以并行化设计实现微液滴高通量制备的三维微流控芯片

本发明属于微流控技术领域，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。

背景技术：

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，相较于本发明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。

技术实现要素：

发明目的：本发明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；本发明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：本发明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。本发明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：本发明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，本发明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，本发明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材料通体透明，便于观察。本发明芯片可以实现包含一种或两种分散相的微液滴的生成，且当将分散相换成气体时，也可以实现微气泡的高通量生产。

附图说明

图1是本发明用于高通量制备微液滴的三维微流控芯片的等轴侧视图；

图2中(a)是微液滴单元生成层的等轴俯视图，(b)是微液滴单元生成层的等轴侧视图；

图3中(a)是液体分配层的等轴俯视图，(b)是液体分配层的等轴侧视图；

图4中(a)是用于高通量微液滴生成的三维微流控芯片装置的微液滴生成原理图的等轴俯视图，(b)是用于高通量微液滴生成的三维微流控芯片装置的微液滴生成原理图的等轴侧视图；

图5中(a)是并行了四十组微液滴生成单元的高通量制备微液滴的三维微流控芯片的等轴俯视图，(b)是并行了四十组微液滴生成单元的高通量制备微液滴的三维微流控芯片的等轴侧视图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

本实施例所述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，如图1所示，是由基底层700、微微液滴单元生成层600(所述微液滴单元生成层包含了五组微液滴生成单元)和液体分配层500键和形成的封闭式流道结构，封闭式的流道结构设有连续相入口接头100、第一分散相入口接头200、第二分散相入口接头300与收集接头400。

如图2、图3，液体分配层500的下表面设置三条分配流道，分别是连续相分配流道519、第一分散相分配流道520与第二分散相分配流道521，图1中的四个接头位置均设有一一对应且连通的连续相入口501、第一分散相入口507、第二分散相入口513与微液滴收集出口a522；连续相流体从连续相入口接头100，经连续相入口501进入连续相分配流道519，分配流道中的流体阻力是远远小于微液滴单元生成层中的各个微液滴生成单元中的流体阻力，连续相流体会均匀地流入连续相第一入口a502和连续相第二入口a503、连续相第三入口a504、连续相第四入口a505与连续相第五入口a506；同理，第一分散相流体从第一分散相入口接头200，经第一分散相入口507进入第一分散相分配流道520，第一分散相流体会均匀地流入第一分散相第一入口a508、第一分散相第二入口a509、第一分散相第三入口a510、第一分散相第四入口a511与第一分散相第五入口a512；第二分散相流体从第二分散相入口接头300，经第二分散相入口513进入第二分散相分配流道521，第二分散相流体会均匀地流入第二分散相第一入口a514、第二分散相第二入口a515、第二分散相第三入口a516、第二分散相第四入口a517与第二分散相第五入口a518；液体分配层中的各个分配流道将连续相流体与分散相流体均匀地输送至各个微液滴生成单元中与之相对应的连续相入口与分散相入口，流体流入各个微液滴生成单元之中。

所述的液体分配层中的封闭式流道结构的流道高度均相等，高度范围为10-1000微米，连续相入口501、第一分散相入口507、第二分散相入口513与微液滴收集出口a522均为贯穿上表面的通孔。微液滴单元生成层(600)内的流道高度均相等，高度范围为10-1000微米，其中的连续相第一入口a502、连续相第二入口a503、连续相第三入口a504、连续相第四入口a505、连续相第五入口a506、第一分散相第一入口a508、第一分散相第二入口a509、第一分散相第三入口a510、第一分散相第四入口a511、第一分散相第五入口a512、第二分散相第一入口a514、第二分散相第二入口a515、第二分散相第三入口a516、第二分散相第四入口a517、第二分散相第五入口a518均为通孔，且孔的直径皆相同。

如图2，所述的微液滴单元生成层600包含了五组微液滴生成单元，其中第一组微液滴生成单元中包括了连续相第一入口b601、第一分散相第一入口b602、第二分散相第一入口b605、连续相流道603、第一分散相流道604、第二分散相流道606、输送流道608，连续相流体经液体分配层中的连续相分配流道519，流经连续相第一入口a502，连续相第一入口a502与连续相第一入口b601连通，连续相流体流入对称且互通的的流道603，连续相流体会均匀地分为两股支流在流道603中流动；第一分散相流体经液体分配层中的第一分散相分配流道520，流经第一分散相第一入口a508，第一分散相第一入口a508与第一分散相第一入口b602连通，第一分散相流体流入对称且互通的第一分散相流道604，第一分散相流体会均匀地分为两股支流在流道604中流动；第二分散相流体流经液体分配层中的第二分散相分配流道521，流经第二分散相第一入口a514，第二分散相第一入口a514与第二分散相第一入口b605连通，第二分散相流体进入第二分散相流道606，第二分散相流体在流道606中流动；连续相流体与第一分散相流体、第二分散相流体在流道位置607处交汇，在表面张力的作用下，剪切生成微液滴，所生成的微液滴通过具有弯曲结构的输送流道608，并流入主微液滴收集流道622；第二组、第三组、第四组与第五组微液滴生成单元与第一组结构相同，且并行设计。五组微液滴收集流道会汇入主微液滴收集流道622，并且通过微液滴收集出口b621，液滴单元生产层中的微液滴收集出口b621与液体分配层中的微液滴收集出口a522上下贯通，所生成的微液滴通过毛细管道连接微液滴收集接头400收集。

所述的微液滴单元生成层中的封闭式流道结构的流道高度均相等，高度范围为10-1000微米，微液滴单元生成层所包含的连续相第一入口b601、连续相第二入口b609、连续相第三入口b612、连续相第四入口b615、连续相第五入口b618、第一分散相第一入口b602、第一分散相第二入口b610、第一分散相第三入口b613、第一分散相第四入口b616、第一分散相第五入口b619、第二分散相第一入口b605、第二分散相第二入口b611、第三分散相第一入口b614、第四分散相第一入口b617、第二分散相第五入口b620与流道出口端b621均为贯穿微液滴单元生成层上表面的通孔，且孔直径皆相同。

所述的封闭式微流道系统采用了具有良好生物兼容性与良好透光性能的聚二甲基硅氧烷(pdms)制作，制作材料同时也可以采用其他有机高分子材料或玻璃或石英，其中有机高分子材料可以为：环烯烃类共聚物(coc)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)和聚苯乙烯(ps)等，便于对微液滴的生成过程进行监测与记录。

所述的基底层700、微液滴单元生成层600和液体分配层500之间的相对位置关系：微液滴单元生成层600有流道的下表面键和在基底层700表面；液体分配层500有流道的下表面键和在微液滴单元生成层600无流道的上表面；连续相第一入口a502与连续相第一入口b601相互贯通，连续相第二入口a503与连续相第二入口b609相互贯通，连续相第三入口a504与连续相第三入口b612相互贯通，连续相第四入口a505与连续相第四入口b615相互贯通，连续相第五入口a506与连续相第五入口b618相互贯通，第一分散相第一入口a508与第一分散相第一入口b602相互贯通，第一分散相第二入口a509与第一分散相第二入口b610相互贯通，第一分散相第三入口a510与第一分散相第三入口b613相互贯通，第一分散相第四入口a511与第一分散相第四入口b616相互贯通，第一分散相第五入口a512与第一分散相第五入口b619相互贯通，第二分散相第一入口a514与第二分散相第一入口b605相互贯通，第二分散相第二入口a515与第二分散相第二入口b611相互贯通，第二分散相第三入口a516与第二分散相第三入口b614相互贯通，第二分散相第四入口与第二分散相第四入口b617相互贯通，第二分散相第五入口a518与第二分散相第五入口b620相互贯通，微液滴收集出口b621与微液滴收集出口a522相互贯通。

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的液滴生成方法，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500之中五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100、第一分散相入口接头200、第二分散相入口接头300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，各个注射器分别与注射泵相连接，微液滴收集口接头a522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，微液滴通过五个微液滴生成单元所生成并收集。

参照图4，微液滴在用于高通量微液滴生成的三维微流控芯片装置中的生成过程为：五组微液滴生成单元中的微液滴生成原理是相同的，在第一组微液滴生成单元中，连续相流体从连续相第一入口b601进入第一连续相流道603，第一分散相流体从第一分散相第一入口b602进入第一分散相流道604，第二分散相流体从第而分散相第一入口b605进入第而分散相流道606，连续相流体与混合后的第一分散相、第二分散相流体在流道位置607处交汇，在表面张力的作用下，剪切生成微液滴，所生成的微液滴流入输送608，并汇入微液滴主收集流道622并收集所生成的微液滴。通过注射泵调节连续相与分散相流体的流速，从而实现改变所生成微液滴的尺寸大小，通过并行了五组微液滴生成单元，以达到了微液滴的高通量生成。

实施例2

参照图5，与实施例1的区别在于：是并行了四十组微液滴生成单元的高通量制备微液滴的三维微流控芯片，包括基底层、微液滴单元生成层与多个液体分配层，同样包括了连续相入口接头101、第一分散相入口接头102、第二分散相入口接头103与收集口接头104，通过并行了四十组微液滴生成单元，可以实现微液滴更高产量的生产。