应器(water-in-oil droplet micro-reactor)在单细胞测序、分子诊断、水凝胶微球合成等生物医学领域具有广阔的应用前景。微流控技术是一种通过在微通道中控制流体运动形成均匀液滴的通用方法。但是，现有的微流控芯片使用通常需要额外配套昂贵而笨重的辅助设备，较复杂的操作方式，从而增加了使用成本和人力成本，限制了其应用场景。因此，需要开发一种简易便捷的多功能液滴生成方法，降低成本，满足不同应用场景的使用需求。

因此，现有技术中的液滴生成器配套的辅助设备昂贵，而且使用环境局限，不能满足不同场景下使用的技术需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能微通道阵列液滴生成器及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多功能微通道阵列液滴生成器，其特征在于，包括：

样本桶体，所述样本桶体的中部开设有上下贯穿的水相通道，所述水相通道用于盛放水相或作为水相入口；

芯片，其上端面与所述样本桶体的底面之间键合连接，环绕所述芯片的外周刻有若干个微通道阵列，所述芯片的中部开设有与所述水相通道适配连通的溶液主流道，所述溶液主流道的外周向外发散开设有若干个均匀排布的溶液辅流道。

优选的，所述微通道阵列包括环绕所述芯片的外周依次间隔排列的凸块，任意相邻的两个所述凸块之间形成微通道，所述微通道的末端呈喇叭状，所述微通道的喇叭口朝外设置。

优选的，所述凸块的上端高于所述芯片的上端面，所述芯片的六个边各个角的位置设置有卡块，所述样本桶体的底面上对应所述卡块设置有卡槽，所述卡块卡入所述卡槽中实现连接；

所述微通道与所述样本桶体的底面形成供样本溶液中的水相分散到油相中的空隙。

优选的，所述芯片采用硅材质，所述芯片为六条棱边围合成的六棱柱结构，每个所述溶液辅流道设置在每个所述棱边的中部，并与所述凸块的后端面之间形成供样本溶液汇合流动的汇合槽，所述汇合槽连通所述溶液辅流道；

所述样本桶体采用塑料材质，呈六棱柱结构，所述样本桶体与所述芯片的形状相适配。

优选的，所述水相通道内安装用于盛装样本溶液的水相杯。

优选的，所述芯片采用梯度乳化原理，生成液滴的大小与所述微通道的形状和尺寸相适配。

本发明还公开了一种多功能微通道阵列液滴生成器的使用方法，采用上述的多功能微通道阵列液滴生成器，包括以下步骤：

将液滴生成器的芯片部分浸入盛有油相的离心管中；

将水相通道中加入作为水相的样本溶液；

通过压力生成装置将所述水相通道中的水相挤入所述芯片中，水相沿着芯片的溶液主流道向外扩散到各个溶液辅流道，并通过溶液辅流道扩散到微通道阵列中，之后通过微通道阵列分散到离心管中的油相中，产生液滴。

优选的，所述压力生成装置为微量注射器，通过手持微量注射器，将微量注射器的出口端连接所述水相通道，通过注射产生的压力将水相挤入芯片中，并分散到油相中产生液滴。

优选的，所述压力生成装置为注射泵与微量注射器，所述注射泵连接所述微量注射器，将微量注射器的出口端连接所述水相通道，通过注射泵对微量注射器产生的压力，将水相挤入芯片中，并分散到油相中产生液滴。

优选的，所述压力生成装置为离心机，所述离心机上装设有均匀排布的若干个的安装槽位，并将芯片浸入盛有油的离心管中形成液滴生成装置，并通过水相通道加入水相，将液滴生成装置批量放入安装槽位内，开启离心机，通过离心机的离心力将水相甩入油相中批量生成液滴。

与现有技术相比，本发明的液滴生成器简单、高效，可通过手持注射，或注射泵注射，或批量离心的手段实现均匀液滴的高通量精确制备的方法，克服现有液滴发生装置及其控制仪器的成本较高的问题，并且可以随时随地生成液滴，高通量生成液滴，也可进行大量平行实验，满足不同应用场景的需求，并且能够确保生成的液滴颗粒大小的均匀性，可有效提高液滴颗粒大小的CV值的特点。

附图说明

图1为本发明液滴生成器中芯片的结构示意图；

图2为本发明液滴生成器中样本桶体结构示意图；

图3为本发明液滴生成器的结构示意图；

图4为本发明在生成液滴中与液滴生成器配套的离心管的安装结构示意图；

图5为本发明在生成液滴中与液滴生成器配套的水相杯及离心管的安装结构示意图；

图6为本发明第一个实施例中手持微量注射器的方式进行挤压液滴的结构示意图；

图7为本发明第二个实施例中通过注射泵方式挤压形成液滴的结构示意图；

图8为本发明第三个实施例中通过离心泵的离心力形成液滴的结构示意图；

图9为第一个实施例中不同实验人员通过手持注射方式产生的液滴形态；

图10为第二个实施例中在不同的流速下产生的液滴形态；

图11为第二个实施例中采用不同的油相的前提下产生的液滴的形态；

图12为在第三个实施例中不同的离心速率下产生的液滴形态。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图3，本发明提出一种多功能微通道阵列液滴生成器，包括样本桶体2和芯片1，其中样本桶体2，样本桶体2优选采用塑料材质，呈六棱柱结构，样本桶体2的中部开设有上下贯穿的水相通道4，水相通道4与芯片1键合后可用于盛放水相或作为水相入口，液滴发生装置集成度更高。

在另外一个实施例中，参见图5，也可以在水相通道4内安装用于盛装样本溶液的水相杯8，即将水相杯插入水相通道4内，水相杯8的上端向外侧凸出有外沿801，外沿801 的直径大于水相通道4的直径，因此在水相杯8插入水相通道4时，外沿801起到限定水相杯8的位置的作用，同时能够防止水相杯8掉落入水相通道4内。样本溶液也可以称为水相，再通过水相杯8可以和标准的注射器口进行组装，其特点和创新点是使用便携，集成度高，与实验室常用注射器和离心管匹配行高。

芯片1的上端面与样本桶体2的底面之间键合连接，环绕芯片1的外周刻有若干个微通道阵列，芯片1的中部开设有与水相通道4适配连通的溶液主流道31，样本溶液通过水相通道4流入溶液主流道3中，圆形的溶液主流道3的外周向外发散开设有若干个均匀排布的溶液辅流道31，样本溶液通过主流道3往外分散流入各个溶液辅流道31内。

其中，微通道阵列包括环绕所述芯片1的外周依次间隔排列的凸块5，任意相邻的两个所述凸块5之间形成微通道6，微通道6用于供样本溶液流入并通过微通道6形成生成的液滴，微通道6的末端呈喇叭状，微通道6的喇叭口朝外设置。微通道6的形状和尺寸即决定了生成的液滴颗粒的大小，可以有效确保液滴大小的均匀性，进而有效提高液滴颗粒大小的CV值的特点，芯片1采用梯度乳化原理，生成液滴的大小与微通道6的形状和尺寸相适配，理论上液滴大小只与水相通道微通道6的形状相关，因此，只要做好芯片1 内部疏水处理，液滴的大小不会受水相流速或压力的影响。

凸块5的上端高于芯片1的上端面，芯片1的四周个角处设置有卡块71，样本桶体2的底面上对应卡块71设置有卡槽，卡块71卡入卡槽中实现连接；由于凸块5的上端面比芯片1的上端面高出一段距离，因此在芯片1和样本桶体2实现连接之后，微通道6与样本桶体2的底面形成供样本溶液中的水相分散到油相中的空隙，即形成了一个反应形成液滴的通道。

本发明中，芯片1采用硅材质，芯片1为六条棱边7围合成的六棱柱结构，样本桶体2与芯片1的形状相适配，每个溶液辅流道31设置在每个棱边7的中部，并与所述凸块5 的后端面之间形成供样本溶液汇合流动的汇合槽32，汇合槽32连通溶液辅流道31，这样通过各个溶液辅流道31集中流入汇合槽32中，再通过汇合槽32分别流入微通道6内，形成水相的顺畅流动。

本装置的液滴生成器的设计基于阶梯乳化(step emulsification)原理，是一种由几何形状诱导拉普拉斯压力差进而自发形成液滴的制备方法，主要由界面张力驱动，而不是高能剪切应力系统驱动，理论上液滴大小与连续相和分散相两者的流速无关，因此具有低剪切、对流量不敏感以及结构简单易于集成的特点。所以本装置的液滴生成器在不同的压力、不同的速率等情况下能够产生颗粒均匀的液滴。

参见附图4-附图8，本发明还公开了一种多功能微通道阵列液滴生成器的使用方法，该使用方法采用上文中所述的多功能微通道阵列液滴生成器，包括以下步骤：

将液滴生成器的芯片1部分浸入盛有油相的离心管9中，离心管优选为1.5ml；

将水相通道4中加入作为水相的样本溶液；

通过压力生成装置将水相通道4中的水相挤入芯片1中，水相沿着芯片的主流道3向外扩散到各个辅流道31，并通过辅流道31扩散到微通道阵列的各个微通道6中，之后通过微通道阵列分散到离心管9中的油相中，在压力生成装置的压力作用下，产生液滴。

本发明中，压力生成装置可以根据需要进行灵活选择，适用于各种环境下，也适用于各种挤压力作用下，可以生成大小尺寸基本一致的液滴。

参见图6，压力生成装置为微量注射器81，在使用过程中，将芯片1等结构浸入盛有油的离心管9中，通过手持微量注射器81，将微量注射器81的出口端连接水相通道4，通过注射产生的压力将水相挤入芯片1中，依次通过主流道3---辅流道31---汇合槽32---微通道6中，并通过微通道6分散到油相中产生液滴。

采用手持微量注射器81的最大的创新点在于可手持式稳定生成液滴，无需配套的笨重的辅助设备(例如注射泵)，且无需在固定的场景生成液滴，同时减少了使用成本。

参见图9可知，不同实验人员通过手持注射方式生产液滴，液滴大小均匀，不同人员误差较小，操作简单，任何学历者都可应用操作，一目了然，无需专业训练，很大程度上拓展了应用了场景。

参见图7，压力生成装置为注射泵82与微量注射器81配套使用，注射泵82连接微量注射器81，这种情况下无需用手提供压力来源，通过注射泵82自动为微量注射器81施加压力。

将微量注射器81的出口端连接水相通道4，通过注射泵82对微量注射器81产生的压力，将水相挤入芯片1中，依次通过主流道3---辅流道31---汇合槽32---微通道6中，并通过微通道6分散到离心管9中的油相91中产生液滴。

该实施例最大的创新点在于无需手动提供动力来源，能够自动工作，提升了智能化，可以高通量连续生成液滴，液滴生成速率最高可达十几mL/h。

参见图10可知，通过注射泵82注射的方式能够高通量连续不断生产液滴，在较低流速时(低于1000微升/小时)，产生的液滴尺寸较均匀，当继续增大流速时，液滴的尺寸会有少许增加，尺寸均匀性略有下降。需要指出的是，可以通过增加芯片1的内部水相通道数进一步提高形成液滴的通量，满足工业上大量生产液滴的需求。

此外，分散相无论是矿物油还是氟化油都有很好的兼容性，如图11所示，当采用7500 氟化油作为分散相时，同样能保证液滴的均匀性。

参见图8，压力生成装置为离心机83，离心机83上装设有均匀排布的若干个的安装槽位84，安装槽位84用于插入封装好的液滴生成装置，并将芯片1浸入盛有油的离心管 9中形成液滴生成装置，并通过水相通道4加入水相，将液滴生成装置批量放入安装槽位 84内，开启离心机83，通过离心机83的离心力将水相甩入油相91中批量生成液滴，具体的液体流向依然为依次通过主流道3---辅流道31---汇合槽32---微通道6中，并通过微通道6分散到离心管9中的油相91中产生液滴。

该实施例最大的创新点在于可以借助实验室现有的离心机产液滴，无需额外购买配套装置，节约了使用成本；此外，可以通过离心机批量进行实验，节约了时间成本和人力成本，提高了生产的效率。

通过离心产液滴的方式能够同时大批量生产液滴，如图12所示，当离心速率为100～200g时，只需离心1分钟，30μL水相即可完全生成液滴，并且可以保证液滴有很好的均匀性和稳定性，此种方法可以满足各类平行实验，极大减小实验的操作成本和时间成本。

在上述三种实施例中，如果在水相通道4中装入水相杯8的实施例中同样适用。

综上，本发明公开一种简单、高效，可通过手持注射，或注射泵注射，或批量离心的手段实现均匀液滴的高通量精确制备的方法，克服现有液滴发生装置及其配套仪器的成本较高的问题，并且可以随时随地生成液滴，高通量快速生成液滴，也可进行大量平行实验，满足不同应用场景的需求，同时在分子诊断方面具有实际应用价值；同时，本发明具有能确保生成的液滴颗粒大小的均匀性，可有效提高液滴颗粒大小的CV值的特点。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。