[发明专利]一种气体剪切辅助的全水相液滴微流控芯片

说明书

本发明提供一种气体剪切辅助的全水相液滴微流控芯片，该芯片主要由样品入口、气体入口、样品通道、分散相通道、延伸通道、气体通道、芯片固定板和收集池组成。样品溶液进入芯片后，按照样品通道组合以层流方式经过分散相通道与延伸通道，在延伸通道出口受到表面张力、重力、气体剪切力综合作用，被分割成均匀微液滴。本发明通过对芯片通道的灵活设计、气体流速、分散相黏度等参数的简单调节，该芯片可以在不需要有机相的情景下实现不同尺寸范围和形态类别的微液滴高效率生成，得到的液滴经收集池固化在细胞负载、药物控释等生物医学等领域，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及微纳加工、流体力学、材料化学技术领域，具体而言，尤其涉及一种气体剪切辅助的全水相液滴微流控芯片。

背景技术

液滴微流控芯片是近年来发展起来的一项新兴技术，用于处理直径从几微米到数百微米的液滴生成、操作和应用。其制备的微液滴具有粒径小、表面积大、速度快、通量大、粒径均匀、系统封闭、内部稳定等特点，在给药、生物技术、疾病防治、化学分析、细胞研究和功能材料合成等领域得到了广泛应用。

传统芯片在液滴制备过程中需要将两种不相容的液体分别作为连续相和分散相以固定体积流量打入各自的微通道。两相在交点处相遇时，由于连续相的剪切力和挤压力，分散相逐渐变薄，最终破碎成液滴。这种情况下，有机相通常不可避免地以连续相的形式引入以帮助液滴形成。然而，一些蛋白质和细胞对有机溶液敏感，随后的洗涤等后处理过程也会增大污染的概率并且浪费时间，这为液滴微流控在生物医学领域的应用带来了很多限制。近年来，双水相系统(ATPS)被引入到液滴微流控领域为解决这些问题提供了一定的思路，但该体系下界面张力较低，在液滴大范围尺寸调控、高通量产生及复杂形貌制备上仍具有挑战性。

发明内容

根据上述提出的现有技术中双水相系统(ATPS)体系下界面张力较低，在液滴大范围尺寸调控、高通量产生及复杂形貌制备上仍具有挑战性的技术问题，而提供一种气体剪切辅助的全水相液滴微流控芯片。本发明利用硬质毛细管将微流控芯片中的分散相流路改进到芯片通道外面，并采取了一种气体剪切辅助的方式调控液滴生成，通过对芯片通道的不同设计，可以灵活实现具有核壳类、两面神类(Janus)等形貌特征的液滴高通量制备，这对扩大液滴微流控在生物医学领域中的应用具有重要意义。

本发明采用的技术手段如下：

一种气体剪切辅助的全水相液滴微流控芯片，包括：固定结构、安装在固定结构上的芯片本体以及收集池，所述芯片本体包括样品入口、气体入口、芯片通道和气体通道，所述样品入口连通在所述芯片通道的入口端，用于将不同样品溶液输送至芯片通道中；所述气体通道连通在所述芯片通道的出口端，所述气体入口连接在芯片通道和气体通道的相接处；

所述样品溶液以层流方式流经芯片通道，在芯片通道出口受到表面张力、重力、气体剪切力综合作用，被分割成均匀微滴，滴至收集池中。

进一步地，所述芯片通道包括样品通道、分散相通道和延伸通道，所述样品通道的一侧与样品入口相连通，另一侧与分散相通道的一端相连通；所述延伸通道的一侧插入至分散相通道的另一端，另一侧与气体通道相连；经样品入口泵入的样品溶液按照样品通道组合以层流方式经过分散相通道与延伸通道，在延伸通道出口受到表面张力、重力、气体剪切力综合作用，被分割成均匀微液滴。

进一步地，所述样品通道为由第一通道和第二通道构成的多边形通道，所述第一通道为由并联的两条通道形成的锥形结构，两条通道的出口端汇集在锥尖处，入口端位于远离锥尖的一端并同时连接第一个样品入口；所述第二通道位于第一通道的中部，其入口端与第二个样品入口相连，出口端与第一通道的出口端汇集后与分散相通道的入口端连通；样品溶液被分割成具有核壳结构的均匀微滴。

进一步地，所述样品通道为由并联的第三通道和第四通道形成的Y形结构，所述第三通道和第四通道的入口端各连接一个样品入口，出口端汇集后与分散相通道的入口端连通；样品溶液被分割成具有Janus结构的均匀微滴。