本發(fā)明屬于微流控芯片領(lǐng)域，尤其涉及一種基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片及系統(tǒng)和使用方法。

背景技術(shù)：

1、微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，其核心設(shè)備——微流控芯片通過精密加工技術(shù)在微米尺度上制造，能夠?qū)崿F(xiàn)液體在微小通道內(nèi)的精確操控。微球生成技術(shù)是微流控芯片的一項重要應(yīng)用，被廣泛用于藥物傳遞、細胞培養(yǎng)、傳感器制造等領(lǐng)域。然而，當(dāng)流道放置方向與重力方向形成一定夾角時，重力的作用會使微球在流道中向壁面偏移，微球接觸壁面時間過長會潤濕壁面并出現(xiàn)掛壁現(xiàn)象。在微球生成過程中，表面潤濕和掛壁現(xiàn)象會導(dǎo)致微球附著在芯片的流道壁上，從而影響微球的形態(tài)、尺寸均一性和收集效率，因此芯片流道壁的預(yù)處理一直是微流控領(lǐng)域的重要問題。為了應(yīng)對液滴在流道內(nèi)發(fā)生表面潤濕現(xiàn)象，通常在流道內(nèi)加工一層類似于荷葉表面的疏水微結(jié)構(gòu)，或者在流道表面附著疏水材料。雖然這兩種方式都能有效改善液滴潤濕，但都有一定的局限性。首先，加工微結(jié)構(gòu)的難度較大，且這類芯片使用后的清洗工作也十分不易，可能會有溶液殘留在微結(jié)構(gòu)中，影響后續(xù)使用；其次，采用對流道表面進行疏水處理的方法。這種方法通過在芯片表面涂覆一層疏水材料，使表面能量降低，從而減少液滴與流道壁之間的粘附。然而，疏水涂層在流道內(nèi)的附著效果較差，這種疏水涂層在長時間使用過程中容易脫落，導(dǎo)致效果下降，液滴長時間的沖刷和刮蹭會破壞涂層，也難以長久使用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、1.所要解決的技術(shù)問題：

2、如何對芯片流道壁的預(yù)處理，避免液滴潤濕，并可以長久使用。

3、2.技術(shù)方案：

4、為了解決以上問題，本發(fā)明提供了一種基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片，包括基板，所述基板包括上基板和下基板，所述上基板下方和下基板上方都設(shè)有凹型，上基板和下基板合起后，兩個凹型組成流道，所述流道包括內(nèi)相流道、剪切相流道、液滴懸浮輔助相流道，液滴運輸流道，所述內(nèi)相流道、剪切相流道、液滴懸浮輔助相流道，都設(shè)有溶液入口，所述液滴運輸流道設(shè)有流道出口，所述內(nèi)相流道、液滴運輸流道都和液滴懸浮輔助流道垂直，并且相通，所述剪切相流道有兩個，位于內(nèi)相流道兩側(cè)，并相對內(nèi)相流道對稱，兩側(cè)剪切相流道交匯于所述內(nèi)相流道處，通入所述內(nèi)相流道的溶液、剪切相流道的溶液與液滴懸浮輔助相流道溶液互不相溶，所述通入液滴懸浮輔助相流道的溶液與通入剪切相流道的溶液之間的界面張力比液滴的重力大。

5、所述基板內(nèi)設(shè)有階梯結(jié)構(gòu)，具體為：所述內(nèi)相流道的流道高度需高于所述剪切相流道的流道高度、剪切相流道的流道高度高于液滴懸浮輔助相流道的流道高度，液滴懸浮輔助相流道的流道高度高于液滴運輸流道的流道高度。

6、所述內(nèi)相流道通入海藻酸鈉溶液，所述剪切相流道通入含有司盤的液體石蠟，所述液滴懸浮輔助相流道通入甘油。

7、所述內(nèi)相流道通入純水，所述剪切相流道通入二甲基硅油，所述液滴懸浮輔助相流道通入氟化油。

8、所述內(nèi)相流道通入純水，所述剪切相流道通入花生油，所述液滴懸浮輔助相流道通入二甲基硅油。

9、內(nèi)相溶液通過內(nèi)相流道入口進入內(nèi)相流道，剪切相溶液通過剪切相流道入口進入剪切相流道，在內(nèi)相流道、液滴運輸流道和液滴懸浮輔助相流道交匯處設(shè)有輔助相流道矩形入口，輔助相溶液通過輔助相流道矩形入口和設(shè)置在液滴懸浮輔助相流道兩端設(shè)有液滴懸浮輔助相流道圓孔入口進入液滴懸浮輔助相流道，所述輔助相流道矩形入口與所述液滴運輸流道的入口端相連。所述內(nèi)相流道入口、剪切相流道入口和液滴懸浮輔助相流道圓孔入口穿過上基板，輔助相流道矩形入口穿過上基板和下基板。

10、所述內(nèi)相流道、剪切相流道以及液滴懸浮輔助相流道的流動截面形狀可為圓形或矩形。

11、所述上基板和下基板使用透明的材質(zhì)。

12、本發(fā)明還提供了一種基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片系統(tǒng)，所述內(nèi)相流道入口、剪切相流道入口、輔助相流道矩形入口以及液滴懸浮輔助相流道圓孔入口分別通過軟管連接到注射器，注射器安置在可調(diào)節(jié)流速的注射泵上，流道出口通過軟管連接到收集的燒杯，用顯微鏡成像裝置觀察液滴運輸流道狀況。

13、本發(fā)明還提供了一種基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片的使用方法，包括以下步驟：

14、步驟1：在液滴懸浮輔助相流道圓孔入口和輔助相流道矩形入口通入不溶于內(nèi)、剪切相的溶液，并且與剪切相溶液有較大界面張力的輔助相溶液，提前布滿液滴運輸流道；

15、步驟2：在剪切相流道入口注入剪切相溶液，調(diào)控剪切相與輔助相流速比，形成一個穩(wěn)定的界面通道，在液滴運輸流道內(nèi)壁形成一個保護層；

16、步驟3:在內(nèi)相流道通入內(nèi)相溶液，調(diào)整流速，使內(nèi)相溶液在內(nèi)相流道和剪切相流道交匯處被剪切成球，沿著液滴運輸流道方向流出，受到重力影響，液滴下沉最終被與輔助相之間的界面張力束縛在界面上，隨著剪切相和輔助相液體一起流出后收集。

17、3.有益效果：

18、本發(fā)明通過調(diào)整芯片結(jié)構(gòu)來防止液滴貼壁發(fā)生潤濕，制作簡單，大大降低了制作成本、維護成本以及工藝要求。本發(fā)明中的臺階結(jié)構(gòu)間接調(diào)整了液滴生成的空間位置，即使液滴發(fā)生形變也難以接觸到流道內(nèi)壁發(fā)生潤濕。本發(fā)明增加了液滴懸浮輔助相流道，當(dāng)液滴受重力或其他干擾向周圍空間移動時，液滴會浮在剪切相與輔助相形成的流動界面上進行運輸，達到懸浮的效果，難以突破輔助相溶液并接觸內(nèi)壁潤濕流道。芯片可重復(fù)利用，降低操作成本。

19、本發(fā)明也適用于制備微米級別尺寸的雙乳液微球，通過更改流道尺寸以及注射泵的流速比例可實現(xiàn)不同尺寸微粒的懸浮流動。

技術(shù)特征：

1.一種基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片，包括基板（1），其特征在于：所述基板（1）包括上基板和下基板，所述上基板下方和下基板上方都設(shè)有凹型，上基板和下基板合起后，兩個凹型組成流道，所述流道包括內(nèi)相流道（2）、剪切相流道（3）、液滴懸浮輔助相流道（4），液滴運輸流道（7），所述內(nèi)相流道（2）、剪切相流道（3）、液滴懸浮輔助相流道（4），都設(shè)有溶液入口，所述液滴運輸流道（7）設(shè)有流道出口（8），所述內(nèi)相流道（2）、液滴運輸流道（7）都和液滴懸浮輔助流道（4）垂直，并且相通，所述剪切相流道（3）有兩個，位于內(nèi)相流道（2）兩側(cè)，并相對內(nèi)相流道（2）對稱，兩側(cè)剪切相流道（3）交匯于所述內(nèi)相流道（2）處，通入所述內(nèi)相流道（2）的溶液、剪切相流道（3）的溶液與液滴懸浮輔助相流道（4）溶液互不相溶，所述通入液滴懸浮輔助相流道（4）的溶液與通入剪切相流道（3）的溶液之間的界面張力比液滴的重力大。

2.如權(quán)利要求1所述的基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片，其特征在于：所述基板（1）內(nèi)設(shè)有階梯結(jié)構(gòu)（6），具體為：所述內(nèi)相流道（2）的流道高度需高于所述剪切相流道（3）的流道高度、剪切相流道（3）的流道高度高于液滴懸浮輔助相流道（4）的流道高度，液滴懸浮輔助相流道（4）的流道高度高于液滴運輸流道（7）的流道高度。

3.如權(quán)利要求1所述的基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片，其特征在于：所述內(nèi)相流道（2）通入海藻酸鈉溶液，所述剪切相流道（3）通入含有司盤80的液體石蠟，所述液滴懸浮輔助相流道（4）通入甘油。

4.如權(quán)利要求1所述的基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片，其特征在于：所述內(nèi)相流道（2）通入純水，所述剪切相流道（3）通入二甲基硅油，所述液滴懸浮輔助相流道（4）通入氟化油。

5.如權(quán)利要求1所述的基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片，其特征在于：所述內(nèi)相流道（2）通入純水，所述剪切相流道（3）通入花生油，所述液滴懸浮輔助相流道（4）通入二甲基硅油。

6.如權(quán)利要求1-5任一項權(quán)利要求所述的基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片，其特征在于：內(nèi)相溶液通過內(nèi)相流道入口（9）進入內(nèi)相流道（2），剪切相溶液通過剪切相流道入口（10）進入剪切相流道（3），液滴運輸流道（7）和液滴懸浮輔助相流道（4）交匯處設(shè)有輔助相流道矩形入口（5），輔助相溶液通過輔助相流道矩形入口（5）和設(shè)置在液滴懸浮輔助相流道（4）兩端設(shè)有液滴懸浮輔助相流道圓孔入口（11）進入液滴懸浮輔助相流道（4），在內(nèi)相流道（2）、所述輔助相流道矩形入口（5）與所述液滴運輸流道（7）的入口端相連，所述內(nèi)相流道入口（9）、剪切相流道入口（10）和液滴懸浮輔助相流道圓孔入口（11）穿過上基板，所述輔助相流道矩形入口（5）穿過上基板和下基板。

7.如權(quán)利要求1-5任一項權(quán)利要求所述的基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片，其特征在于：所述內(nèi)相流道（2）、剪切相流道（3）以及液滴懸浮輔助相流道（4）的流動截面形狀為圓形或矩形。

8.如權(quán)利要求1-5任一項權(quán)利要求所述的基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片，其特征在于：所述上基板和下基板使用透明的材質(zhì)。

9.一種權(quán)利要求1-8任一項所述的基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于：所述內(nèi)相流道入口（9）、剪切相流道入口（10）、液滴懸浮輔助相流道圓孔入口（11）以及輔助相流道矩形入口（5）分別通過軟管連接到注射器（14），注射器（14）安置在可調(diào)節(jié)流速的注射泵（13）上，流道出口（8）通過軟管連接到收集的燒杯（15），用顯微鏡成像裝置（16）觀察液滴運輸流道狀況。

10.一種權(quán)利要求1-8任一項所述的基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片的使用方法，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于界面懸浮法的防貼壁微流控芯片及其系統(tǒng)和使用方法。該微流控芯片包括上基板、下基板、內(nèi)相流道、剪切相流道、液滴運輸流道、液滴懸浮輔助流道和階梯結(jié)構(gòu)。內(nèi)相流道與剪切相流道形成流動聚焦結(jié)構(gòu)，通過輔助相溶液在液滴運輸流道內(nèi)壁形成一圈流動保護層，使液滴即使受到重力或其他力的干擾仍被束縛在界面之上，保持懸浮狀態(tài)，從而防止?jié)櫇褓N壁并掛壁。本發(fā)明通過結(jié)構(gòu)調(diào)整和利用輔助相流體保護，實現(xiàn)了液滴懸浮式運輸，有效防止微球生成過程中的表面潤濕和掛壁現(xiàn)象，具有制作簡單、成本低、可重復(fù)使用等優(yōu)點，適用于生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域的微流控應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：祝奕潘,李德格,倪剛剛,張浩,王夢婷,吳俊逸,張海寧,黃家浩
受保護的技術(shù)使用者：南京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6