以并行化设计实现微液滴高通量制备的三维微流控芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种通过并行化设计实现微液滴高通量制备的三维微流控芯片，包括微液滴单元生成层、键合在微液滴单元生成层下表面的基底层、以及键合在微液滴单元生成层上表面的液体分配层，所述微液滴单元生成层的下表面有若干并行化设置的液滴生成单元，每个所述液滴生成单元用于生成微液滴，所述液体分配层的下表面设有连续相分配流道和分散相分配流道，所述连续相流道用于使连续相流体分别进入每个液滴生成单元，所述分散相流道使相应的分散相流体分别进入每个液滴生成单元。本发明专利技术所述的三维微流控芯片装置通过并行了数个微液滴生成单元，可以实现在同一时间内，微液滴的产量提高数倍。

【技术实现步骤摘要】
以并行化设计实现微液滴高通量制备的三维微流控芯片
本专利技术属于微流控
，特别涉及一种通过并行化设计实现微液滴高通量制备的三维微流控芯片及方法。
技术介绍
液滴微流控技术是一项在微流道内通过多相流剪切形成单分散液滴，并对其进行操控的技术。该技术得益于能够在微尺度的流道之中，对多相流体之间的表面张力、粘性力等进行精确控制，对每种流体的速度可以进行精准调节，使之能够生产具有单分散、高度均匀性的微液滴。微流控技术所制备的微液滴已被证实可以在化学反应、材料合成、生物分析等领域有潜在的应用前景。尽管如此，微流控的液滴低产量(＜10mLh-1)一直是阻碍着这项技术从实验室阶段向着商业大规模应用化转变。一个微液滴生成单元的产量是有限的，但通过将数个微液滴生成单元并行以梯状的设计排列，可以实现在同一时间内使得微液滴产量提升数倍。N个微液滴生成单元拥有N个连续相入口、N个分散相入口以及N个收集出口，原则上则需要N+N台进液设备，这显然是耗时、耗力，并且将大大增加成本。目前所常用的液滴微流控装置大多是二维的流体流道，无论如何设计，微液滴的生成速率存在一定的限制，并不满足高通量的微液滴的生成。中国专利(授权号：ZL201911031393.1)公布了一种用于高通量微液滴生成的三维微流控装置及方法，涉及采用树枝状微流控流道分配液体的方法，但这种设计中的流体分支会占用较大的空间，相较于本专利技术所采用的梯状的流道分布设计会容纳更少的微液滴生成单元，且如果流体分枝中有一条流道发生了堵塞，会对于呈对称性流道中的流体分布造成一定的影响。中国专利(公开号为CN109908983A)公布了一种具有三维锥型结构的用于微液滴高比例分裂提取的微流控芯片，涉及一种具有三维锥形结构的微流控芯片。中国专利(公开号为CN206492517U)公布了一种基于PMMA材料的内嵌三维流道式微流控芯片。中国专利(公开号为CN209144161U)公布了一种微流控芯片系统，包括了微液滴产生装置、动力产生装置、收集瓶及连通微液滴产生装置、动力产生装置及收集瓶的连接装置。但是在以上的方法之中，其微液滴的生产速率是受到一定的限制的，并不能满足高通量制备微液滴所需要的生产规模。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供将连续相流体与分散相流体通过各自的分配流道输送到各个微液滴生成单元之中，以并行化的设计去实现微液滴的高通量生产的三维微流控芯片；本专利技术的另一个目的是提供利用上述芯片制备微液滴的方法。技术方案：本专利技术所述的一种通过并行化设计实现微液滴高通量制备的三维微流控芯片，包括微液滴单元生成层、键合在微液滴单元生成层下表面的基底层、以及键合在微液滴单元生成层上表面的液体分配层，所述微液滴单元生成层的下表面有若干并行化设置的微液滴生成单元，每个所述微液滴生成单元用于生成微液滴，所述液体分配层的下表面设有连续相分配流道和分散相分配流道，所述连续相流道用于使连续相流体分别进入每个液滴生成单元，所述分散相流道使相应的分散相流体分别进入每个液滴生成单元。本专利技术将通过引入多层微流体流道的设计，将连续相流体与分散相流体通过各自的分配流道输送到各个微液滴生成单元之中，实现并行化生产，这样能够显著减少注射泵的使用数量，从N+N台的注射泵的数量可以减少至两台注射泵。进一步的，所述液体分配层的上表面设有若干液体入口接头和若干收集口接头，所述液体入口接头包括一个连续相入口接头和若干分散相入口接头，所述液体分配层设有与连续相入口接头连通的连续相分配流道，以及和分散相入口接头一一对应连通的若干分散相分配流道，所述收集口接头用于收集液滴生成单元生成的微液滴。进一步的，所述微液滴单元生成层包括若干微液滴生成单元和主微液滴收集流道，每个所述微液滴生成单元包括与连续相分配流道连通的连续相入口、与连续相入口连通的连续相流道、与若干分散相分配流道一一对应且连通的分散相入口、与若干分散相入口一一对应且连通的分散相流道，连续相流体与混合后的分散相流体在流道交汇处的位置，在表面张力的作用下，剪切生成微液滴，所生成的微液滴汇入主微液滴收集流道，所述主微液滴收集流道末端设有微液滴出口。进一步的，所述液体分配层的上表面设有三个液体入口接头和一个收集口接头，所述液体入口接头包括连续相入口接头、第一分散相入口接头和第二分散相入口接头，所述液体分配层设有与连续相入口接头连通的连续相分配流道、与第一分散相入口接头连通的第一分散相分配流道、与第二分散相入口接头连通的第二分散相分配流道。进一步的，所述微液滴单元生成层包括若干微液滴生成单元和主微液滴收集流道，每个所述微液滴生成单元包括与连续相分配流道连通的连续相入口、连续相流道、与第一分散相分配流道连通的第一分散相入口、与第二分散相分配流道连通的第二分散相入口、第一分散相流道、第二分散相流道和输送流道，所述连续相流道前端连通连续相入口，后端连通输送流道，所述第一分散相流道前端连通第一分散相入口，后端连通输送流道，所述第二分散相流道前端连通第二分散相入口，后端连通输送流道，在输送流道中，两种分散相流体先汇集，再与连续相流体交汇，在交汇位置，在表面张力的作用下，剪切生成微液滴，所述输送流道末端连通主微液滴收集流道，所述主微液滴收集流道末端设有微液滴出口。进一步的，液体分配层内的流道高度均相等，高度范围为10-1000微米，液体分布层内的流道高度均相等，高度范围为10-1000微米。进一步的，所述液体分配层在各接头位置设有通孔，所述微液滴单元生成层在各入口位置、出口位置设有通孔。进一步的，所述流道的结构均为矩形流道，连续相流道与分散相流道均为对称设计，连续相流体与汇集后的分散相体在流道交汇处，以流聚焦的方式剪切生成微液滴。一种通过上述三维微流控芯片制备微液滴的方法，包括以下步骤：(1)将用于高通量制备微液滴的三维微流控芯片固定在微流控操作平台，通过显微镜去观察，要确保微液滴单元生成层之中各组微液滴生成单元都位于显微镜视场内且保证无倾斜；(2)将连续相入口接头、第一分散相入口接头、第二分散相入口接头通过导管分别与装有连续相流体的注射器、装有第一分散相流体的注射器、装有第二分散相流体的注射器相连接，各注射器分别与注射泵相连接，微液滴收集口接头也通过导管与收集容器相连接；(3)开启注射泵，通过注射泵将连续相流体与分散相流体调整到相应的流速，微液滴通过各组微液滴生成单元所生成，最后完成收集。有益效果：本专利技术所述三维微流控芯片可以克服目前二维微流控芯片所存在的生成微液滴速率慢、产量低等缺点，三维微流控芯片装置通过并行了数个微液滴生成单元，可以实现在同一时间内，微液滴的产量提高数倍，同理，本专利技术也可以并行更多数量的微液滴生成单元，结合上分配流道，制作成具有更多层复杂结构的芯片，以实现微液滴的产量达到高通量的规模。其次，本专利技术的微液滴单元生成层与液体分配层流道结构材料均为PDMS，基底层、微液滴单元生成层与液体分配层之间相互键和之后非常牢固，可以承受较大的由于进样流体所带来的压力，以避免因为压力过大而出现的开裂现象，且PDMS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以并行化设计实现微液滴高通量制备的三维微流控芯片，其特征在于，包括微液滴单元生成层(600)、键合在微液滴单元生成层(600)下表面的基底层(700)、以及键合在微液滴单元生成层(600)上表面的液体分配层(500)，所述微液滴单元生成层(600)的下表面有若干并行化设置的液滴生成单元，每个所述液滴生成单元用于生成微液滴，所述液体分配层(500)的下表面设有连续相分配流道和分散相分配流道，所述连续相流道用于使连续相流体分别进入每个液滴生成单元，所述分散相分配流道使相应的分散相流体分别进入每个液滴生成单元。/n

【技术特征摘要】
1.一种以并行化设计实现微液滴高通量制备的三维微流控芯片，其特征在于，包括微液滴单元生成层(600)、键合在微液滴单元生成层(600)下表面的基底层(700)、以及键合在微液滴单元生成层(600)上表面的液体分配层(500)，所述微液滴单元生成层(600)的下表面有若干并行化设置的液滴生成单元，每个所述液滴生成单元用于生成微液滴，所述液体分配层(500)的下表面设有连续相分配流道和分散相分配流道，所述连续相流道用于使连续相流体分别进入每个液滴生成单元，所述分散相分配流道使相应的分散相流体分别进入每个液滴生成单元。


2.根据权利要求1所述的三维微流控芯片，其特征在于，所述三维微流控芯片设有若干液体入口接头和若干收集口接头(400)，所述液体入口接头包括一个连续相入口接头(100)和若干分散相入口接头，所述液体分配层(500)的连续相分配流道与所述连续相入口接头连通，所述液体分配层设有与分散相入口接头一一对应连通的若干分散相分配流道，所述收集口接头用于收集液滴生成单元生成的微液滴。


3.根据权利要求2所述的三维微流控芯片，其特征在于，所述微液滴单元生成层(600)包括若干微液滴生成单元和主微液滴收集流道(622)，每个所述微液滴生成单元包括与连续相分配流道连通的连续相入口、与连续相入口连通的连续相流道、与若干分散相分配流道一一对应且连通的分散相入口、与若干分散相入口一一对应且连通的分散相流道，连续相流体与混合后的分散相流体在各自流道中流动，且在连续相流道与分散相流道交汇位置，在表面张力的作用下，剪切生成微液滴，汇入主微液滴收集流道(622)，所述主微液滴收集流道末端设有微液滴出口。


4.根据权利要求1所述的三维微流控芯片，其特征在于，所述三维微流控芯片的上表面设有三个液体入口接头和一个收集口接头，所述液体入口接头包括连续相入口接头(100)、第一分散相入口接头(200)和第二分散相入口接头(300)，所述液体分配层(500)设有与连续相入口接头(100)连通的连续相分配流道(519)、与第一分散相入口接头(200)连通的第一分散相分配流道(520)、与第二分散相入口接头(300)连通的第二分散相分配流道(521)。


5.根据权利要求4所述的三维微流控芯片，其特征在于，所述微液滴单元生成层(600)包括若干微液滴生成单元和主微液滴收集流道(62...

【专利技术属性】
技术研发人员：余子夷，袁羚峰，张静，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32