本发明涉及集成芯片监测技术领域，尤其涉及一种微液滴生成及监测装置。
背景技术：
微液滴微流控(droplet-basedmicrofluidics)是近年来在微流控芯片上发展起来的一种操控微小体积液体的技术平台，其原理为：将两种互不相溶的液体，示例性的，其中的一种为油相，另一种为水相，油相和水相同时进入微通道后，在微通道的作用下，水相以微小体积(10-15～10-9l)单元的形式分布于油相中，形成一系列离散的微液滴。每个液滴作为一个微反应器，完成一组化学或生物反应。微液滴用于筛选具有如下优点：
1)样品消耗极微，大大降低筛选成本；
2)液滴被油包裹，与外界无物质交换，液滴内的反应条件稳定，结果可靠。因此在药物筛选、微纳米材料合成、酶反应分析监测等方面具有重要及广泛的应用前景。
对于微流控芯片而言，其生成的微液滴的数目、尺寸以及均一性是衡量该微流控芯片性能指标的重要参数。通常，现有的微流控芯片多采用的是微注射泵的控制方式，即通过一微注射泵控制水相微管道的气压，另一微注射泵控制油相微管道的气压，使得水相微管道中的水相和油相微管道中的油相在其交汇处形成微液滴，进而通过控制对应的微注射泵的注射气压频率，生成多个离散的微液滴；但是，由于现有的微注射泵的气压控制精度有限，因此，只通过控制微注射泵生成的微液滴已不能满足日益高标准的实验需求，另外，现有的微流控芯片缺乏相应的微液滴监测功能，导致了生成的微液滴合格率较低。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种微液滴生成及监测装置，解决了现有技术中微流控芯片的操作复杂、控制精度低、且无法对生成的微液滴进行监测统计的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种微液滴生成及监测装置，包括控制单元、气路单元、仪器芯片单元和光学监测单元，其中，所述仪器芯片单元包括多个并列设置的芯片本体，各所述芯片本体均包括依次连通的储液部、微液滴生成监测部和收集部，所述控制单元分别与所述气路单元和所述光学监测单元信号连接，所述气路单元分别与各所述储液部连通；
所述储液部用于存储多种试剂，各试剂在对应气压的作用下分别涌入所述微液滴生成监测部生成待检微液滴，并经光学监测单元监测后得到成品微液滴；
所述气路单元用于根据气路控制信号向对应储液部供气，所述光学监测单元用于根据光学监测信号，对相应的待检微液滴进行光学监测，实现对微液滴生成过程的实时监测；
所述控制单元用于根据控制指令发出气路控制信号和光学监测信号。
较佳的，所述储液部包括油相储液槽和水相储液槽，所述气路单元分别通过所述油相储液槽和所述水相储液槽与所述微液滴生成监测部连通。
进一步的，所述微液滴生成监测部包括十字端口和监测窗口，其中，所述十字端口包括2个油相端口、1个水相端口和1个输出端口，所述水相端口与所述输出端口相对设置，所述油相储液槽分别与2个油相端口连通，所述水相储液槽与所述水相端口连通，所述输出端口与所述监测窗口连通；
所述十字端口用于汇合油相试剂和水相试剂，并在对应气压的配合作用下生成多个相互离散的待检微液滴；
所述监测窗口用于提供定位标记，辅助光学监测单元对所述待检微液滴定位监测，得到成品微液滴。
较佳的，所述气路单元包括供气模块和多个气压调节模块，所述气压调节模块通过气路管道与所述储液部一一对应连通，其中，所述气压调节模块包括依次分布在气路管道上的气压传感器、气腔和电磁连通阀；
所述供气模块用于根据供气信号，分别向与之连通的各气路管道供气；
所述气压传感器用于感测气路管道的气压值，并反馈气压值信号；
所述气腔用于压缩并储存气路管道中的气体，并根据气压调节信号调整注射气压；
所述电磁连通阀用于根据电磁阀通断信号控制所述电磁连通阀的导通状态，当所述电磁连通阀处于导通状态时，所述注射气压持续注入所述储液部，当所述电磁连通阀处于闭合状态时，所述注射气压未注入所述储液部。
较佳的，所述电磁连通阀包括油相电磁连通阀和水相电磁连通阀，所述油相电磁连通阀通过气路管道与所述油相储液槽连通，所述水相电磁连通阀通过气路管道与所述水相储液槽连通；
所述油相电磁连通阀用于根据油相电磁阀通断信号控制所述油相电磁连通阀的导通状态；
所述水相电磁连通阀用于根据水相电磁阀通断信号控制所述水相电磁连通阀的导通状态。
进一步的，所述光学监测单元包括光学监测模块和移动定位模块；
所述移动定位模块用于根据移动定位信号，承载所述光学监测模块移动至指定监测窗口处，并利用定位标记辅助所述光学监测模块对监测窗口中的微管道进行定位；
所述光学监测模块用于根据光学监测信号，对微管道中的待检微液滴进行光学监测，得到微液滴监测数据，实现对微液滴生成过程的实时监测。
优选的，所述光学监测模块包括发光组件、调光组件和光接收组件，所述发光组件的出射光经所述调光组件的滤波后形成监测光，所述监测光经微管道中的待检微液滴散射后被所述光接收组件接收，得到微液滴监测数据。
优选的，所述控制单元包括气路控制模块和监测控制模块，所述气路控制模块分别与所述供气模块、所述气压传感器、所述气腔、所述油相电磁连通阀和所述水相电磁连通阀信号连接，所述监测控制模块分别与所述移动定位模块和所述光学监测模块信号连接；
所述气路控制模块用于根据气路控制指令输出初始供气信号、气压调节信号和电磁阀通断信号，以及接收反馈的气压值信号；
所述监测控制模块用于根据监测控制指令输出移动定位信号和光学监测信号。
优选的，所述控制单元还包括分别与所述气路控制模块和所述监测控制模块连接的指令输出模块，所述指令输出模块用于根据用户指令和所述气压值信号调整气路控制指令的输出，使得油相试剂和水相试剂通过对应的十字端口生成多个相互离散的待检微液滴；以及
用于根据用户指令输出监测控制指令，使得所述移动定位模块在定位完成后，利用光学监测模块对微管道中的待检微液滴进行光学监测，实现对微液滴生成过程的实时监测。
与现有技术相比，本发明提供的微液滴生成及监测装置具有以下有益效果：
本发明提供的微液滴生成及监测装置中，由控制单元、气路单元、仪器芯片单元和光学监测单元四部分组成，其中，仪器芯片单元包括多个并列设置的芯片本体，且各芯片本体又包括依次连通的储液部、微液滴生成监测部和收集部；本发明通过将气路单元分别与各储液部连通，利用储液部存储所需试剂，使得气路单元根据气路控制信号对储液部进行供气调节，以控制上述试剂在微液滴生成监测部的精准进样，使得上述试剂在对应气压和自身表面张力的配合作用下，汇合生成多个相互离散的待检微液滴。另外，该微液滴生成及监测装置包括多个芯片本体，因此可同时实现多组待检微液滴的制备，而光学监测单元能够依次对待检微液滴的所经微管道进行定位，并对其中任一微管道中的待检微液滴进行监测分析，使得实验人员能够实时掌握成品微液滴的指标数据。
而且，本发明通过控制单元和气路单元的设置，可实时对储液部进行供气调节，进而精准的控制试剂在微液滴生成监测部的进样速率，实现了高精度的自动化操作，保证了生成的各组待检微液滴均呈相互离散的状态，节约了试剂的使用量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中微液滴生成及监测装置的连接示意图；
图2为图1中芯片本体的截面示意图；
图3为图1中芯片本体的俯视图；
图4为图1中芯片本体的仰视图；
图5为图1中气路单元的连接示意图；
图6为油相试剂和水相试剂在十字端口中汇合生成待检微液滴的示意图；
图7为光学监测模块依次扫描各监测窗口中的微管道得到的波形示意图；
图8为光学监测模块监测微管道中离散的待检微液滴得到的波形示意图。
附图标记：
1-控制单元，2-气路单元；
3-仪器芯片单元；4-光学监测单元；
11-指令输出模块，12-气路控制模块；
13-监测控制模块，21-供气模块；
22-气压调节模块，221-气压传感器；
222-气腔，223-电磁连通阀；
2231-油相电磁连通阀，2232-水相电磁连通阀；
31-芯片本体，311-储液部；
3111-油相储液槽，3112-水相储液槽；
312-微液滴生成监测部，3121-十字端口；
3122-监测窗口，313-收集部；
41-移动定位模块，42-光学监测模块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本实施例提供的微液滴生成及监测装置，包括控制单元1、气路单元2、仪器芯片单元3和光学监测单元4，其中，仪器芯片单元3包括多个并列设置的芯片本体31，各芯片本体31均包括依次连通的储液部311、微液滴生成监测部312和收集部313，控制单元1分别与气路单元2和光学监测单元4信号连接，气路单元2分别与各储液部311连通；
储液部311用于存储多种试剂，各试剂在对应气压的作用下分别涌入微液滴生成监测部312生成待检微液滴，并经光学监测单元4监测后得到成品微液滴；
气路单元2用于根据气路控制信号向对应储液部311供气，光学监测单元4用于根据光学监测信号，对相应的待检微液滴进行光学监测，实现对微液滴生成过程的实时监测；
控制单元1用于根据控制指令发出气路控制信号和光学监测信号。
在本实施例提供的微液滴生成及监测装置中，由控制单元1、气路单元2、仪器芯片单元3和光学监测单元4四部分组成，其中，仪器芯片单元3包括多个并列设置的芯片本体31，且各芯片本体31又包括依次连通的储液部311、微液滴生成监测部312和收集部313；本实施例通过将气路单元2分别与各储液部311连通，利用储液部311存储所需试剂，使得气路单元2根据气路控制信号对储液部311进行供气调节，以控制上述试剂在微液滴生成监测部312的精准进样，使得上述试剂在对应气压和自身表面张力的配合作用下，汇合生成多个相互离散的待检微液滴。另外，该微液滴生成及监测装置包括多个芯片本体31，因此可同时实现多组待检微液滴的制备，而光学监测单元4能够依次对待检微液滴的所经微管道进行定位，并对其中任一微管道中的待检微液滴进行监测分析，使得实验人员能够实时掌握成品微液滴的指标数据。
而且，本实施例通过控制单元1和气路单元2的设置，可实时对储液部进行供气调节，进而精准的控制试剂在微液滴生成监测部312的进样过程，实现了高精度的自动化操作，保证了生成的各组待检微液滴均呈相互离散的状态，节约了试剂的使用量。
另外，仪器芯片单元3上还设置有气密垫，监测仪器通过气密垫与各储液部311对应连接，这样就无需在监测仪器中事先加入液体试剂，使得相应的操作便捷、维护简单。
可以理解的是，储液部311包括多个试剂储液槽，各试剂储液槽分别对应存储不同试剂，在实际使用中，可根据所需试剂的种类对应设置试剂储液槽的数量；示例性的，请参阅图2，上述实施例中的储液部311包括油相储液槽3111和水相储液槽3112，气路单元2分别通过油相储液槽3111和水相储液槽3112与微液滴生成监测部312连通，对应的在油相储液槽3111中存储油相试剂，在水相储液槽3112中存储水相试剂。
具体的，请参阅图6，上述实施例中的微液滴生成监测部312包括十字端口3121和监测窗口3122，其中，十字端口3121包括2个油相端口、1个水相端口和1个输出端口，水相端口与输出端口相对设置，油相储液槽3111分别与2个油相端口连通，水相储液槽3112与水相端口连通，输出端口与监测窗口3122连通；
十字端口3121用于汇合油相试剂和水相试剂，并在对应气压的配合作用下生成多个相互离散的待检微液滴；
监测窗口3122用于提供定位标记，辅助光学监测单元4对待检微液滴定位监测，得到成品微液滴。
具体实施时，请参阅图2-3，气路单元2分别与油相储液槽3111的加压口和水相储液槽3112的加压口密封连通，油相储液槽3111的出液口通过2路微管道分别与2个油相端口连通，水相储液槽3112的出液口通过1路微管道与水相端口连通，这样，通过气路单元2分别向油相储液槽3111和水相储液槽3112供气，使得气压分别压迫油相试剂和水相试剂沿着微管道涌向十字端口3121，当这两种不相溶的试剂在十字端口3121交互汇合时，两端的油相试剂和中间的水相试剂在对应气压和液体表面张力差的配合作用下，将两种不相溶的试剂以“油包水”的形式切割成离散的待检微液滴，并依次从输出端口流向收集部313，而在离散的待检微液滴流向收集部313的过程中，由于连通输出端口和收集部313的微管道横穿监测窗口3122，因此还可通过监测窗口3122实现对待检微液滴的统计分析，得到微液滴监测数据。
从上述具体实施过程可知，本实施例利用两个储液槽分别存储油相试剂和水相试剂，并通过气路单元2精准控制油相试剂和水相试剂在十字端口3121的进样过程，使得两端的油相试剂和中间的水相试剂在对应的气压配合作用下，形成大小均一、连续稳定的离散待检微液滴，另外，通过监测窗口3122的设置，可利用其提供的定位标记，辅助光学监测单元4对监测窗口3122中的微管道准确定位，以实现通过光学监测单元4对离散待检微液滴进行观察分析，使实验人员能够实时掌握成品微液滴的数目和大小规格。
进一步的，请参阅图5，上述实施例中的气路单元2包括供气模块21和多个气压调节模块22，气压调节模块22通过气路管道与储液部311一一对应连通，其中，气压调节模块22包括依次分布在气路管道上的气压传感器221、气腔222和电磁连通阀223；
供气模块21用于根据供气信号，分别向与之连通的各气路管道供气；
气压传感器221用于感测气路管道的气压值，并反馈气压值信号；
气腔222用于压缩并储存气路管道中的气体，并根据气压调节信号调整注射气压；
电磁连通阀223用于根据电磁阀通断信号控制电磁连通阀223的导通状态，当电磁连通阀223处于导通状态时，注射气压持续注入储液部，当电磁连通阀223处于闭合状态时，注射气压未注入储液部。
其中，电磁连通阀223包括油相电磁连通阀2231和水相电磁连通阀2232，油相电磁连通阀2231通过气路管道与油相储液槽3111连通，水相电磁连通阀2232通过气路管道与水相储液槽3112连通；
油相电磁连通阀2231用于根据油相电磁阀通断信号控制油相电磁连通阀2231的导通状态；
水相电磁连通阀2232用于根据水相电磁阀通断信号控制水相电磁连通阀2232的导通状态。
具体实施时，供气模块21包括气泵和集气瓶，集气瓶用于存储气泵产生的供气形成气压源。集气瓶在接收到供气信号后释放的气压经气路管道分别存储在气腔222中，同时利用设在气路管道上的气压传感器221实时监测当前气路管道的气压值，并将该气压值信号反馈给控制单元1，使得控制单元1根据反馈的气压值信号对应调整气腔222注射气压的大小，同时利用控制单元1适应性的控制油相电磁连通阀2231和水相电磁连通阀2232的导通状态，使得油相试剂和水相试剂在对应注射气压的配合作用下，能够十字端口3121中形成大小均一、连续稳定的离散待检微液滴。
从上述具体实施过程可知，本实施例通过集气瓶提供一级气压，然后利用气压传感器221反馈当前气路管道的气压值信号，控制单元1在接收到气压值信号后调整气腔222的注射气压大小，形成二级气压，这样通过二次气压调节的方式对油相试剂和水相试剂进行精准的气压控制，保证了在上述试剂能够在十字端口3121处形成符合要求的离散待检微液滴。
进一步的，请参阅图1，本实施例中的光学监测单元4包括光学监测模块42和移动定位模块41；
移动定位模块41用于根据移动定位信号，承载光学监测模块42移动至指定监测窗口3122处，并利用定位标记辅助光学监测模块42对监测窗口3122中的微管道进行定位；
光学监测模块42用于根据光学监测信号，对微管道中的待检微液滴进行光学监测，得到微液滴监测数据。
其中，光学监测模块42包括发光组件、调光组件和光接收组件，发光组件的出射光经调光组件的滤波后形成监测光，监测光经微管道中的待检微液滴散射后被光接收组件接收，得到微液滴监测数据。示例性的，发光组件为激光器、调光组件为滤色片、光接收组件为雪崩二极管。
具体实施时，由于每个微管道的管道宽度只有70μm，而芯片本体与监测仪器的契合度又远大于70μm，因此每次把芯片本体安装在监测仪器上之后，为了避免光学监测单元4无法准确探测到监测窗口3122中的微管道的现象发生，故需要利用移动定位模块41对各监测窗口3122中的微管道依次进行预定位，并保存相应的预定位数据。这样在需要对任一监测窗口3122中的微管道进行监测时，只需调用相应的预定位数据即可将光学监测模块42移动到待监测窗口3122中的微管道的正上方，并对其进行光学监测得到微液滴监测数据；可见，本实施例通过移动定位模块41采用预定位的定位方式，不仅可以节省定位时间，而且具有较高的定位精度，同时保证了微液滴监测数据的准确性。
需要说明的是，本实施例中预定位的具体过程为如下：移动定位模块41中的步进电机从左到右依次移动，并利用光学监测模块42依次扫描各监测窗口3122中的微管道，得到如图7所示的波形图，由于微管道的散射作用较强，因此通过发光组件发出的激光经微管道的散射后，光接收组件只能接收到微弱的激光信号，对应的波形图中波谷处即为管道位置所在处，反之，波形图中波峰处的对应位置则不存在管道位置，因此通过保存波形图中的波谷数据能够实现对各监测窗口3122中微管道的位置进行预存储，得到预定位数据。接下来，在对待检监测窗口3122中的微管道进行监测时，可直接调用上述预定位数据，并结合该待检监测窗口3122中的定位标记，将光学监测模块42精准的移动到待监测窗口3122中微管道的正上方，对其进行光学监测。
可以理解的是，对微管道中的待检微液滴进行光学监测的原理和对微管道进行定位的原理相同，即都是利用激光的散射作用，得到相应的波形图；具体到本实施例中，请参阅图8，相邻的两个波谷即为光接收组件接收到的一个待检微液滴从进入监测区到离开监测区的完整波形图，通过对波形图的分析，得到相应的微液滴监测数据。示例性的，上述微液滴监测数据包括微液滴生成频率和尺寸。
综上，本实施例只需设置一个光学监测模块42即可完成对各芯片本体31131中的待检微液滴进行监测，减少了生产成本。
较佳的，请参阅图1和图5，本实施例中的控制单元1包括气路控制模块12和监测控制模块13，气路控制模块12分别与供气模块21、气压传感器221、气腔222、油相电磁连通阀2231和水相电磁连通阀2232信号连接，监测控制模块13分别与移动定位模块41和光学监测模块42信号连接；
气路控制模块12用于根据气路控制指令输出初始供气信号、气压调节信号和电磁阀通断信号，以及接收反馈的气压值信号；
监测控制模块13用于根据监测控制指令输出移动定位信号和光学监测信号。
可以补充的是，请参阅图1，控制单元1还包括分别与气路控制模块12和监测控制模块13连接的指令输出模块11，指令输出模块11用于根据用户指令和气压值信号调整气路控制指令的输出，使得油相试剂和水相试剂通过对应的十字端口3121生成多个相互离散的待检微液滴；以及，
用于根据用户指令输出监测控制指令，使得移动定位模块41在定位完成后，利用光学监测模块42对微管道中的待检微液滴进行光学监测，实现对微液滴生成过程的实时监测。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。