一种基于疏水毛细管的微流体进样装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于疏水毛细管的微流体进样装置及方法，包括水相注射器、油相注射器、水相样本管道、油相样本管道和液滴生成模块，水相注射器的注射口连接水相样本管道的输入端，水相样本管道的输出端连接液滴生成模块，油相注射器的注射口连接油相样本管道的输入端，油相样本管道的输出端连接液滴生成模块，水相样本管道和油相样本管道为疏水毛细管。本发明能够通过疏水毛细管存储多段水相样本，防止多种水相样本融合，可广泛应用于微流控技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，尤其是一种基于疏水毛细管的微流体进样装置及方法。

背景技术

液滴微流控技术已成为一种广泛应用的多功能方法，能够对每个液滴进行独立控制。液滴的生成基于流体的不稳定性原理，在微流体装置中，将一种流体(离散相)引入另一种(连续相)不混溶的流体中生成微液滴。现有装置中对于低密度的微流体离散相一次只能注入一种水相样本，若多种水相样本注入会聚集并融合在一起。另外，对于低表面自由能的连续相，油相样本从注射器针头处吸入密闭容器后，由于较大的表面张力作用而离散成很多小的样本微粒，造成样本的不连续性。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种简单实用的基于疏水毛细管的微流体进样装置及方法，以实现多样本同时装载。

一方面，本发明提供了一种基于疏水毛细管的微流体进样装置，包括水相注射器、油相注射器、水相样本管道、油相样本管道和液滴生成模块，水相注射器的注射口连接水相样本管道的输入端，水相样本管道的输出端连接液滴生成模块，油相注射器的注射口连接油相样本管道的输入端，油相样本管道的输出端连接液滴生成模块，水相样本管道和油相样本管道为疏水毛细管。

可选地，水相注射器的注射口连接水相样本管道的输入端，包括：

在水相注射器的注射口与水相样本管道的连接处使用热熔胶进行密封。

可选地，油相注射器的注射口连接油相样本管道的输入端，包括：

在油相注射器的注射口与油相样本管道的连接处使用热熔胶进行密封。

可选地，水相样本管道包括U型管道。

可选地，疏水毛细管包括聚四氟乙烯毛细管、全氟乙烯丙烯共聚物毛细管、聚醚醚酮毛细管和聚氯乙烯毛细管中至少一种。

可选地，水相样本管道存储有多段水相样本。

可选地，液滴生成模块包括微流控液滴芯片、交叉流毛细管、流动聚焦流毛细管和同轴聚焦流毛细管中至少一种。

另一方面，本发明实施例还提供了一种基于疏水毛细管的微流体进样方法，应用于如上任一项的装置，包括：

通过水相注射器将多段水相样本以及油相样本吸入水相样本管道中，水相样本管道中每段水相样本之间通过油相样本间隔；

通过油相注射器将油相样本吸入油相样本管道中；

通过液滴生成模块分别连接水相注射器和油相注射器，生成微液滴。

可选地，在通过水相注射器将多段水相样本以及油相样本吸入水相样本管道中之前，还包括：

将油相样本注入水相注射器和油相注射器中，并排出水相注射器和油相注射器内部的空气。

可选地，通过水相注射器将多段水相样本以及油相样本吸入水相样本管道中，包括：

水相样本在水相样本管道中受到毛细管力的主导作用，以液段的形式存贮在水相样本管道中。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明包括水相注射器、油相注射器、水相样本管道、油相样本管道和液滴生成模块，水相注射器的注射口连接水相样本管道的输入端，水相样本管道的输出端连接液滴生成模块，油相注射器的注射口连接油相样本管道的输入端，油相样本管道的输出端连接液滴生成模块，水相样本管道和油相样本管道为疏水毛细管。本发明通过疏水毛细管能够存储多段水相样本，防止多种水相样本融合。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种基于疏水毛细管的微流体进样装置结构图；

图2为本发明实施例的一种基于疏水毛细管的微流体进样方法流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明实施例提供一种基于疏水毛细管的微流体进样装置，包括水相注射器、油相注射器、水相样本管道、油相样本管道和液滴生成模块，水相注射器的注射口连接水相样本管道的输入端，水相样本管道的输出端连接液滴生成模块，油相注射器的注射口连接油相样本管道的输入端，油相样本管道的输出端连接液滴生成模块，水相样本管道和油相样本管道为疏水毛细管。

参照图1，其中，水相注射器1用于将水相样本吸入水相样本管道3，水相样本管道3用于存储多段水相样本，水相样本可以为一种水相样本，也可以为多种水相样本。油相注射器2用于将油相样本吸入油相样本管道4，油相样本管道4用于存储和传输油相。液滴生成模块5用于连接水相样本管道3与油相样本管道4末端生成油包水微液滴。本装置中的水相样本管道3和油相样本管道4为疏水毛细管，由于疏水毛细管的的疏水性以及不粘性，避免了水相样本的黏附，能够更好地存储多段水相样本。水相注射器1和油相注射器2都用于抽取、存贮和输送连续的水相或油相，后续在外部动力的作用下驱动注射器和管道内液体的流动以及通过液滴生成模块5生成液滴后液滴的流动，流动速度由水相注射器1和油相注射器2的流量决定。水相样本管道3用于存贮和输送待进行生化反应的水相样本，每个水相样本用油相隔离开。液滴生成模块5利用油相对水相样本的剪切力，将水相样本剪切成独立的、单分散的液滴，用于进行独立的生化反应。

进一步作为优选的实施方式，水相注射器的注射口连接水相样本管道的输入端，包括：

在水相注射器的注射口与水相样本管道的连接处使用热熔胶进行密封。

其中，在水相注射器的注射口与水相样本管道的连接处使用热熔胶进行密封和固定，能够防止漏液和管道脱落。

进一步作为优选的实施方式，油相注射器的注射口连接油相样本管道的输入端，包括：

在油相注射器的注射口与油相样本管道的连接处使用热熔胶进行密封。

其中，在油相注射器的注射口与油相样本管道的连接处使用热熔胶进行密封和固定，能够防止漏液和管道脱落。

进一步作为优选的实施方式，水相样本管道包括U型管道。

其中，通过U型管道能够更好地存储多段水相样本。

进一步作为优选的实施方式，疏水毛细管包括聚四氟乙烯毛细管、全氟乙烯丙烯共聚物毛细管、聚醚醚酮毛细管和聚氯乙烯毛细管中至少一种。

其中，聚四氟乙烯毛细管、全氟乙烯丙烯共聚物毛细管、聚醚醚酮毛细管和聚氯乙烯毛细管具有疏水性强以及摩擦系数低的优点，能够替代密闭容器装载样本，避免样本在密闭容器中残留、离散化、空气混入或交叉污染。

进一步作为优选的实施方式，水相样本管道存储有多段水相样本。

其中，对于密封容器存储水相样本，一次只能注入一个样本，多段水相样本注入会聚焦并融合在一起，若使用空气相隔，则会产生空气混入的问题。若使用油相间隔，在密封容器内部水相样本会受到油相浮力的作用而漂浮起来，增加了操作难度。而使用疏水毛细管的水相样本管道能够利用水相样本在疏水毛细管内受到的毛细管力与毛管半径成反比的原理，弱化水相样本在油相中受到浮力的影响，从而可以将多个水相样本以液段的形式依次摄入并存储在水相样本管道中。

进一步作为优选的实施方式，液滴生成模块包括微流控液滴芯片、交叉流毛细管、流动聚焦流毛细管和同轴聚焦流毛细管中至少一种。

其中，液滴生成模块用于连接水相样本管道和油相样本管道，可以使用微流控液滴芯片、交叉流毛细管、同轴聚焦流毛细管、流动聚焦流毛细管等多种方式生成单分散的液滴。

参照图2，本发明实施例还提供了一种基于疏水毛细管的微流体进样方法，应用于如上任一项的装置，包括：

通过水相注射器将多段水相样本以及油相样本吸入水相样本管道中，水相样本管道中每段水相样本之间通过油相样本间隔；

通过油相注射器将油相样本吸入油相样本管道中；

通过液滴生成模块分别连接水相注射器和油相注射器，生成微液滴。

进一步作为优选的实施方式，在通过水相注射器将多段水相样本以及油相样本吸入水相样本管道中之前，还包括：

将油相样本注入水相注射器和油相注射器中，并排出水相注射器和油相注射器内部的空气。

其中，将作为连续相的氟化油注入水相注射器和油相注射器中，并排出注射器内部的空气。现有技术使用的注射器材质多为塑料(聚丙烯)和玻璃，前段注射部位为不锈钢针头，表面疏水性不佳，水相样本易残留和黏附在注射器内部，造成水相样本流失。而通过油相将水相包裹住形成油包水液滴，每一个液滴都是一个独立的微反应容器，油相起承载和保护的作用，排出空气后能够阻止空气混入，还能清除水相样本残留。

进一步作为优选的实施方式，通过水相注射器将多段水相样本以及油相样本吸入水相样本管道中，包括：

水相样本在水相样本管道中受到毛细管力的主导作用，以液段的形式存贮在水相样本管道中。

其中，毛细管力为毛细管中能使与其管壁润湿或非润湿的液体自然上升或下降的作用力。此力指向液体凹面所朝向的方向，其大小与该液体的表面张力成正比，与毛管半径成反比。水相样本通过疏水毛细管中的毛细管力以液段的形式存贮在水相样本管道中。

本发明一种基于疏水毛细管的微流体进样装置的实例流程具体包括：

首先将水相样本管道和油相管道分别与水相注射器和油相注射器的出口针头连接，然后用热熔胶密封和固定，防止漏液和管道脱落。利用水相注射器和水相样本管道抽取配制好的第一水相样本，再抽取少量油相，再依次抽取第二水相样本和少量油相、第三水相样本和少量油相，依次类推。水相样本装载完毕后，将水相样本管道和油相样本管道接入液滴生成模块。利用注射泵以恒定的流量分别驱动水相注射器和油相注射器，使水相样本和油相通入液滴生成模块中，基于流体的不稳定性原理生成微升至皮升尺度的微液滴。

现有装置通常将水相样本注入密闭的容器中，使用一次性医用注射器装载样本，然后利用机械泵、气压泵、蠕动泵等驱动装置，将其通入微流控芯片或管道之中。

综上，本发明实施例具有以下优点：

(1)本发明采用疏水毛细管作为水相样本管道，能够使水相样本稳定地存储在水相样本管道中。

(2)本发明采用油相作为隔离层，能够使多种水相样本同时装载到水相样本管道中，能够防止多种水相样本交叉污染。

(3)本发明采用疏水毛细管存储和输送水相样本，能够避免水相样本在注射器中的残留导致的样本消耗。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-On ly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。