基于微通道的下壁面指定位置可动的微流控芯片

摘要

基于微通道的下壁面指定位置可动的微流控芯片，基座孔洞为设置在基座的上表面的凹槽结构，其决定微通道下表面中可变形部分的位置和尺寸；基座的底部为载玻片，主体固体结构设置在基座上；基座与主体固体结构之间设置有薄膜结构；主通道的两端分别为连续相入口、出口；主通道的侧面连接有侧通道，侧通道的端部为离散相入口；本发明可以在不增加额外驱动或者控制装置的基础上，利用简单的微通道结构生成常规微流控芯片在相同流动条件下不能达到的均匀性较好的微尺度液滴，直观清晰，操作简单。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微通道的下壁面指定位置可动的微流控芯片，在不施加额外驱动装 置和控制装置的基础上，通过调节可动部分的位置和尺寸，影响通道内部的流动状况，从而 调节气泡的生成。

背景技术

随着小尺度化学或生物分析系统的大力发展，涉及微全分析系统(micro total analysis  ayatems，μTAS)或芯片实验室(lab-on-a-chip)的各种类型的微流控设备被广泛设计和研究， 关于微尺度流动的研究获得了较为丰富的成果，并在此基础上形成了一些针对不同应用的被 普遍认可的流动结构。

现阶段微尺度制造技术的高度发展也为微尺度流动的研究和应用提供了充分的技术支 持，例如光刻以及激光刻蚀等技术能够实现微米级结构的制作等，表面处理技术的发展能够 提高微流控器件的精度，基于此各种新型的流动和控制结构可以从设计转化为成品制造。

由于在生物或化学研究中，单个微液滴可以作为独立的化学反应、输运和混合体，以及 其在食品药品制造等行业中乳化过程的重要作用，人们将越来越多的关注集中于基于微流控 系统的微尺度液滴上面来。当前关于微液滴的研究主要集中于影响液滴生成和破碎过程的各 因素的研究，并得到了液滴破碎的基本原理、液滴大小的一些经验预测关系式以及各影响因 素对于液滴大小的作用关系等。

尽管在微尺度流动理论和微流控技术的发展的基础之上，关于微液滴的研究取得了很多 被研究者们广为接纳的结果，然而对于液滴产生过程中的不均匀性以及控制其不均匀性的方 法等问题较少涉及。

发明内容

本发明是基于常用的微液滴/气泡生成结构微通道，通过改变其壁面类型(将微通道底面 的指定位置处改为能够变形的弹性壁面)，以达到提高调节气泡生成效果的目的。本发明在常 用T形微通道芯片的底面的指定位置处，制作形成远小于通道宽度的可变形的薄膜结构，薄 膜可在通道内流动的液体的作用下而产生变形和振动。实验结果显示，相同流动条件下，具 有弹性薄壁面结构的微通道能够明显调节生成气泡的大小和生成时间。

本发明所述微通道在常规微尺度通道的基础之上，对通道下壁面的结构做了改进，主要 结构如下：

弹性底面微通道芯片包含离散相入口1、侧通道2、连续相入口3、主通道4、出口5、 主体固体结构6、薄膜结构7、基座8、载玻片9、基座孔洞10；其中离散相入口1、侧通道 2、连续相入口3、主通道4、出口5为在主体固体结构6上的凹槽或洞孔结构，是芯片工作 时流体流动的区域；

基座孔洞10为设置在基座8的上表面的凹槽结构，其决定微通道下表面中可变形部分的 位置和尺寸；基座8的底部为载玻片9，主体固体结构6设置在基座8上；基座8与主体固 体结构6之间设置有薄膜结构7；主通道4的两端分别为连续相入口3、出口5；主通道4的 侧面连接有侧通道2，侧通道2的端部为离散相入口1；

主体固体结构6、薄膜结构7、基座8由PDMS(polydimethylsiloxane)材料制成，载玻 片9为常用玻璃制片。常规微尺度通道不包含薄膜结构7和基座8，薄膜结构7和基座8的 作用是形成下壁面指定区域为可变形的弹性薄膜，为变形提供结构支持和变形空间。

本装置的具体工作过程如下：气体从离散相入口1流入，连续相液体从连续相入口3流 入，两者在侧通道2和主通道4的连接处交汇，离散相气体破碎形成气泡并随连续相一起往 下游流动，最终通过出口5流出芯片。在流动的过程中，由于PDMS材料本身具有弹性，并 且在基座孔洞10处的薄膜结构7具有较小的抗弯刚度以及变形的空间，使得薄膜结构7在液 体作用下发生变形以及振动，进而影响液体的流动以及气泡的生成过程。

本发明可以通过在微通道底部指定区域制作可变形弹性壁面，影响液体流动，进而达到 调节气泡生成的作用。

附图说明

图1是本发明基于T形微通道的下壁面指定位置可动的微流控芯片的三维总体轮廓示意 图。

图2是本发明基于T形微通道的下壁面指定位置可动的微流控芯片中可变形壁面部分的 横截面示意图。

图3是对比实验中常规T形微通道流控芯片的主通道部分横截面示意图。

图4是T形微通道微流控芯片用于实现气泡生成的工作过程示意图。

图中：1、离散相入口，2、侧通道，3、连续相入口，4、主通道，5、出口，6、主体固 体结构，7、薄膜底面结构，8、基座，9、载玻片，10、基座孔洞。

注：由于微通道尺寸远小于芯片尺寸，用实际尺寸表示微流控芯片时不能清晰表征微流 控芯片流道部分的结构，因此附图使用的是微流道结构相对放大的芯片示意图。

具体实施方式

下面结合结构附图对发明基于T形微通道的下壁面指定位置可动的微流控芯片的工作过 程和作用效果进行详细说明。

弹性底面T形微通道芯片包含离散相入口1、侧通道2、连续相入口3、主通道4、出口 5、主体固体结构6、薄膜结构7、基座8、载玻片9、基座孔洞10；其中离散相入口1、侧通 道2、连续相入口3、主通道4、出口5为在主体固体结构6上的凹槽或洞孔结构，是芯片工 作时流体流动的区域；

基座孔洞10为设置在基座8的上表面的凹槽结构，其决定T形微通道下表面中可变形部 分的位置和尺寸；基座8的底部为载玻片9，主体固体结构6设置在基座8上；基座8与主 体固体结构6之间设置有薄膜结构7；主通道4的两端分别为连续相入口3、出口5；主通道 4的侧面连接有侧通道2，侧通道2的端部为离散相入口1；

主体固体结构6、薄膜结构7、基座8由PDMS(polydimethylsiloxane)材料制成，载玻 片9为常用玻璃制片。常规T形微尺度通道不包含薄膜结构7和基座8，薄膜结构7和基座8 的作用是形成下壁面指定区域为可变形的弹性薄膜，为变形提供结构支持和变形空间。

本装置的具体工作过程如下：气体从离散相入口1流入，连续相液体从连续相入口3流 入，两者在侧通道2和主通道4的连接处交汇，离散相气体破碎形成气泡并随连续相一起往 下游流动，最终通过出口5流出芯片。在流动的过程中，由于PDMS材料本身具有弹性，并 且在基座孔洞10处的薄膜结构7具有较小的抗弯刚度以及变形的空间，使得薄膜结构7在液 体作用下发生变形以及振动，进而影响液体的流动以及气泡的生成过程。

图1为基于T形微通道的下壁面指定位置可动微流控芯片的三维总体轮廓示意图。该芯 片包含离散相入口1、侧通道2、连续相入口3、主通道4、出口5、主体固体结构6、薄膜结 构7、基座8、载玻片9、基座孔洞10。图4是本发明基于T形微通道的下壁面指定位置可动 面微流控芯片的工作过程示意图。两种流体在外力驱动下通过两个入口流入微流控芯片中， 调整两种液体的流动条件，使其生成微气泡，并保持该流速一段时间使流动稳定，然后进行 液滴生成记录实验。为了验证该发明对于气泡生成的有效作用，利用相同结构的底面不能变 形的常规微流控芯片进行了对比实验。两组实验的气泡大小如表1所示，可见本发明能够有 明显影响气泡的生成。

表1本发明芯片与对比芯片的气泡长度结果

注：连续相流速为3μL/min，所用微通道的侧通道宽度为300μm，主通道宽度为300μm，通道高度为100μm。