一種用於液滴萃取的微流控晶片的製作方法

2023-10-19 11:33:02 2

專利名稱：一種用於液滴萃取的微流控晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微流控晶片，具體涉及一種用於液滴萃取的微流控晶片。
背景技術：
微流控晶片技術由於其低消耗、高通量、集成化等優點，在生物學及醫學領域具有很好的發展前景。目前微流控晶片已經實現了細胞的分選、捕獲、培養和刺激等功能，但為了實現微流控晶片技術在生物學和醫學領域的最終應用，許多微流控晶片功能需要進一步地改進和提聞。在微流控晶片中研究細胞代謝或藥物篩選是現階段微流控晶片技術應用於生物學和醫學領域的重要內容之一，文獻Gao D.;ffei H.;Guo G.-S.;Lin J.-M.Anal.Chem.，2010, 82，5679-568在微流控晶片中培養了人肺上皮細胞A549，並利用固相萃取和質譜對A549的維生素E代謝過程進行了檢測與分析。這種方法成功地將質譜技術與微流控晶片技術結合起來，實現了細胞代謝物的高靈敏度質譜檢測，但這種方法使用微流控晶片中的固相萃取進行樣品前處理，使得樣品前處理的操作較為複雜並且無法進行實時的樣品監測。因此，操作更加簡單、更加自動化的樣品前處理方法能夠極大的改進微流控晶片技術與質譜技術的結合，實現微流控晶片中樣品的實時監測。除了固相萃取，液液萃取也是一種能夠與微流控晶片系統兼容的樣品處理方法。文獻Chen H.;Fang Q.;Yin X.-F.;Fang Z.-L.Lab Chip, 2005，5，719-725設計了一種微流控晶片，將萃取劑液滴固定在晶片通道的兩側的腔室中，從而對通過晶片通道的溶液進行萃取。但這種方法的萃取液滴被限制在通道兩側的腔室中無法釋放，使得檢測方法局限於光學方法，難以給出目標物質更進一步的詳細信息。一種能夠兼容更多檢測方式的晶片中液液萃取方法將使得微流控晶片中的樣品前處理得到更廣泛的應用。為了在微流控系統中實現更加複雜的功能，微流控晶片中流體的操縱也成為一項重要的研究內容，其中微流控晶片中液滴的產生與操控是流體操縱的主要內容之一。文獻Zhu Y.;Fang Q.Anal.Chem.，2010，82，8361-8366設計了一種液滴產生的微流控晶片，並用於微反應的質譜檢測。這種方法證實了電噴霧質譜能夠與微流控晶片的液滴體系結合起來，實現液滴的監測。但是這種方法產生的液滴是栓塞型，液滴的比表面積較小，不利於液液萃取。文獻 Jung S.-Y.; Retterer S.T.; Collier C.P.Lab Chip, 2010, 10，2688-2694 提出了 一種在微流控晶片中產生微小的單分散液滴的辦法，減小了單個液滴的體積，有效的提高了液滴的比表面積，有利於施行液液萃取。

發明內容
本發明的目的是提供一種用於液滴萃取的微流控晶片，所述微流控晶片能夠向連續流動的樣品溶液中通入單分散的萃取劑液滴，在萃取完成以後將萃取液滴導入收集通道，並直接通入檢測器進行分析。本發明能夠用於連續流動體系的樣品前處理和在線實時分析，簡化了人為操作，促進了微流控晶片萃取體系的自動化和穩定性。
本發明所提供的一種用於液滴萃取的微流控晶片，它包括主通道；所述主通道的一端設有樣品入口，另一端設有廢液出口 ；靠近所述廢液出口的一端，所述主通道與一個收集通道相連通，所述收集通道的遊尚端為樣品出口；靠近所述樣品入口的一端，所述主通道與一個側通道相連通，所述側通道的游離端為萃取劑入口 ；所述側通道與所述主通道之間存在高度差，且所述側通道設於所述主通道的下部；本發明中，所述主通道的樣品入口端與所述側通道構成本發明的液滴產生部分，在該部分中可以產生單分散液滴；本發明中，所述主通道主要構成本發明的液滴萃取部分，通過較長的運動路程，使液滴在通過所述主通道時有足夠的時間發生充分的萃取；本發明中，所述樣品出口和所述廢液出口構成本發明的液滴收集部分，將收集到的萃取液滴導入至檢測裝置內進行檢測。上述的微流控晶片中，所述主通道為直線形通道或蛇形通道，所述蛇形通道的設置可以增加流體運動的路程。上述的微流控晶片中，靠近所述樣品出口的一端，所述主通道內設有一導流軌道，且所述導流軌道的高度大於所述主通道的高度，所述導流軌道沿所述主通道的寬度方向延伸；所述導流軌道的一端與所述主通道相連通，另一端與所述收集通道相連通。本發明中，所述導流軌道與所述主通道之間的高度差有利於利用浮力和表面張力對液滴進行引導:有機相液滴由於浮力能夠進入較高的所述導流軌道，所述導流軌道中的液滴離開軌道需要克服浮力和改變球形狀態所產生的表面張力，使液滴更傾向於沿著所述導流軌道運動。上述的微流控晶片中，所述主通道內設有親水性多孔膜，所述親水性多孔膜設於所述收集通道與所述主通道的連接處和所述廢液出口之間，所述親水性多孔膜可以讓水相溶液順利通過的同時，將有機相的液滴攔截並導入所述收集通道。上述的微流控晶片中，所述收集通道上設有吸收劑入口，在萃取液滴進入檢測裝置以前，也可以根據檢測裝置的不同要求，用相應的緩衝溶液或溶劑對萃取液滴進行吸收，以兼容不同檢測體系。本發明提供的微流控晶片裝置可以對連續流動的樣品溶液進行在線液滴萃取，本發明對於產生液滴所採用的有機相沒有特別的要求，因此可以根據目標萃取物質的性質，合理地選擇不同的萃取劑作為產生液滴的有機相，從而達到更好的萃取效果。使用本發明的微流控晶片時，可以選擇不同的萃取劑進行實驗，從而使本發明的微流控晶片可以適應多種不同的實驗要求並應用於多種實驗體系中，提高了其對於各種體系的兼容性。本發明提供的微流控晶片可以與微流控晶片中的生物學或醫學研究結合起來，t匕如微流控晶片中的細胞代謝、藥物篩選、細胞間通訊等研究中，本發明可以用來實時監測細胞分泌物、藥物代謝產物、細胞通訊分子等。本發明提供的微流控晶片在進行在線液滴萃取時，可以根據目標萃取物質的不同性質，與不同的檢測方法結合起來。對於多數的小分子物質而言，質譜是一種可靠而高效的檢測方法。與此同時，電噴霧質譜採用液體進樣的方式，與微流控晶片的液體流動體系有較好的適應性。在本發明的液滴收集部分，在收集通道中用適當的質譜進樣緩衝液吸收液滴能夠很好的促進本發明與電噴霧質譜技術的結合。除了電噴霧質譜，光學檢測也能夠應用到本發明中。本發明的微流控晶片由聚二甲基矽氧烷與玻璃片鍵合製成，具有較好的透光性，有利於光學檢測在本發明中的應用。對於目標萃取物可以被雷射激發而發光、有較強的紫外吸收或者與某些化合物反應發光的情況，都可以在本發明中應用光學檢測。綜上所述，本發明的微流控晶片可以進行在線液滴萃取；在進行在線液滴萃取中，本發明能夠適應於多種連續流動的實驗體系，對於多種檢測方式有較好的兼容性，能夠實現實時在線的物質監測，能夠有效地應用到微流控晶片上的生物學和醫學研究中。


圖1是本發明的微流控晶片的結構示意圖。圖中各標記如下:1樣品引入管；2萃取劑引入管；3吸收劑引入管；4樣品導出管；5廢液導出管；6主通道；7導流軌道；8微通道局部立體示意圖；9側通道；10高度差a ;11收集通道；12高度差b。圖2是本發明的微流控晶片各部分功能的示意圖。圖3是本發明的微流控晶片進行親水性修飾的操作示意圖。圖4是利用本發明的微流控晶片進行單分散液滴產生的結果(直接型液滴產生方式)。本圖還顯示了通過調節樣品液流速和萃取劑流速可以控制所產生的液滴數量。圖5是利用本發明的微流控晶片進行液滴捕獲和回收的結果(導流軌道回收方式)。圖中跟蹤了某一液滴在不同時刻的位置，說明了液滴捕獲和回收的過程。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明，但本發明並不局限於以下實施例。本發明的微流控晶片可以採用軟光刻的方法製作，根據具體需要，採用多次曝光。具體製備方法如下:將矽片浸沒於硫酸和雙氧水的混合溶液(硫酸與雙氧水的比例為3:1)中加熱，微沸40min，然後將矽片洗淨、烘乾。用勻膠機在矽片表面塗布一層SU-8 2050光刻膠，控制轉速為3000rpm，使光刻膠厚度約為50 μ m。經過前烘過程(65°C烘烤lmin，95°C烘烤2min)以後，用曝光機曝光，將微流控晶片中液滴產生部分的側通道複製到矽片模具上。第一次曝光完成以後，娃片需進行後烘過程(65°C烘烤lmin,95°C烘烤2min),然後就可以進行第二次光刻膠塗布。經過相似的操作過程，以2500rpm的轉速在矽片上繼續塗布一層約60 μ m的SU-8 2050光刻膠，經過曝光將整個微流控晶片的主通道複製到矽片模具上。對於通過導流軌道方式進行液滴收集的微流控晶片，還需要進行第三次曝光:用類似的操作過程，以1500rpm的轉速在矽片上再塗布一層約30 μ m的SU-8 2015光刻膠，曝光後將微流控晶片液滴收集部分的導流軌道複製到矽片模具上。接著，經過顯影和矽烷化，得到製作微流控晶片的模具。將聚二甲基矽氧烷(PDMS)預聚物與引發劑以10:1的比例混合均勻並倒入微流控晶片模具中，經脫氣處理以後置於75V聚合2h，即可得到有微流控晶片通道的PDMS聚合物塊。將此PDMS聚合物塊從模具上剝離後，用打孔器打孔作為微流控晶片的溶液入口與出口。最後，PDMS聚合物塊經氧等離子體處理後與玻璃片鍵合即得到本發明的微流控晶片。實施例1、微流控晶片以直接型液滴產生方式及導流型液滴回收方式為例來說明本發明的結構。如圖1所示，本發明提供的微流控晶片包括主通道6，其為直線形通道，該主通道6的一端設有樣品入口(圖中未標)，該樣品入口與樣品引入管I相連通，用於注入樣品溶液；主通道6的另一端設有廢液出口(圖中未標)，該廢液出口與廢液導出管5相連通，用於導出萃取後的廢液；靠近樣品入口的一端，主通道6與一個側通道9相連通，該側通道9的游離端為萃取劑入口(圖中未標)，該萃取劑入口與萃取劑引入管2相連通，用於引入萃取劑；如微通道局部立體示意圖8，該側通道9與主通道6之間存在高度差alO，且側通道9的上緣設於主通道6的下緣的下部。靠近廢液出口的一端，主通道6與一個收集通道11相連通，該收集通道11的游離端為樣品出口(圖中未標)，該樣品出口與樣品導出管4相連通，該樣品導出管4與檢測裝置相連接；靠近樣品出口的一端，該主通道6內設有設有一導流軌道7，且該導流軌道7的高度大於主通道6的高度，兩者之間存在高度差bl2，該導流軌道7沿主通道6的寬度方向延伸；導流軌道7的一端與主通道6相連通，另一端與收集通道11相連通。高度差bl2有利於利用浮力和表面張力對液滴進行引導:有機相液滴由於浮力能夠進入較高的導流軌道7，導流軌道7中的液滴離開軌道需要克服浮力和改變球形狀態所產生的表面張力，使液滴更傾向於沿著導流軌道7運動。上述實施例中，如圖2所示，主通道的樣品入口端與側通道構成本發明的液滴產生部分，在該部分中可以產生單分散液滴；主通道主要構成本發明的液滴萃取部分，通過較長的運動路程，使液滴在通過主通道時有足夠的時間發生充分的萃取；樣品出口、廢液出口和收集通道構成本發明的液滴收集部分，將收集到的萃取液滴導入至檢測裝置內進行檢測。本實施例中，微流控晶片各部分的尺寸為:主通道的高度為110 μ m，寬度為1mm;液滴萃取部分的側通道高度為50 μ m，寬度60 μ m ;液滴收集部分的導流軌道高出主通道30 μ m，寬60 μ m ;液滴收集部分的收集通道高140 μ m，寬200 μ m。液滴產生部分側通道與主通道之間的高度差使進入主通道的有機相萃取更容易形成球形，利用表面張力，讓水相溶液能更好地切割有機相而形成單分散液滴。液滴收集部分導流軌道與主通道之間的高度差有利於利用浮力和表面張力對液滴進行引導:有機相液滴由於浮力能夠進入較高的導流軌道，導流軌道中的液滴離開軌道需要克服浮力和改變球形狀態所產生的表面張力，使液滴更傾向於沿著導流軌道運動。上述的微流控晶片中，其中的液滴收集部分還可通過親水性多孔膜來實現，該親水性多孔膜設於收集通道11與主通道6的連接處和廢液出口之間，所設置的親水性多孔膜可以讓水相溶液順利通過的同時，將有機相的液滴攔截並導入收集通道11中。同時，還可在收集通道11上設置吸收劑入口(圖中未標)，該吸收劑入口與吸收劑引入管3相連通，從而可以在萃取液滴進入檢測裝置以前，也可以根據檢測裝置的不同要求，用相應的緩衝溶液或溶劑對萃取液滴進行吸收，以兼容不同檢測體系。實施例2、微流控晶片的親水修飾如圖3所示，本發明所述微流控晶片在製成以後可以使用層層自組裝的方法進行親水修飾，具體過程如下:將微流控晶片用氧等離子體處理，使其通道表面轉變為親水性後，首先通入含0.1%聚丙烯胺鹽酸鹽(PAH)的氯化鈉溶液(含0.5M氯化鈉)修飾lOmin，用
0.1M的氯化鈉溶液衝洗後，通入含0.1%聚對苯乙烯磺酸鈉(PSS)的氯化鈉溶液(含0.5M氯化鈉)修飾lOmin，然後再次用0.1M的氯化鈉溶液衝洗，之後再用相同的操作依次通入PAH和PSS的氯化鈉溶液進行修飾，重複2次，即可將微流控晶片的通道表面修飾為親水的，並能長期保持。實施例3、本發明微流控晶片中液滴的產生一直接型液滴產生方式如圖4所示，以5μ L/min的流速向微流控晶片的主通道中通入水相樣品溶液(以含紅色染料的水溶液模擬)，同時以I μ L/min的流速向微流控晶片液滴產生部分的側通道中通入萃取劑溶液(以丁醇模擬)。萃取劑溶液進入主通道時，會被主通道中流動的樣品溶液切割，形成單分散的液滴，並隨著樣品溶液向前流動。通過調整樣品溶液的流動速度和萃取劑溶液的速度，可以調整液滴的數量和大小。實施例4、本發明微流控晶片中液滴的回收一導流軌道回收方式如圖5所示，當微流控晶片中的萃取劑液滴隨著樣品溶液向前流動，經過微流控晶片液滴收集部分的導流軌道時，會由於浮力和表面張力的原因進入導流軌道，並在後續樣品溶液的持續推動下，沿著導流軌道繼續向收集通道運動。最終，萃取劑液滴被引導進入液滴收集通道並被導入後續的檢測部分。
權利要求
1.一種用於液滴萃取的微流控晶片，其特徵在於:所述微流控晶片包括主通道；所述主通道的一端設有樣品入口，另一端設有廢液出口； 靠近所述廢液出口的一端，所述主通道與一個收集通道相連通，所述收集通道的游離端為樣品出口 ； 靠近所述樣品入口的一端，所述主通道與一個側通道相連通，所述側通道的游離端為萃取劑入口 ；所述側通道與所述主通道之間存在高度差，且所述側通道的上緣設於所述主通道的下緣的下部。
2.根據權利要求1所述的微流控晶片，其特徵在於:所述主通道為直線形通道或蛇形通道。
3.根據權利要求1或2所述的微流控晶片，其特徵在於:靠近所述樣品出口的一端，所述主通道內設有一導流軌道，且所述導流軌道的高度大於所述主通道的高度，所述導流軌道沿所述主通道的寬度方向延伸； 所述導流軌道的一端與所述主通道相連通，另一端與所述收集通道相連通。
4.根據權利要求1或2所述的微流控晶片，其特徵在於:所述主通道內設有親水性多孔膜，所述親水性多孔膜設於所述收集通道與所述主通道的連接處和所述廢液出口之間。
5.根據權利要求4所述的微流控晶片，其特徵在於:所述收集通道上設有吸收劑入口。
6.權利要求1-5中任一項所述微流控晶片在液滴萃取中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種用於液滴萃取的微流控晶片。所述微流控晶片包括主通道；所述主通道的一端設有樣品入口，另一端設有廢液出口；靠近所述廢液出口的一端，所述主通道與一個收集通道相連通，所述收集通道的游離端為樣品出口；靠近所述樣品入口的一端，所述主通道與一個側通道相連通，所述側通道的游離端為萃取劑入口；所述側通道與所述主通道之間存在高度差，且所述側通道的上緣設於所述主通道的下緣的下部。本發明的微流控晶片可以進行在線液滴萃取；在進行在線液滴萃取中，本發明能夠適應於多種連續流動的實驗體系，對於多種檢測方式有較好的兼容性，能夠實現實時在線的物質監測，能夠有效地應用到微流控晶片上的生物學和醫學研究中。
文檔編號G01N1/34GK103203258SQ20131010194
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月27日 優先權日2013年3月27日
發明者林金明, 王聶君 申請人:清華大學