一种微通道内微液滴分裂的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微流控芯片中的微通道内微液滴分裂技术，尤其是涉及一种微通道内微液滴分裂的装置及方法。
【背景技术】
[0002]微流技术可将一系列诸如抽样、样品预处理、分离、反应、检测和数据分析集成于一块微流基片上，这极大地降低了微流分析成本，并缩短了微流分析时间，因而，以微流技术为核心的微流控芯片已广泛应用于DNA测序、蛋白质分析、单细胞分析、毒品检测和食物安全等生化分析领域。在微流分析系统中，微流体的工作形式分为两大类，即连续流形式和数字流形式，其中，以微液滴包裹于不相溶载流体中的数字流形式的微流分析具有样品或试剂的消耗量少、分析时间短、分析通量高等优势，因此，近年来，相比于以连续流形式工作的微流控芯片，以数字流形式工作的微流控芯片研究得更为透彻、更为深入，应用潜力也更为广泛。
[0003]在以数字流形式工作的微流分析系统中，往往需要对微通道内的微液滴(数字微流体)的体积、微液滴内样品或试剂溶液浓度进行调节，而改变微通道内的微液滴的体积大小或/和稀释微液滴内样品或试剂溶液的浓度，需要对微通道内的微液滴进行分裂的微流操作。
[0004]微通道内微液滴分裂的操作方法有多种，典型的微通道内微液滴分裂的方法是采用“T型结”法，待分析的微液滴在与之不相溶的载流体中，在外加压力作用下，包裹有微液滴的载流体在微通道内输运，当载流体中包裹的微液滴经过“T型结”时，微液滴受到“T型结”和载流体的共同作用发生形变，当形变引起的剪切力大于微液滴的表面张力时，微液滴发生分裂。该方法的优点是分裂后得到的子液滴的尺寸可以由微通道输运的载流体的流速和“T型结”的尺寸进行灵活调节;该方法的缺点是“T型结”微通道的空间尺寸较大，尤其是当微通道内的微液滴需进行数次级联分裂时，完成微通道内的微液滴分裂为所需体积的子液滴需要更大的基片面积，有待改进。
[0005]在微通道中设置孤立的立方体微障碍物是微通道内微液滴分裂的另一种典型方法，通过软光刻工艺，制作微通道，并在微通道内设计roMS立方体微障碍物，待分析的微液滴在与之不相溶的载流体中，在外加液压或自动进样器等外加压力作用下，包裹有微液滴的载流体在微通道内输运，当载流体中包裹的微液滴遇到微通道内的PDMS立方体微障碍物时，微液滴在PDMS立方体微障碍物和液压共同作用下，作用于微液滴上的剪切力发生形变，当形变引起的剪切力大于微液滴的表面张力时，微液滴发生分裂。相对于“T型结”法，该方法的优点是其所采用的微通道的结构较为简单，器件尺寸小，尤其是需进行多次分裂时器件增加的尺寸较小，而且分裂后得到的子液滴的体积可以由PDMS立方体微障碍物与微通道之间的距离进行调节;该方法的缺点是由于在微通道内制作PDMS立方体微障碍物的精度控制比“T型结”法差，因此分裂后得到的子液滴的尺寸往往难以较为精确控制，有待改进。
[0006]压电微流器件是微流控芯片的重要分支，其具有声表面波器件工艺成熟、简单、强大的微流体操作能力等优点，为国内外微流控学专家所青睐。特别是，近年来，压电微流器件发展迅速，已经在压电微流器件上实现了微流输运、混合、萃取、微流产生等一系列微流操作，为压电微流控芯片的应用打下了坚实基础。然而，压电微流控芯片主要集中于开放式微流操作及微流分析，压电基片上的微液滴蒸发现象较为严重，影响微流分析精度。虽然，采用油包微液滴可解决压电基片上的微液滴蒸发的问题，但是油包微液滴的产生增加了微流器件及微流分析时间。为克服压电基片上的微液滴蒸发的问题，也有人提出了在压电基片上集成微通道，这既能充分利用压电微流器件强大的微流操作能力，同时，又能解决压电基片上的微液滴蒸发的问题，是压电微流控芯片的发展方向。
[0007]已报道的在压电微流控芯片中实现微液滴分裂的方法，其是基于声表面波辐射微液滴，使微液滴发生分裂，该方法采用较大电信号电压加到聚焦叉指换能器(聚焦叉指换能器为加权的叉指换能器中的一种)上，激发较高强度的声表面波使得待分裂的微液滴发生飞逸实现压电基片上微液滴的分裂，然而由于声表面波的强度较高，因而容易使得压电基片发生碎裂，从而导致该方法难以推广应用。如期刊《微电子机械系统》2008年第17卷第1期147-156页(Journal of microelectromechanical systems, Vol.17 (1)，2008:147-156)公开的《基于微液滴油包封微反应器》(《Droplet-Based Microreact1ns With OilEncapsu 1 at1n》)，其利用玻璃基片上的油相微液滴包封利用声表面波破裂出来的微液滴，实现油相微液滴内反应物的化学反应，该微反应器操作时将待反应的微液滴置放于PZT压电基片上，经功率放大器放大的RF电信号加载到PZT压电基片上的聚焦叉指换能器上激发强声波，使得声路径上的微液滴破裂并飞逸到PZT压电基片上方的玻璃基片上。该微反应器由于破裂位于PZT压电基片上的微液滴需要较高的电信号功率，因此易使常用于压电微流系统的铌酸锂基片发生碎裂，且聚焦叉指换能器设计较复杂，给压电微流系统应用带来了困难，有待改进。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题是提供一种微通道内微液滴分裂的装置及方法，该装置结构简单、器件体积小、易于集成，且该装置及方法只需较低的电信号功率就能实现微液滴的分裂，能够很好的避免压电基片发生碎裂。
[0009]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种微通道内微液滴分裂的装置，包括压电基片和用于产生RF电信号的信号发生装置，所述的压电基片的上表面为工作表面，其特征在于:所述的压电基片的工作表面上设置有用于输运微液滴的微通道、靠近所述的微通道的第二侧的吸声涂层、两个分别与所述的信号发生装置连接且用于激发声表面波的不加权叉指换能器，所述的微通道内设置有宽度小于所述的微通道的内腔的宽度且高度与所述的微通道的内腔的高度一致的阻流条，所述的阻流条的第一侧面与所述的微通道的内腔的第一侧壁紧贴，所述的阻流条的第二侧面与所述的微通道的内腔的第二侧壁之间的空间形成用于输运未分裂的微液滴的子通道，所述的阻流条位于所述的微通道的后部分内，所述的吸声涂层与所述的阻流条等长、且与所述的阻流条对齐，第一个所述的不加权叉指换能器分布于所述的微通道的前部分的第一侧、且激发的声表面波作用于所述的微通道的前部分内输运的微液滴上并在油相连续微流体的作用下使微液滴向所述的子通道的入口运动，第二个所述的不加权叉指换能器分布于所述的微通道的后部分的第二侧、且激发的声表面波的传播路径的大部分与所述的吸声涂层重叠、激发的声表面波的大部分被所述的吸声涂层吸收而小部分作用于外露于所述的子通道的出口外的部分微液滴上实现分裂。
[0010]所述的阻流条的宽度为所述的微通道的内腔的宽度的0.8?0.9倍，所述的阻流条的长度为5?10毫米。在此，限定阻流条的宽度是为了使待分裂的微液滴在子通道内变得细长，便于微液滴在子通道的出口处于第二个不加权叉指换能器激发的声表面波的作用下分裂