一种微流控芯片及自组装的方法

摘要

本发明公开了一种微流控芯片及自组装的方法，本发明通过提供一种微流控芯片，包括第一通道、第二通道、第三通道、第四通道和若干支链通道，液体分别从第一通道和第二通道进入，在第一通道、第二通道和第三通道的交叉点汇合，通过调整流体的流速，使液体汇合后，形成单分散的微液滴颗粒，然后通过第四通道，利用支链结构，进行颗粒和液体的分离，实现颗粒在第四通道内自组装。通过调控液体流速，改变通道的尺寸可以得到不同粒径的颗粒，实现单层/双层/多层三维立体的有序复合的自组装结构。本发明可用于颗粒的自组装。

权利要求

1.一种微流控芯片，其特征在于：包括第一通道、第二通道、第三通道、第四通道和若干支链通道；液体分别从第一通道和第二通道进入，在第一通道、第二通道和第三通道的交叉点汇合并经第三通道流入第四通道、支链通道中，其中第四通道分别与若干支链通道相连通；所述第三通道宽度小于所述第一通道、第二通道和第四通道的宽度。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：还包括与若干支链通道连通的侧通道。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于：所述第一通道和第二通道分别具有进液口；所述第四通道和侧通道分别具有出液口。

4.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于：所述第一通道以第二通道为轴对称排布；所述支链通道和侧通道以第四通道为轴对称排布。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述第三通道的宽度为10～

100μm，所述第四通道的宽度为100～400μm，所述支链通道的宽度为10～100μm。

6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的微流控芯片的自组装的方法，该方法包括如下步骤：(1)选择不相溶的两液体A相和B相；

(2)室温下，将A相注入第一通道，B相注入第二通道；

(3)调节两相流体速率，使得当两相汇合进入第三通道时，B相液体形成均匀稳定的颗粒分散于A相液体中；

(4)A相液体和B相液体颗粒的混合液进入第四通道，第三通道宽度小于第一通道、第二通道和第四通道的宽度，A相液体进入微流控芯片的支链通道后流出，B相液体颗粒在微流控芯片的第四通道内自组装成紧密堆积结构；

(5)原位固化自组装结构并收集。

7.根据权利要求6所述的自组装的方法，其特征在于：所述A相和B相液体，其中一相为油溶性有机溶剂，另一相为蒸馏水、自来水、去离子水或者水溶液。

8.根据权利要求7所述的自组装的方法，其特征在于：所述的油溶性有机溶剂为十二烷、十六烷、二甲基硅油、煤油、矿物油、植物油中的一种或者两种以上的混合物；所述的水溶液为聚乙二醇二丙烯酸酯水溶液、丙烯腈共聚丙烯酰胺水溶液、N-异丙基丙烯酰胺水溶液、无机盐水溶液中的一种。

9.根据权利要求6所述的自组装的方法，其特征在于：所述A相或B相液体中添加有表面活性剂。

10.根据权利要求6所述的自组装方法，其中A相液体的流速为40～1500μL/h，B相液体的流速为15～600μL/h。

说明书

一种微流控芯片及自组装的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微流控技术，具体地讲涉及一种用于自组装的微流控芯片及利用该芯片来实现单分散颗粒自组装的技术。

背景技术

[0002] 微流控技术出现于上世纪80年代初，是一个集合了工程学、物理学、化学、生物技术、微型制造技术的新兴领域。微流控技术通过在几厘米见方的芯片上，有效精准控制和操纵微尺度流体，尤其特指微米至亚微米结构，所以微流控芯片是其实现的主要平台。利用微4
流控技术可以在几分钟甚至更短的时间内在线产生大量的微液珠（速度可达1Hz~10Hz），产生的液珠在指定的位置可以进行原位可控调整，达到自组装成有序结构的目的。因此，可将该方法结合功能性材料(聚合物高分子、固体颗粒、液体颗粒、气泡等）用于三维自组装方法和技术，制作相应的器件，应用于光子带隙材料（光子晶体）、彩色显示、催化、传感、化学/生物分离和能量储存等等。

[0003] 自组装SAM(Self-assembled monolayers) 是指一无序系统在没有外部的干预下，由个别部件间之互动，而组成一个有组织的结构过程。作为一种新型技术，自组装技术可以在分子水平上设计分子的结构，获得优异性能和特殊功能，因其具有灵敏度高、选择性好的优点。颗粒自组装，一般过程会经历：制备颗粒，筛选颗粒，分散颗粒在溶剂中，外力驱动下颗粒自组装几个过程。含有颗粒的流体混合物进行自组装一般通过蒸发、微波催化挥发或者透析等手段去除分散相介质，从而将颗粒紧密堆积并形成周期性的规则结构；或者采用化学驱动而引起的气-液，液-液界面能的变化，使得颗粒在界面处自组装。

[0004] 但是，这些现有的自组装方法存在以下缺点：首先，用于自组装的颗粒需要单独制备，由于制备方法的不同会导致颗粒的分散性和大小难以控制；其次，由于颗粒分散在溶剂（即连续相）中，需要大量的分散相来进行分散，需要消耗大量的分散相，通过分子间力、化学位的变化、pH的改变等使分散相中的颗粒进行自组装，此过程需要消耗很长的时间，而且需要特殊的实验条件和设备支持，因此限制了自组装材料在光子晶体、声学、微制造系统、药物释放、传感等领域的广范应用。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是：为解决上述现有技术在颗粒自组装中的问题，本发明提供了一种微流控芯片，及利用该芯片来实现单分散颗粒自组装的方法。

[0006] 本发明解决其技术问题的解决方案是：提供一种微流控芯片，包括第一通道、第二通道、第三通道、第四通道和若干支链通道；液体分别从第一通道和第二通道进入，在第一通道、第二通道和第三通道的交叉点汇合并经第三通道流入第四通道、支链通道中，其中第四通道分别与若干支链通道相连通，所述第三通道宽度小于所述第一通道、第二通道和第四通道的宽度。

[0007] 优选地，所述微流控芯片还包括与若干支链通道连通的侧通道，这样从支链通道流出的液体，可以进入侧通道后统一收集，不必分别在各个支链通道设置液体收集装置。

[0008] 优选地，所述第一通道和第二通道分别具有进液口；所述第四通道和侧通道分别具有出液口，这样便于液体注入和自组装样品收集。

[0009] 优选地，所述第一通道以第二通道为轴对称排布；所述支链通道和侧通道以第四通道为轴对称排布，且支链通道垂直于第四通道。这样可以更好的消除其他因素对流体的干扰，更利于精确控制自组装过程。所述第一通道以第二通道为轴对称排布，是指第一通道具有多条，对称的分布在第二通道两侧，这些第一通道可以具有同一个进液口，也可以各自具有单独进液口。

[0010] 进一步优选地，所述第三通道的宽度为10~100µm，所述第四通道的宽度为100~400µm，所述支链通道的宽度为10~100µm。

[0011] 本发明还提供了一种利用该微流控芯片进行自组装的方法，该方法包括以下步骤：

[0012] （1）选择不相溶的两液体A相和B相；

[0013] （2）室温下，将A相注入第一通道，B相注入第二通道；

[0014] （3）调节两相流体速率，使得当两相汇合进入第三通道时，B相液体形成均匀稳定的单分散颗粒分散于A相液体中；

[0015] （4）A相液体和B相液体颗粒的混合液进入第四通道，A相液体进入微流控芯片的支链通道后流出，B相液体颗粒在微流控芯片的第四通道内自组装成紧密堆积结构；

[0016] （5）原位固化自组装结构并收集。

[0017] 本发明的有益效果是：本发明通过提供一种微流控芯片，包括第一通道、第二通道、第三通道、第四通道和若干支链通道，液体分别从第一通道和第二通道进入，在第一通道、第二通道和第三通道的交叉点汇合，通过调整流体的流速，使液体在汇合后，形成单分散的微液滴颗粒，然后进入第四通道，利用其支链结构，实现颗粒和液体的分离，颗粒在第四通道内进行自组装。所述微流控芯片具有集成化高、操控简便、易于控制的优点；使用其进行自组装的方法具有条件精确可控、颗粒形貌均一的优点；通过调控液体流速，改变通道的尺寸可以得到不同粒径的颗粒，实现单层/双层/多层三维立体的有序复合的自组装结构。本发明可用于颗粒的自组装。

附图说明

[0018] 为了更清楚地说明本发明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说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。

[0019] 图1为本发明实施例1的微流控芯片的结构示意图；

[0020] 图2为本发明实施例2的微流控芯片的结构示意图；

[0021] 图3为本发明实施例3的微流控芯片的结构示意图。

具体实施方式

[0022] 以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

[0023] 微流控芯片的制作工艺是目前比较成熟的技术，本领域的技术人员可以根据其具有的专业知识选择合适的工艺实现，可以使用玻璃、硅材料或者高分子材料如聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚氨酯等来作为微流控芯片的材料。优选地，使用具有防水或者防油性的物质作为微流控芯片的材料。采用玻璃材料做芯片时，首先制作掩膜板，再利用光刻、蚀刻等方法将其模型刻蚀在固体基板上，然后进行器件封装。使用高分子材料作为芯片材料时，制作过程为：光刻掩膜板，光刻，复制模板，最后将得到的高分子芯片粘贴到载玻片上，即得到本发明的颗粒自组装微流控芯片。所述微流控芯片上的通道可通过塑料管、玻璃管等与流体泵相连，液体流速通过流体泵控制。

[0024] 实施例1

[0025] 参照图1，本发明优选实施例的微流控芯片的结构示意图，液体分别进入第一通道1和第二通道2后汇合进入第三通道3，流经第三通道后进入第四通道4和与第四通道连通的若干支链通道5，芯片还包括与支链通道连通的侧通道6，第三通道3的宽度小于第一通道1、第二通道2和第四通道4的宽度，第一通道1以第二通道2为轴对称分布，支链通道5和侧通道6以第四通道4为轴对称分布，且支链通道5垂直连通于第四通道4，第一通道1和第二通道2分别具有进液口a、b，第四通道4和侧通道6分别具有出液口c、d。

[0026] 实践中，应当根据需要制备颗粒的粒径以及流体性质等各种因素，选择合适的通道宽度，根据试验，可令所述第三通道3的宽度为10~100µm，所述第四通道4的宽度为100~400µm，所述支链通道5的宽度为10~100µm以上数值范围较为合适。

[0027] 本实施例的微流控芯片可以通过以下步骤进行自组装：

[0028] （1）选择不相溶的两相液体，分别记作A相和B相；优选地，所述不相溶的两相液体，其中一相为油溶性的有机溶剂，另一相为水溶液包括：蒸馏水、自来水、去离子水或者其他物质的水溶液。所述的油溶性的有机溶剂为十二烷、十六烷、二甲基硅油、煤油、矿物油、植物油中的一种或者两种以上的混合；所述水溶液为聚乙二醇二丙烯酸酯水溶液、丙烯腈共聚丙烯酰胺水溶液、N-异丙基丙烯酰胺水溶液、无机盐水溶液等中的一种，所述的无机盐可以是常见无机盐中的任一种，如氯盐、碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、磺酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸氢盐、磷酸盐、磷酸氢盐、硫酸二氢盐等。具体地，如：氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙、硝酸铁、硝酸亚铁、硫酸钠、磺酸钠、硫酸钾、硫酸钙、碳酸钠、碳酸钾、碳酸镁等。

[0029] 进一步的，为了调节两相液体的界面张力，使得稳定的产生颗粒并稳定存在进行自组装，所述两相液体中可以添加表面活性剂。优选地，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、吐温(Tween)、曲拉通(Triton)、司盘（Span）、聚乙烯醇（PVA）、鲸蜡基聚乙二醇/聚丙二醇-10/1二甲基硅氧烷（EM90）中的一种或者两种以上的混合。其中吐温是指吐温系列，包括吐温20（Tween-20）、吐温21（Tween-21）、吐温40（Tween-40）、吐温60（Tween-60）、吐温61（Tween-61）、吐温80（Tween-80）、吐温81（Tween-81）、吐温85（Tween-85）等；同样，曲拉通、司盘也分别是指曲拉通系列和司盘系列，分别包括曲拉通X-100（TritonX-100）、曲拉通X-114（TritonX-114）等和司盘20（Span20）、司盘40（Span40）、司盘60（Span60）、司盘65（Span65）、司盘80（Span80）、司盘85（Span85）等。

[0030] （2）室温下，将A相通过进液口a注入第一通道1，B相通过进液口b注入第二通道2，可以采用流体泵等引入。

[0031] （3）调节两相流体速率，使得当两相汇合进入第三通道3时，B相液体形成均匀稳定的单分散颗粒分散于A相液体中；一般A相液体流速在40~1500μL/h，B相液体流速在15~600μL/h，根据两相流体的速率大小，以及第三通道的宽度可以在汇合处观察到似塞子、小球、喷射细流或线流等几种形貌，相应的这四种形貌基于不同的机理（挤压、滴流、线喷、线流）而形成。

[0032] （4）混合液进入第四通道4，由于流速的影响及通道几何设计，第四通道4和支链通道5存在有压力差，这样A相液体被微流控芯片的支链通道5带走，经过侧通道6由出液口d流出，B相液体颗粒浓度变大，由于能量最低原理在微流控芯片的第四通道4内自组装成紧密堆积结构，A相液体可以在几秒甚至更短的时间内被侧通道带走，只剩下B相液体颗粒自发的有序排列形成单层、双层、多层规整密堆积结构，其自组装成一维、二维、三维密堆积立体结构取决于两相流体的性质，产生的颗粒粒径大小，流体的流动速率，通道的几何设计等各方面的因素。

[0033] （5）原位固化，得到自组装器件，并在第四通道出口处c收集。固化的方法包括UV固化、化学固化、热固化等。

[0034] 上述步骤中，为了控制流体的速率，可以在其中加入增粘剂，以便于调节流体速率，实现需要的自组装效果。此外，也可以加入光引发剂、交联剂等，以便于自组装结构的固化。

[0035] 利用实施例1的微流控芯片，进行颗粒自组装的具体实施例如下：

[0036] 实施例A

[0037] A相为十六烷，其中添加2.5wt% Span80作为表面活性剂，B相为去离子水，采用流体泵，将A、B两相分别通过进液口a、b引入第一通道1和第二通道2，当A相流速为40~100μL/h，B相流速为15~50μL/h，得到的B相微液珠尺寸为30~48µm，自组装形成的一维密堆积结构。当A相流速为100~400μL/h，B相流速为50~100μL/h，得到的B相微液珠尺寸为25~30µm，自组装形成的二维密堆积结构。

[0038] 当A相流速为400~600μL/h，B相流速为100~200μL/h，得到的B相微液珠尺寸为20~30µm，自组装形成的三维密堆积结构。

[0039] 实施例B

[0040] A相为十六烷，添加2.5wt% Span80作为表面活性剂，B相为6wt% N-异丙基丙烯酰胺水溶液，采用流体泵，将A、B两相分别通过进液口a、b引入第一通道1和第二通道2，调节A相流速为900~1200μL/h，B相流速为400~600μL/h，得到的B相微液珠尺寸18~30µm，自组装形成的一维密堆积结构。

[0041] 实施例C

[0042] A相为矿物油，添加10wt% EM90作为表面活性剂，B相为18wt% N-异丙基丙烯酰胺水溶液，采用流体泵，将A、B两相分别通过进液口a、b引入第一通道1和第二通道2，调节A相流速为40~250μL/h，B相流速为15~60μL/h，得到的B相微液珠尺寸8~30µm，自组装形成的一维密堆积结构。

[0043] 实施例D

[0044] A相为正十六烷，添加2.6wt% Span80作为表面活性剂，B相为15wt% N-异丙基丙烯酰胺水溶液，其中含有光引发剂1.5wt%，交联剂3wt%，采用流体泵，将A、B两相分别通过进液口a、b引入第一通道1和第二通道2，调节A相流速为80 ~180μL/h，固定B相流速为20μL/h，得到的B相微液珠尺寸8~15µm，自组装形成的一维和三维密堆积结构。在A相速率低于或等于120μL/h，得到一维密堆积结构，当A相速率高于120μL/h，得到三维立体密堆积结构，液珠粒径小至8μm。

[0045] 实施例E

[0046] A相为矿物油，添加10wt% EM90作为表面活性剂，B相为40wt% N-异丙基丙烯酰胺水溶液，其中含有光引发剂0.5wt%，交联剂2wt%，采用流体泵，将A、B两相分别通过进液口a、b引入第一通道1和第二通道2，调节A相流速为20~80μL/h，B相流速为20~30μL/h，得到的B相微液珠尺寸23~47µm，自组装形成的一维密堆积结构。

[0047] 实施例F

[0048] A相为0.3% 十二烷基磺酸钠水溶液，B相为十二烷，采用流体泵，将A、B两相分别通过进液口a、b引入第一通道1和第二通道2，

[0049] 当A相流速为10~50μL/h，B相流速为10~15μL/h，得到的B相微液珠尺寸为40~50µm，自组装形成的一维密堆积结构。

[0050] 当A相流速为50~80μL/h，B相流速为15~25μL/h，得到的B相微液珠尺寸为20~40µm，自组装形成的二维密堆积结构。

[0051] 当A相流速为80~100μL/h，B相流速为25~30μL/h，得到的B相微液珠尺寸为5~25µm，自组装形成的三维密堆积结构。

[0052] 实施例G

[0053] A相为60v%的橄榄油和40v%葵花油的混合液，添加1.5wt% Tween60和1wt% Span40作为表面活性剂B相为18wt% N-异丙基丙烯酰胺水溶液，采用流体泵，将A、B两相分别通过进液口a、b引入第一通道1和第二通道2，调节A相流速为300~500μL/h，B相流速为50~150μL/h，得到的B相微液珠尺寸为15-50µm，自组装形成的二维密堆积结构。

[0054] 实施例H

[0055] A相为30v%的十二烷、20v%十六烷和50v%矿物油的混合液，添加1.5wt %PVA作为表面活性剂, B相为聚乙二醇二丙烯酸酯水溶液，采用流体泵，将A、B两相分别通过进液口a、b引入第一通道1和第二通道2，调节A相流速为800~1200μL/h，B相流速300~600μL/h，得到的B相微液珠尺寸为5-15µm，自组装形成的三维密堆积结构。

[0056] 实施例2

[0057] 如图2，给出了本发明微流控芯片的实施例2的结构示意图，其与实施例1的芯片的差别仅在于：两条第一通道1分别具有独立的进液口a。

[0058] 实施例3

[0059] 图3给出了本发明微流控芯片的实施例3的结构示意图，其与实施例1的芯片的差别在于：第一通道1、第二通道2与第三通道3形成Y型结构，且支链通道5倾斜连通于第四通道4。

[0060] 关于利用实施例2和实施3的芯片进行自组装的方法为行文简洁，在此不再赘述。

[0061] 以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，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作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。