微流控芯片及含有该芯片的装置，以及样本浓缩的方法

摘要

本发明涉及微流控领域，特别涉及微流控芯片及含有该芯片的装置，以及样本浓缩的方法。本发明提供的预浓缩的芯片及方法于在样本产生油包水液滴前先将把大部分不含目标粒子的废液分流，减少不需要的废液形成液滴除了可增加样本液体流量，大幅降低液滴微流体的样本处理速度，保持样本的元样性与活性，亦可维持形成油包水的流速减少后续试剂浪费等。把不含目标粒子的废液分流，减少废液形成液滴，节省后续试剂用量减少工作时间(从5小时到2小时)，也可在管道内流速不增加的条件下提升样本整体液体处理流量，在加快样本注入速度下而不影响芯片试剂合并，分析等效能。

权利要求

1.微流控芯片，其特征在于，包括基片，所述基片包括至少一层微流道结构；所述基片设置有进样部(1)、进油部(2)、合并部(3)、废液部(4)、电极(5)、导流部(6)、导流排柱(7)和出口部(8)；

所述进样部(1)与所述进油部(2)之间的微流道在所述合并部(3)连通；所述进样部(1)与所述废液部(4)之间的微流道在所述导流部(6)连通；所述导流排柱(7)设置于所述进样部(1)与所述合并部(3)之间的微流道内；所述进样部(1)和所述出口部(8)设置于所述合并部(3)的两侧；所述电极(5)设置于样本流向的垂直延长线上；

所述导流排柱(7)与样本流向的夹角为0.5～30°；

所述导流排柱(7)中各个导流柱之间的间隙不大于样本直径的1/4；

所述导流排柱(7)至少为2个，2个所述导流排柱(7)对称设置于微流道流线中央的两侧；2个所述导流排柱(7)形成流道，所述流道近合并部(3)的一端的横截面面积小于所述流道近进样部(1)的一端的横截面面积；

所述电极(5)在所述导流排柱(7)产生的电场与样本流向的夹角为0.5～75°。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述电极(5)的交流电压为5～

40Vpp，频率为1～100kHz。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述废液部(4)与所述进样部(1)设置于所述基片的同层的微流道上或不同层的微流道上。

4.样本预浓缩的装置，其特征在于，包括如权利要求1至3任一项所述的微流控芯片。

5.如权利要求1至3任一项所述的微流控芯片或如权利要求4所述的装置在样本预浓缩中的应用；所述样本为含有粒子的溶液；所述粒子包括液滴或细胞。

6.基于如权利要求1至3任一项所述的微流控芯片或如权利要求4所述的装置的样本预浓缩的方法，其特征在于，向所述进样部(1)通入样本，向进油部(2)通入油相，经导流排柱(7)的间隙将所述样本中的废液经所述导流部(6)汇聚于所述废液部(4)，经导流排柱(7)将所述样本中的粒子汇聚，且在所述电极(5)产生的负介电泳力作用下浓缩于微流道中央后，于所述合并部(3)与油相融合，经所述出口部(8)收集。

说明书

微流控芯片及含有该芯片的装置，以及样本浓缩的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微流控领域，特别涉及微流控芯片及含有该芯片的装置，以及样本浓缩的方法。

背景技术

[0002] 微流控芯片技术(Microfluidics)又被称为芯片实验室(Lab‑on‑a‑chip)，能在一个几平方厘米的微小芯片上集成传统的生物和化学实验室的基本功能，包括样品分离、制
备、化学反应、检测等操作。

[0003] 微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在
线实现样品的预处理及分析全过程。

[0004] 液滴微流控技术是微流控芯片技术的一个重要分支。液滴微流控技术是在传统的单相微流控芯片技术发展而来的，最早由芝加哥大学Rustem F.Ismagilov教授首先提出三
入口T型微液滴芯片设计，并在之后的几年中得到广泛关注和应用。与单相微流控系统相
比，由于其水/油两相分离的特征，具有如消耗样品和试剂量更少，混合速度更快不易造成
交叉污染，易于操控等优势。因此，在污染物快速高通量检测，生物样本分离、培育，观察化
学反应进度等领域中有着重要的应用。微液滴因具有通量高，无交叉污染等优势，其在喷墨
打印、微混合、DNA分析、材料合成、蛋白质结晶等领域呈现出巨大的应用潜力。

[0005] 微流体油包水液滴芯片可以用于液滴分离与收集，应用于生物，生化，医学等领域，其主要优点为出口产物量少可减少昂贵试剂量，体积微小可加速反应时间等。目前，油
水液滴微流体系统已普遍应用于单细胞包覆，收集，试剂混合反应等，液滴微流体系统细胞
样本流量普遍不高(10μL/hr～200μL/hr)，分选效率较低且试剂浪费严重(液体样本与油速
度加乘效果导致整体流速更快造成试剂混入的效果不佳)，然而当样本溶液中目标粒子密
度不大(如1‑100颗/mL)时，假使整管样本1‑2mL，最快需要5‑10小时才能结束，且大部分时
间都浪费在产生空液滴，临床样本如CTC在人体血液中浓度更低，与液滴包覆时间过长，细
胞原样性与活性无法保存，更造成了芯片内混合试剂的大幅浪费。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明提供一种微流控芯片及含有该芯片的装置，以及样本浓缩的方法。本发明提供的预浓缩的芯片及方法于在样本产生油包水液滴前先将把大部分不含目标
粒子的废液分流，减少不需要的废液形成液滴除了可增加样本液体流量，大幅降低液滴微
流体的样本处理速度，保持样本的元样性与活性，亦可维持形成油包水的流速减少后续试
剂浪费等。

[0007] 为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

[0008] 本发明提供了微流控芯片，包括基片，所述基片包括至少一层微流道结构；所述基片设置有进样部1、进油部2、合并部3、废液部4、电极5、导流部6、导流排柱7和出口部8；

[0009] 所述进样部1与所述进油部2之间的微流道在所述合并部3连通；所述进样部1与所述废液部4之间的微流道在所述导流部6连通；所述导流排柱7设置于所述进样部1与所述合
并部3之间的微流道内；所述进样部1和所述出口部8设置于所述合并部3的两侧；所述合并
部所述电极5设置于样本流向的垂直延长线上。

[0010] 在本发明的一些具体实施方案中，所述导流排柱7与样本流向的夹角为0.5～30°。

[0011] 在本发明的一些具体实施方案中，所述导流排柱7中各个导流柱之间的间隙不大于样本直径的1/4。

[0012] 在本发明的一些具体实施方案中，所述导流排柱7至少为2个，2个所述导流排柱7对称设置于微流道流线中央的两侧；2个所述导流排柱7形成流道，所述流道近合并部3的一
端的横截面面积小于所述流道近进样部1的一端的横截面面积。

[0013] 在本发明的一些具体实施方案中，所述电极5在所述导流排柱7产生的电场与样本流向的夹角为0.5～75°。

[0014] 在本发明的一些具体实施方案中，所述电极5的频率以能够产生负介电泳力为准。

[0015] 在本发明的一些具体实施方案中，所述电极5的交流电压为5～40Vpp，频率为1～100kHz。

[0016] 在本发明的一些具体实施方案中，所述废液部4与所述进样部1设置于基片的同层的微流道上或不同层的微流道上。

[0017] 本发明还提供了样本预浓缩的装置，包括所述的微流控芯片。

[0018] 本发明还提供了所述的微流控芯片或所述的装置在样本预浓缩中的应用；所述样本为含有粒子的溶液；所述粒子包括液滴或细胞。

[0019] 本发明还提供了基于上述微流控芯片或上述装置的样本预浓缩的方法，向进样部1通入样本，向进油部2通入油相，经导流排柱7的间隙将样本中的废液经导流部6汇聚于废
液部4，经导流排柱7将样本中的粒子汇聚，且在电极5产生的负介电泳力作用下浓缩于微流
道中央后，于合并部3与油相融合，经出口部8收集。

[0020] 本发明的有益效果包括但不限于：

[0021] 1.把不含目标粒子的废液分流，减少废液形成液滴，节省后续试剂用量减少工作时间(从5小时到2小时)，也可在管道内流速不增加的条件下提升样本整体液体处理流量，
在加快样本注入速度下而不影响芯片试剂合并，分析等效能。

[0022] 2.导流排柱主要效果为使目标粒子浓缩并集中至中央(图1)，导流排的结构间隙为不大于样本直径的1/4，优选为3～8μm，导流排角度为0.5～30°。

[0023] 3.以介电泳或光介电泳产生之负介电泳力排斥细胞使其随着电极角度之导引往流道中央，以负介电泳力将细胞排斥至弱电场区可大幅降低因电场作用而影响细胞活性，
介电泳力之交流电压为5～40Vpp，频率为1～100kHz，电极角度为0.5～75°。

[0024] 4.以多层微流道结构(图3)由上层流道或下层流道进行废液导流。

附图说明

[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

[0026] 图1示本发明提供的微流控芯片示意图；

[0027] 图2示本发明提供的微流控芯片的工作原理图；

[0028] 图3示本发明提供的微流控芯片的废液部4的结构示意图；

[0029] 其中，1‑进样部；2‑进油部；3‑合并部；4‑废液部；5‑电极；6‑导流部；7‑导流排柱；8‑出口部。

具体实施方式

[0030] 本发明公开了一种微流控芯片及含有该芯片的装置，以及样本浓缩的方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替
换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方
法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和
范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

[0031] 本发明提供的微流控芯片及含有该芯片的装置，以及样本浓缩的方法中所用部件、原料及试剂均可由市场购得。

[0032] 本发明提供了微流控芯片，包括基片，所述基片包括至少一层微流道结构；所述基片设置有进样部1、进油部2、合并部3、废液部4、电极5、导流部6、导流排柱7和出口部8。

[0033] 其中，进样部1与进油部2之间的微流道在合并部3连通；进样部1与废液部4之间的微流道在导流部6连通；导流排柱7设置于进样部1与合并部3之间的微流道内；进样部1和出
口部8设置于合并部3的两侧；合并部电极5设置于样本流向的垂直延长线上。

[0034] 在本发明的一些具体实施方案中，导流排柱7与样本流向的夹角为0.5～30°。

[0035] 在本发明的一些具体实施方案中，导流排柱7中各个导流柱之间的间隙不大于样本直径的1/4。

[0036] 为了使得样本中粒子汇聚，导流排柱7至少为2个，2个导流排柱7对称设置于微流道流线中央的两侧；2个导流排柱7形成流道，该流道近合并部3的一端的横截面面积小于流
道近进样部1的一端的横截面面积。

[0037] 为了使得样本中的粒子汇聚于流道中央，且不影响粒子流向出口部8，电极5在所述导流排柱7产生的电场与样本流向的夹角为0.5～75°。

[0038] 电极5的频率以能够产生负介电泳力为准。在本发明的一些具体实施方案中，电极5的交流电压为5～40Vpp，频率为1～100kHz。

[0039] 为了达到高通量且易收集的目的，废液部4与进样部1设置于所述基片的同层或不同层的微流道上。

[0040] 本发明还提供了样本预浓缩的装置，包括所述的微流控芯片。

[0041] 本发明还提供了所述的微流控芯片或所述的装置在样本预浓缩中的应用；所述样本为含有粒子的溶液；所述粒子包括液滴或细胞。

[0042] 本发明还提供了基于所述的微流控芯片或所述的装置的样本预浓缩的方法，向所述进样部1通入样本，向进油部2通入油相，经导流排柱7的间隙将所述样本中的废液经所述
导流部6汇聚于所述废液部4，经导流排柱7将所述样本中的粒子汇聚，且在所述电极5产生
的负介电泳力作用下浓缩于微流道中央后，于所述合并部3与油相融合，经所述出口部8收
集。

[0043] 工作原理：本发明的基础设计如图1，将样本从进样部1注入，流至液体可流过而粒子无法穿越的导流排柱7，将粒子集中至流体流线中央，避免粒子被分流至废液部4，使大部
分废液体被排除，仅有含有粒子与部分溶液流往出口。

[0044] 具体的，向所述进样部1通入样本，向进油部2通入油相，所述样本流经导流排柱7时，所述样本中的废液经导流排柱7的间隙流经所述导流部6汇聚于所述废液部4，所述样本
中的粒子经导流排柱7汇聚，且在所述电极5产生的负介电泳力作用下浓缩于微流道中央，
并于所述合并部3与油相融合，经所述出口部8收集。

[0045] 依照流量分流设计，可减少50～70％的样本液体量，大大减少形成油包水之液滴的液体量，如此，样本处理速度可增加两倍以上，包覆油与加入的反应试剂亦能省省两倍以
上，便能够在提升进样部流进之流通量，达到减少工作时间(从5小时到2小时)与不影响原
有系统后方试剂混合与反应之功能。

[0046] 本发明提供的导流排柱主要效果为使目标粒子浓缩并集中至中央(图1)，导流排的结构间隙为不大于样本直径的1/4，优选为3～8μm，导流排角度为0.5～30°。以介电泳或
光介电泳产生之负介电泳力排斥细胞使其随着电极角度之导引往流道中央，以负介电泳力
将细胞排斥至弱电场区可大幅降低因电场作用而影响细胞活性，介电泳力之交流电压为5
～40Vpp，频率为1～100kHz，电极角度为0.5～75°。以多层微流道结构(图3)由上层流道或
下层流道进行废液导流，可以达到高通量及易收集的目的。

[0047] 本发明提供的预浓缩的芯片及方法于在样本产生油包水液滴前先将把大部分不含目标粒子的废液分流，减少不需要的废液形成液滴除了可增加样本液体流量，大幅降低
液滴微流体的样本处理速度，保持样本的元样性与活性，亦可维持形成油包水的流速减少
后续试剂浪费等。

[0048] 把不含目标粒子的废液分流，减少废液形成液滴，节省后续试剂用量减少工作时间(从5小时到2小时)，也可在管道内流速不增加的条件下提升样本整体液体处理流量，在
加快样本注入速度下而不影响芯片试剂合并，分析等效能。

[0049] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。