用于肠道微生物检测的微液滴制备芯片制造技术

本发明专利技术涉及一种用于肠道微生物检测的液滴制备芯片，通过设置调节通道，使得能够对多重包裹液滴的尺寸进行精确的控制与调节；根据液滴制备需求的变化，能够通过调节通道动力参数的改变获取具有不同尺寸的多重包裹液滴；同时，本发明专利技术的调节并不局限与多重包裹液滴的整体尺寸，对多重包裹液滴的内核尺寸、包裹层厚度等均可以独立调节；本发明专利技术的液滴制备芯片允许在同一个芯片上制备出不同规格的均一化双重乳液液滴，具有在一定液滴尺寸范围内的通用性，可以作为独立的液滴制备单元与多种规格的液滴使用单元组合，从而极大的降低检测成本。

Microdroplet chip for intestinal microbiological detection

【技术实现步骤摘要】
用于肠道微生物检测的微液滴制备芯片
本专利技术涉及微流控
，具体的涉及一种用于肠道微生物检测的微液滴制备芯片。
技术介绍
肠道微生物指寄居在人类肠道内微生物群落的总称，包括细菌、古细菌和单细胞真核生物等，与肠道环境共同构成了一个巨大而复杂的生态系统。人类的肠道是一个营养丰富的微环境，承载的细菌数量高达100万亿个，人类肠道微生物的基因数达500万，是人类基因数的150倍。肠道微生物与代谢性疾病、心血管疾病、消化系统疾病、癌症、免疫系统疾病以及中枢神经系统疾病具有一定相关性，通过对其结构、功能以及致病机制的研究，有利于在疾病的治疗和开发新的治疗方式上发挥作用。随着微流控技术的发展，其在微生物/核酸检测领域的重要性逐渐凸显。其中，数字PCR法是目前基于微流控手段进行的微生物/核酸检测的主流方法，具有极高的灵敏度和准确性，适用于对微量样品中特定核酸的准确定量分析。数字PCR技术是一种基于统计学原理的检测手段，其主要手段是将样品溶液或其稀释液分配到大量微液滴中，以液滴作为微反应器进行扩增反应，再对反应结果进行荧光检测，然后根据泊松分布原理得出样品中目标DNA的初始拷贝数。目前，用于数字PCR检测的微液滴通常均为油包水型单包裹液滴体系。中国专利（CN109746061A）在其公开内容中介绍了此类液滴的受控制备方法，其介绍，对于三种常见的液滴生成模式，即同轴流、交叉流及流动聚焦模式，均可以通过调整连续相流体的流速控制所生成的液滴的尺寸，其中在流速较低的挤压模态下，液滴具有较大的尺寸，在流速较高的射流模态下，液滴尺寸相对最小。中国专利（CN107429426A）在其公开内容中提出，由于用于数字PCR检测的单包裹液滴体系的乳液载体相为惰性的油相，这会阻止微滴反应器用可用的方法(诸如与油载体相不相容的荧光激活细胞分选术)来进行检测、定量和分选。该专利同时提出通过使用双重乳液进行数字PCR检测以克服上述问题。但多重乳液的制备，尤其是对用于数字PCR检测目的多重乳液的制备，在液滴尺寸、液滴重数、内核液滴数量等维度的均一化方面均面临挑战。对于单包裹液滴而言，可以通过调整连续相的流速控制液滴的尺寸；但在多重乳液的制备过程中，存在多个连续相，且通常后一级连续相的注入速度不允许随意的改变，例如对于双重乳液的制备而言，第一级连续相（油）剪切水性内核流体，生成油包水液滴并沿为微通道向前移动，第二级连续相（水相）剪切包含有油包水液滴的第一级连续相，生成水包油包水液滴，此过程中，由于油包水液滴在第一级连续相中间距，因此，第二连续相的注入速度实质上是受控的，以使第一级连续相在第二级连续相的剪切下，恰好在两个油包水液滴的中间处断裂；否则由于过程的持续进行，第一级连续相在第二级连续相的剪切下，断裂位置将是变化和不可控的，其结果是生成的双重液滴的不可控，例如，在第二级连续相的剪切下，可能会生成水包油包水双重液滴，也可能会生成水包油单包裹液滴，并夹杂来自第一级连续相剪切过程中生成的油包水液滴；进而使得液滴体系混乱。因此，目前的多重乳液制备芯片通常均为专用芯片。而多重乳液制备芯片往往要求对微通道的不同部位进行不同的亲疏水改性，这使得多重乳液制备芯片的制造成本和难度均很高，若能使多重乳液制备芯片具有制备不同尺寸液滴的通用属性，将在很大程度上降低液滴制备的成本。换言之，最终生成的水包油包水液滴实质上是分割诸而言，期望生产各维度均一的液滴是困难的。如上所述，在制备不同尺寸的液滴时，连续相流体的流速存在差异，这导致相邻的两个液滴在连续相内的距离可能因为其尺寸的变化（例如在制备不同批次液滴时）而不同；这可能会在对液滴进行二次包裹时同时得到水包油包水双重液滴和水包油单包裹液滴两种，在二次包裹过程中出现的单包裹液滴的原因是前一级中生成的两个相邻液滴的距离过大，导致第二次包裹时，局部被包裹的油连续相中并不包含水性液滴。虽然，这样的问题可以通过调整二次包裹时连续相的流速以使生成液滴的速度恰好与前一级的液滴间距相匹配，以避免在二次包裹时出现单包裹液滴，但这样的调节显然是困难的；更重要的是，如前所述，连续相流速的变化将导致生产的液滴尺寸的改变，例如降低连续相流速将导致液滴尺寸的增大，而这对数字PCR检测是不利的。
技术实现思路
为解决现有技术中的上述问题，本专利技术提供一种用于肠道微生物检测的微液滴制备芯片。本专利技术的微液滴制备芯片允许对双重乳液液滴的尺寸进行精确的控制与调节，能够在同一个芯片基础上制备处不同规格的均一化双重乳液液滴，具有在一定液滴尺寸范围内的通用性，可以作为独立的液滴制备单元与多种规格的液滴使用单元（例如数字PCR芯片）组合，从而极大的降低检测成本。虽然单包裹液滴的尺寸可以通过调节连续相的流速灵活的控制；但多包裹液滴的最终尺寸受多种因素限制，通常不能实现调节。以双重乳液的制备为例，参见图1-3，内核流体（一般为水相）被第一连续相（一般为油相）剪切后生成的单包裹液滴之间以基本恒定的距离排列在微通道中，该夹带单包裹液滴的第一连续相随后作为新的核流体被第二连续相（一般为水相）剪切，进而形成水包油包水的双重乳液液滴。理论上，在微通道中的每一个单包裹液滴及该微通道中被该单包裹液滴分配的第一连续相的体积之和（如图1-3、5-7中所示的V1和图5-7中的V1’，所述V1’为调整后的V1，将相邻两个微液滴之间的连续相体积均分，微液滴两侧分配所得的连续相体积之和再加上微液滴自身的体积即为V1或V1’，下称分配体积），与最终制备所得的双包裹液滴的体积（图1-3中的V2）之间应当相等，才能保证持续稳定的生成均一化的双包裹液滴。图1显示了V1=V2、挤压模态下的双重乳液制备过程。在挤压模态下，第一连续相以较低流速剪切内核流体，形成粒径较大的单包裹液滴，并且由于第一连续相的流速较低，相邻两个液滴间的距离小，分配体积V1小。由于V2=V1，第二连续相所需提供的剪切力是预定的，对应于其预定的流速。图2显示了V1=V2、射流模态下的双重乳液制备过程。在射流模态下，第一连续相以较高流速剪切内核流体，形成粒径较小的单包裹乳液，但由于第一连续相的流速较高，相邻两个液滴之间的间距大，分配体积V1大。由于V2=V1，第二连续相所需提供的剪切力也是预定的，对应于其预定的流速。图1、图2显示的两种情况表明，虽然通过提高第一连续相的流速可以制备更小尺寸的单包裹乳液，但流速的增大会引入更多的第一连续相流体，导致单包裹液滴的间距增大，使得在第一连续相射为流模态下得到的双包裹液滴的体积（图2）反而大于第一连续相为挤压模态下得到的双包裹液滴的体积（图1）。这使得制备更小尺寸的双包裹液滴非常困难。图3显示了V1≠V2、射流模态下的双重乳液制备过程。V1≠V2的含义是第二连续相的流速随意调节，而不考虑其他因素。这种情况下，虽然可以缩小由第二连续相剪切得到的液滴尺寸，但这种剪切模式无法保证包含单包裹液滴的第一连续相在第二连续相的剪切下恰好在两个单包裹液滴的中间位置处断裂，因此，其得到的液滴是包含：水包油包水双包裹液滴、水包油单包裹液滴和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于肠道微生物检测的微液滴制备芯片，其用于制备粒径可控的至少两层包裹的微液滴，包括盖片层和微通道层，其特征在于：所述微通道层包括内核流体通道（1），第一连续相通道（2），N重包裹液滴通道，第N+1连续相通道，N+1重包裹液滴通道；所述内核流体通道（1）与第一连续相通道（2）相交，其交汇处下游流体连通单包裹液滴通道（3）；所述N重包裹液滴通道与第N+1连续相通道相交，其交汇处下游流体连通N+1重包裹液滴通道；所述微液滴制备芯片还包括第N级调节通道（7），所述第N级调节通道（7）与N重包裹液滴通道流体连通，每一级调节通道（7）均连接于独立的动力单元，其中N为正整数。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于肠道微生物检测的微液滴制备芯片，其用于制备粒径可控的至少两层包裹的微液滴，包括盖片层和微通道层，其特征在于：所述微通道层包括内核流体通道（1），第一连续相通道（2），N重包裹液滴通道，第N+1连续相通道，N+1重包裹液滴通道；所述内核流体通道（1）与第一连续相通道（2）相交，其交汇处下游流体连通单包裹液滴通道（3）；所述N重包裹液滴通道与第N+1连续相通道相交，其交汇处下游流体连通N+1重包裹液滴通道；所述微液滴制备芯片还包括第N级调节通道（7），所述第N级调节通道（7）与N重包裹液滴通道流体连通，每一级调节通道（7）均连接于独立的动力单元，其中N为正整数。


2.如权利要求1所述的用于肠道微生物检测的微液滴制备芯片，其特征在于：第N级调节通道（7）在所述N重包裹液滴通道的两侧对称设置，且其具有与N重包裹液滴通道相同的表面性质。


3.如权利要求1所述的用于肠道微生物检测的微液滴制备芯片，其特征在于：所述第N级调节通道（7）由若干并列设置的子通道（71）构成，所述若干子通道（71）的间距为其自身宽度的0.5-3倍。


4.如权利要求1所述的用于肠道微生物检测的微液滴制备芯片，其特征在于：所述低N级调节通道（7）包括沿液流方向渐扩的收集通道（72）和布置在所述收集通道（72）与N重包裹液滴通道的连接处的引流格栅（73），所述引流格栅（73）由间隔布置的若干微柱（731）组成，相邻两个微柱（731）之间的间隙（732）形成第N连续相在N重包裹液滴通道与收集通道（72）之间的流动路径；所述收集通道（72）在沿液流方向的最大扩口处连接有集液通道（74）。


5.如权利要求4所述的用于肠道微生物检测的微液滴制备芯片，其特征在于：所述微柱731具有方形或圆形截面。


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【专利技术属性】
技术研发人员：徐迹，曾晶晶，吴明，徐敏，刘文兰，徐勇，黄建林，
申请(专利权)人：深圳市第二人民医院，
类型：发明
国别省市：广东;44