专利名称：基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统及使用方法
技术领域：
本发明涉及的领域为液滴分析领域，更具体地说，涉及一种基于液滴顺序组装技 术的微流控液滴生成系统及其使用方法。
背景技术：
近年来，微流控液滴分析技术受到了越来越多的关注。基于液滴的微流控分析系 统将纳升至皮升级大小的液滴之间用互不相溶的液相或气相作间隔，形成独立的反应容 器，具有消除扩散，加速混合，操作自动化，分析速度快、试样试剂消耗低的优点，非常适合 于高通量筛选分析，目前已成功应用于化学、物理学、生物学及医学等领域。然而，目前为止，大部分液滴分析系统是利用油水两相界面的不稳定性在T型通 道或十字型通道口处产生液滴，仅是生成大量相同化学组成的液滴，还缺少一种能方便的 改变液滴内试样的种类和组成的换样方法，以生成具有多种不同组分的液滴阵列。现阶段， 在微通道内能改变液滴组成的方法主要有两种一是液滴融合技术，先是产生两类不同组 成的液滴，利用电、光镊、微阀、特殊的通道构型，或是通过表面的部分改性等方法将两种液 滴融合到一起。该技术需要严格地控制各个液滴的生成频率和液滴的界面性质，不易应用 到基于液滴的高通量筛选系统中。第二种方法是利用液滴装载器预先将不同种类或组成的 液滴封装，在实验时将其接入芯片微通道中，与试剂汇合形成液滴反应器。该方法将液滴微 流控技术真正应用到了筛选分析中，较易实现。但是，该方法需要手工制备液滴装载器，费 时费力，而且需要做液滴装载器和芯片的接口，将液滴转移到芯片中。此外，在压力驱动下， 尤其是利用气泡间隔液段的微流控系统中，以及筛选试剂和底物反应物的混合比例都需要 严格的控制，这就增加了微流控操纵的难度。此外，上述两种方法都是建立在微加工芯片基 础上，需要复杂的微加工技术和昂贵的加工设备，限制了其在常规实验室中的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是解决以上提出的问题，提供一种系统搭建简单方便，可任意改变 液滴内液体的种类和混合比例，可实现对不同组成液滴的高通量自动化的生成的一种基于 液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统，及其使用方法。本发明的技术方案是这样的基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统，包括自动化液体呈送装置、液体 驱动装置、毛细管和液滴阵列板，所述的自动化液体呈送装置与液滴阵列板相连，所述的液 体驱动装置与毛细管相连。作为优�。龅淖远禾宄仕妥爸冒ㄓ糜谑⒃匾禾宓亩嗫装濉⑷揭铺ǎ换颍⒃匾禾宓娜笨诠苷罅�、步进电机控制的齿轮组。作为优�。龅拿腹艿牟闹士梢晕⒒蛘卟ＡЩ蛘咚芰匣蛘呓鹗舨牧希� 细管的内径在0. 5微米到5毫米之间。
作为优�。龅拿腹艿慕嚎诓捎米缎渭舛私峁梗腹苣诒诒砻婧徒嚎� 锥形尖端的外壁表面需进行憎水化表面处理。作为优�。龅囊禾迩爸眉婢哂姓蛲贫头聪虺槲街智δ埽� 装置驱动液体的流速范围是1皮升/分钟至100微升/分钟。作为优�。旱握罅邪迳霞庸ざ喔鲇惺⒃匾禾逡旱蔚男】樱蛘呒庸び卸喔鼍哂� 一定表面积的对液滴具有亲和力的平面区域；一个小坑的体积范围是1皮升至100微升，一 个平面区域的表面积范围是1平方微米至100平方毫米。基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统的使用方法，步骤如下1)在自动化液体呈送装置内盛载所需的不同的水相液体和与水相不互溶的油，毛 细管内充满油；2)采用自动化液体呈送装置，将其所盛载的液体与毛细管的进液口接触，使毛细 管的进液口插入液体内，利用液体驱动装置的反向抽吸功能，吸取一定体积的水相液体进 入毛细管内；3)利用液体呈送装置顺序使其所盛载的不同水相液体与毛细管进液口接触，依次 抽取所需的不同的水相液体进入毛细管内；4)前后引入的水相液体在毛细管内混合，生成由多种液体组装而成的液滴；5)利用液体呈送装置使其所盛载的油与毛细管进液口接触，抽取一定体积的油进 入毛细管内，完成一个液滴的组装；6)循环进行步骤2)至步骤5)的操作，在毛细管内生成液滴阵列；7)将液滴阵列板置于毛细管的下方，利用液体驱动装置的正向推动功能，将毛细 管内已生成的液滴由毛细管进液口推出，滴落到到液滴阵列板上，生成二维液滴阵列。作为优�。ü鹘谖∫禾宓牧魉俸臀∈奔淅锤谋湟旱蔚奶寤约耙旱文� 各液体的混合比例；通过选择吸取液体的种类来改变液滴的组成。作为优选，步骤6)采用多个毛细管，同时进行液滴的生成操作。作为优选，所述的液滴阵列板是浸在油中的。本发明的有益效果如下(1)系统搭建简单方便，不需要复杂的微加工技术和昂贵的加工设备，有利于在常 规实验室中得到广泛的应用；(2)可任意改变液滴内液体的种类和混合比例，生成具有不同组成的液滴；(3)可实现对不同组成液滴的高通量自动化的生成。
图1是在毛细管内组装液滴的操作原理图；图2是实施例1基于缺口管阵列的自动化液滴生成系统的装置示意图；图3是实施例2基于多孔板的自动化液滴生成系统的装置示意图；图4是实施例1和实施例2将液滴从毛细管中滴到液滴阵列板上的操作示意图；图5是采用实施例1和实施例2生成的二维液滴阵列俯视图；图中1是毛细管，2是油，3是进液口，4是液体A，5是液体B，6是液体C，7是液 滴，8是液滴阵列板，9是齿轮组，10是缺口管，11是液体D，12是液体E，13是液体F，14是液体G，15是液体H，16是多孔板，17是三维平移台。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例进行进一步详细说明基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统，包括自动化液体呈送装置、液体 驱动装置、毛细管1和液滴阵列板8，所述的自动化液体呈送装置与液滴阵列板8相连，所述 的液体驱动装置与毛细管1相连。所述的自动化液体呈送装置包括用于盛载液体的多孔板16、三维平移台17 ；或，盛载液体的缺口管10阵列、步进电机控制的齿轮组9。所述的毛细管1的材质可以为石英或者玻璃或者塑料或者金属材料，毛细管1的 内径在0.5微米到5毫米之间。所述的毛细管1的进液口 3采用锥形尖端结构，毛细管1内壁表面和进液口 3锥 形尖端的外壁表面需进行憎水化表面处理。所述的液体驱动装置兼具有正向推动和反向抽吸两种驱动功能，驱动装置驱动液 体的流速范围是1皮升/分钟至100微升/分钟。液滴阵列板8上加工多个有盛载液体液滴7的小坑，或者加工有多个具有一定表 面积的对液滴7具有亲和力的平面区域；一个小坑的体积范围是1皮升至100微升，一个平 面区域的表面积范围是1平方微米至100平方毫米。图1是根据本发明所建立的基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统在毛 细管内组装液滴的操作原理图。将毛细管1进液口拉尖成锥形尖端3形状，将毛细管1另一 端与液体驱动装置相连。在生成液滴前，对毛细管1内壁以及毛细管进液口 3的外壁进行 憎水化处理。在毛细管1内充满油2。利用液体呈送装置，将其所盛载的液体A4与毛细管 1的进液口 3接触，使毛细管的进液口 3插入液体A4内，吸取一定体积的液体A4进入毛细 管1内。再将毛细管的进液口 3插入液体B5内，吸取一定体积的液体B5进入毛细管1内。 再将毛细管的进液口 3插入液体C6内，吸取一定体积的液体C6进入毛细管1内。将毛细 管的进液口 3插入油2内，吸取一定体积的油2进入毛细管1内。顺序引入的液体A4、液体 B5和液体C6在毛细管内混合，生成由多种液体组装而成的液滴7。利用液体驱动装置的正 向推动功能，将毛细管1内已生成的液滴由毛细管进液口 3推出，滴落到到浸油2的液滴阵 列板8上。实施例1图2是实施例1基于缺口管阵列的自动化液滴生成系统的装置示意图。系统由三 部分构成基于缺口管阵列的试样呈送装置、石英毛细管和微量注射泵。基于缺口管阵列的 试样提供装置由大小两个齿轮构成的齿轮组9组成，小齿轮由步进电机控制，带动大齿轮 转动。在大齿轮上，等距安置6个缺口管10;在小齿轮上，按等腰三角形固定3个缺口管10。 缺口管内分别盛放生成液滴阵列所需的液体A4、液体液体B5、液体C6、液体D11、液体E12、 液体F13、液体G14、液体H15和油2。生成液滴时，转动齿轮组9，使得所需的缺口管10内 的液体依次与毛细管1的进液口 3接触，吸取一定体积的液体进入毛细管1内，组装生成液 滴7。实施例1装置可依次生成由液体A4、液体B5和液体C6，液体A4、液体B5和液体D11，
6液体A4、液体B5和液体E12，液体A4、液体B5和液体F13，液体A4、液体B5和液体G14，液 体A4、液体B5和液体H15组装而成的不同组成的液滴7。本实施例中毛细管1的内径是 5毫米，驱动装置驱动液体的流速是100微升/分钟。实施例2图3是实施例2基于多孔板的自动化液滴生成系统的装置示意图。系统由三部分 构成基于多孔板16的试样呈送装置、石英毛细管和微量注射泵。基于多孔板16的试样呈 送装置由用于盛放多种液体的多孔板16和三维平移台17组成。生成液滴时，移动三维平 移台17，使得多孔板16内盛载的不同液体依次与毛细管1的进液口 3接触，吸取一定体积 的液体进入毛细管1内，组装生成液滴7，本实施例中毛细管1的内径是0. 5微米，驱动装 置驱动液体的流速是1皮升/分钟。图4是实施例1和实施例2将液滴从毛细管中滴到液滴阵列板上的操作示意图。 将液滴阵列板8置于垂直放置的毛细管1的下方，采用手工方法调节浸油液滴阵列板8的 位置，或将浸油液滴阵列板固定于三维平移台上，由计算机程序控制三维平移台的移动调 节浸油液滴阵列板8的位置。使毛细管内的液滴7在注射泵推动下，依次滴到浸油的液滴 阵列板8上，形成二维液滴阵列。图5是采用实施例1和实施例2生成的二维液滴阵列俯视图。浸油液滴阵列板8 采用玻璃材质，采用光刻和化学刻蚀法加工液滴阵列板8板上的盛载液体液滴7的小坑，小 坑的体积分别是100微升和1皮升。实施例3浸油液滴阵列板8采用玻璃材质，采用光刻和化学刻蚀法加工液滴阵列板8板上 的盛载液体液滴7的小坑，小坑的体积是20纳升，毛细管1的内径是150微米，驱动装置驱 动液体的流速是10纳升/分钟，其余部分与实施例2相同。小坑的体积也可以是1纳升或1微升，范围从1皮升至100微升。实施例4浸油液滴阵列板8上加工有多个具有一定表面积的对液滴7具有亲和力的平面区 域，一个平面区域的表面积是1平方微米，其余部分与实施例2相同。所述的平面区域的表面积可以是500平方微米或1平方毫米或100平方毫米，范 围从1平方微米至100平方毫米。基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统的使用方法，步骤如下1)在自动化液体呈送装置内盛载所需的不同的水相液体和与水相不互溶的油2， 毛细管1内充满油2 ；2)采用自动化液体呈送装置，将其所盛载的液体与毛细管1的进液口 3接触，使毛 细管1的进液口 3插入液体内，利用液体驱动装置的反向抽吸功能，吸取一定体积的水相液 体进入毛细管1内；3)利用液体呈送装置顺序使其所盛载的不同水相液体与毛细管1进液口 3接触， 依次抽取所需的不同的水相液体进入毛细管1内；4)前后引入的水相液体在毛细管1内混合，生成由多种液体组装而成的液滴7 ；5)利用液体呈送装置使其所盛载的油2与毛细管1进液口 3接触，抽取一定体积 的油2进入毛细管1内，完成一个液滴7的组装；
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6)循环进行步骤2)至步骤5)的操作，在毛细管1内生成液滴7阵列；7)将液滴阵列板8置于毛细管1的下方，利用液体驱动装置的正向推动功能，将毛 细管1内已生成的液滴7由毛细管1进液口 3推出，滴落到到液滴阵列板8上，生成二维液 滴7阵列。可以通过调节吸取液体的流速和吸取时间来改变液滴7的体积，以及液滴7内各 液体的混合比例；通过选择吸取液体的种类来改变液滴7的组成。步骤6)采用多个毛细管1，同时进行液滴7的生成操作。所述的液滴阵列板8是浸在油2中的，以防止液滴7暴露在空气中挥发或受到污
^fe ο以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域中的普通技 术人员来说，在不脱离本发明核心技术特征的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改 进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统，其特征在于，包括自动化液体呈送装置、液体驱动装置、毛细管(1)和液滴阵列板(8)，所述的自动化液体呈送装置与液滴阵列板(8)相连，所述的液体驱动装置与毛细管(1)相连。
2.根据权利要求1所述的基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统，其特征在 于，所述的自动化液体呈送装置包括用于盛载液体的多孔板(16)、三维平移台(17)；或，盛载液体的缺口管(10)阵列、步进电机控制的齿轮组(9)。
3.根据权利要求1所述的基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统，其特征在 于，所述的毛细管(1)的材质可以为石英或者玻璃或者塑料或者金属材料，毛细管(1)的内 径在0.5微米到5毫米之间。
4.根据权利要求1或3所述的基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统，其特征 在于，所述的毛细管(1)的进液口(3)采用锥形尖端结构，毛细管(1)内壁表面和进液口 (3)锥形尖端的外壁表面需进行憎水化表面处理。
5.根据权利要求1所述的基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统，其特征在 于，所述的液体驱动装置兼具有正向推动和反向抽吸两种驱动功能，驱动装置驱动液体的 流速范围是1皮升/分钟至100微升/分钟。
6.根据权利要求1所述的基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统，其特征在 于，液滴阵列板(8)上加工多个有盛载液体液滴(7)的小坑，或者加工有多个具有一定表面 积的对液滴(7)具有亲和力的平面区域；一个小坑的体积范围是1皮升至100微升，一个平 面区域的表面积范围是1平方微米至100平方毫米。
7.权利要求1所述的基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统的使用方法，其特 征在于，步骤如下1)在自动化液体呈送装置内盛载所需的不同的水相液体和与水相不互溶的油(2)，毛 细管(1)内充满油⑵；2)采用自动化液体呈送装置，将其所盛载的液体与毛细管(1)的进液口(3)接触，使毛 细管(1)的进液口(3)插入液体内，利用液体驱动装置的反向抽吸功能，吸取一定体积的水 相液体进入毛细管(1)内；3)利用液体呈送装置顺序使其所盛载的不同水相液体与毛细管(1)进液口(3)接触， 依次抽取所需的不同的水相液体进入毛细管(1)内；4)前后引入的水相液体在毛细管(1)内混合，生成由多种液体组装而成的液滴(7)；5)利用液体呈送装置使其所盛载的油(2)与毛细管(1)进液口(3)接触，抽取一定体 积的油(2)进入毛细管(1)内，完成一个液滴(7)的组装；6)循环进行步骤2)至步骤5)的操作，在毛细管(1)内生成液滴(7)阵列；7)将液滴阵列板(8)置于毛细管(1)的下方，利用液体驱动装置的正向推动功能，将毛 细管⑴内已生成的液滴(7)由毛细管⑴进液口(3)推出，滴落到到液滴阵列板⑶上， 生成二维液滴(7)阵列。
8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，通过调节吸取液体的流速和吸取时 间来改变液滴(7)的体积，以及液滴(7)内各液体的混合比例；通过选择吸取液体的种类来 改变液滴(7)的组成。
9.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，步骤6)采用多个毛细管(1)，同时进 行液滴(7)的生成操作。
10.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，所述的液滴阵列板(8)是浸在油 (2)中的。
全文摘要
本发明涉及的领域为液滴分析领域，特别是一种基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统。本发明所述的基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统，包括自动化液体呈送装置、液体驱动装置、毛细管和液滴阵列板，所述的自动化液体呈送装置与液滴阵列板相连，所述的液体驱动装置与毛细管相连。本发明的有益效果为(1)系统搭建简单方便，不需要复杂的微加工技术和昂贵的加工设备，有利于在常规实验室中得到广泛的应用；(2)可任意改变液滴内液体的种类和混合比例，生成具有不同组成的液滴；(3)可实现对不同组成液滴的高通量自动化的生成。
文档编号G01N35/00GK101957383SQ20101025094
公开日2011年1月26日 申请日期2010年8月10日 优先权日2010年8月10日
发明者孙蒙, 方群, 杜文斌 申请人:浙江大学
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