本发明属于微流控，涉及一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片制备及应用。
背景技术：
1、微流控技术是一种利用微米甚至纳米尺度的流体通道来操控液体或气体的先进技术。近年来，微流控技术在生物医学、化学分析和材料科学等领域得到了广泛应用，特别是在高通量筛选和诊断方面展现了巨大的潜力。传统的微流控芯片通常采用单一的液滴生成机制，难以在高流速条件下保证液滴的均匀性，这限制了其在某些应用场景中的表现。
2、现有技术中，液滴生成的均匀性直接影响到实验结果的可靠性和重复性。常规的液滴生成方法包括t型交叉、流动聚焦等，但在较高流速下容易出现液滴尺寸不均、生成速率不稳定等问题。此外，分散相和连续相的流道设计也对液滴生成的效率和稳定性产生重要影响。现有的流道设计通常未充分考虑液体流动的动力学特性，导致在应用过程中存在较大的阻力和不均匀流速分布。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片制备及应用，具有能够在较高流速条件下均匀稳定的生成液滴，提高了实验的高效性和可靠性的特点。
2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
3、一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片，包括玻璃盖板和芯片组件，所述玻璃盖板固定连接于所述芯片组件上方；
4、所述玻璃盖板设置有玻璃盖板连续相通孔，玻璃盖板分散相通孔和玻璃盖板出口通孔，所述玻璃盖板连续相通孔和所述玻璃盖板分散相通孔位于所述玻璃盖板的一侧，所述玻璃盖板出口通孔位于所述玻璃盖板的另一侧，所述玻璃盖板连续相通孔和所述玻璃盖板分散相通孔位置呈上下对应设置；
5、所述芯片组件包括芯片框、设置于所述芯片框上的芯片连续相入口孔、芯片分散相入口孔、芯片出口孔、分散相树状流道、液滴生成流道和连续相流道，所述芯片连续相入口孔和所述芯片分散相入口孔位于所述芯片框的一侧，所述芯片出口孔位于所述芯片框的另一侧，所述芯片连续相入口孔和所述芯片分散相入口孔位置呈上下对应设置，所述芯片分散相入口孔连通所述分散相树状流道，所述分散相树状流道连通所述液滴生成流道，所述液滴生成流道连通所述连续相流道，所述芯片连续相入口孔连通所述连续相流道，所述连续相流道连通所述芯片出口孔。
6、优选的，所述分散相树状流道呈树枝状设置，所述分散相树状流道包括前端通道和末端通道，所述前端通道连通所述末端通道，所述前端通道呈倾斜式设置，所述前端通道靠近芯片分散相入口孔处高，所述前端通道靠近所述末端通道处低。
7、优选的，所述前端通道的高度设置为100～200μm，所述末端通道的高度设置为10～50μm，所述分散相树状流道的分支数量设置为2～128个。
8、优选的，所述液滴生成流道包括分散相侧喇叭口、平直流道和连续相侧喇叭口，所述分散相侧喇叭口呈开口处朝向所述末端通道设置，所述续相侧喇叭口呈开口处朝向所述连续相流道设置，所述平直流道设置于所述分散相侧喇叭口和所述连续相侧喇叭口之间，连通所述分散相侧喇叭口和所述连续相侧喇叭口，分散相侧喇叭口和所述连续相侧喇叭口的开口角度均设置为5°～45°。
9、优选的，所述连续相流道呈萝卜型设置，所述连续相流道靠近所述芯片连续相入口孔和所述芯片分散相入口孔处窄，所述连续相流道靠近所述芯片出口孔处宽，所述连续相流道向两侧的倾斜角度设置为1°～5°，所述连续相流道位置呈低于所述液滴生成流道设置。
10、优选的，所述芯片组件由聚二甲基硅氧烷pdms制成。
11、优选的，所述分散相树状流道和所述连续相流道的截面呈矩形或半圆形。
12、一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片的制备方法，包括芯片模具制备和芯片制备；
13、芯片模具制备具体流程如下：
14、s1：将硅片浸入装有乙醇的超声波清洗器中，超声清洗数分钟，去除表面的有机物和颗粒，取出后用氮气吹干；
15、s2：将清洗后的所述硅片放置于匀胶机上，涂覆光刻胶，得到硅片a；
16、s3：将所述硅片a放于热板上进行预烘烤，去除所述光刻胶的溶剂并使所述光刻胶固化，得到硅片b；
17、s4：使用第一掩膜板对所述硅片b进行覆盖，使用紫外光曝光，所述硅片b的光刻胶暴露区域发生交联反应，得到含有曝光光刻胶和未曝光光刻胶的硅片c；
18、s5：曝光结束后，取下所述第一掩膜板，对所述硅片c进行烘烤，进一步固化所述曝光光刻胶，形成一层微流控结构，并在所述硅片c上再次涂覆光刻胶；
19、s6：将所述第一掩膜板换成第二掩膜板，重复步骤s2～s5烘烤为止的步骤，形成另一层微流控结构，得到硅片d；
20、s7：将所述硅片d浸入显影液中显影，未曝光区域的所述光刻胶被溶解，形成所需微流控通道结构，即得到芯片模具；
21、芯片制备具体流程如下：
22、s1：将所述芯片模具放入容器中，按1:10比例混合pdms与固化剂，得到混合pdms，将所述混合pdms倒入所述容器中；
23、s2：将s1中的所述容器放入真空干燥箱中去除所述混合pdms中的气泡；
24、s3：去除气泡后，将所述混合pdms放于加热台上85℃烘烤2～3小时，使所述混合pdms固化成型，得到固化pdms；
25、s4：将所述固化pdms和所述芯片模具分离，得到pdms芯片；
26、s5：将所述pdms芯片和打孔玻璃进行等离子体处理，再将二者键合在一起，即得到芯片。
27、一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片的制备液滴方法，所述液滴制备具体流程如下：
28、s1：制备分散相溶液和与所述分散相溶液不相容的连续相溶液；
29、s2：向玻璃盖板分散相通孔注入所述分散相溶液；
30、s3：向玻璃盖板连续相通孔注入所述连续相溶液；
31、s4：调整所述分散相溶液和所述连续相溶液的流速，所述分散相溶液和所述连续相溶液在液滴生成流道处生成均匀液滴，从玻璃盖板出口通孔处导出收集所述液滴。
32、一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片的分析方法，所述分析方法具体流程如下：
33、s1：制备分散相反应物和连续相反应物；
34、s2：向玻璃盖板分散相通孔注入所述分散相反应物；
35、s3：向玻璃盖板连续相通孔注入所述连续相反应物；
36、s4：调整所述分散相反应物和所述连续相反应物的流速，所述连续相反应物和所述分散相反应物在液滴生成流道处生成均匀反应液滴，从玻璃盖板出口通孔处导出收集所述反应液滴至反应容器中；
37、s5：对所述反应容器内的所述反应液滴进行检测分析或将所述反应容器内的所述反应液滴重新注入芯片，对芯片内的反应液滴进行检测分析。
38、本发明的芯片主体使用pdms材料制成，pdms易于加工成型，可以进行软光刻等工艺，简化了微流控芯片的加工过程，并且具有优异的弹性，使得其在脱模过程中能够保持模具完整无损，提高了生产效率，pdms具有良好的光学透性，有助于进行需要观察内部流动的实验，具有良好的生物相容性、化学惰性和透气性，在检测过程中不会与样本发生污染或不良反应，适用于生物化学实验及反应分析，并且pdms材料加工成本较低，适合前期验证和工业化大规模生产。
39、玻璃盖板和芯片主体通过等离子键合的方法进行固定密封，能够实现pdms芯片主体和玻璃盖板的永久性贴合，等离子键合处理方法改变了玻璃盖板和pdms芯片主体的表面性质，同时改善了pdms芯片主体表面的亲水性能，将pdms芯片主体和玻璃盖板贴合后，实现牢固不可逆键合。
40、分散相树状流道呈树枝状设置，前端通道和末端通道设置有高度差，配合多级集流设计,确保进入液滴生成流道的液体通量均匀一致,树状结构的前端通道与末端通道存在一定的高度差,减小了分散相溶液进入芯片的流动阻力。
41、连续相流道呈萝卜型设置，向两侧倾斜角度设置为1°～5°，呈靠近入口孔处窄，靠近出口孔处宽式设置，且连续相流道位置呈低于液滴生成流道设置，一方面减少了前端生成的液滴对后端生成液滴的影响,提高了液滴生成的均一性,另一方面利用液体的表面张力促进液滴的高效形成；液滴生成流道设置有分散相侧喇叭口、平直流道和连续相侧喇叭口，喇叭口的开口角度均设置为5°～45°分散相侧喇叭口有利于更多液体流入平直流道，而连续相侧喇叭口则有助于液滴的高效生成,这种设计显著提高了液滴生成的稳定性和均匀性；液滴生成流道与连续相流道之间存在一定的高度差,这种立体交叉设计进一步优化了液体的流动特性,提升了高流速、高通量工况下均匀稳定生成液滴的性能；本发明的液滴生成方法在500μl/min的高流速下，能够生成液滴变异系数在5％以内的均匀液滴，显著优于现有技术。
42、利用芯片进行液滴检测分析时，使用注射泵或压力泵注入反应物后，分散相树状流道用于反应物的输送和反应,使反应物顺畅流动,不仅增大了反应物在芯片内的流动路径和反应面积,还有利于提高检测灵敏度；在芯片主体下方可以集成高精度温控系统,能够对芯片内的反应物进行-20℃～100℃范围内的温度精确控制，温控精度可达±0.1℃，确保反应条件的稳定可靠；或者，在末端通道可以集成基于荧光、发光、比色或其他光学检测原理的高灵敏光电检测系统，可实现对反应物中目标物质的高通量、高灵敏度定量或定性检测，检测限可达纳摩尔至微摩尔量级，该利用芯片进行液滴检测分析的方法可广泛应用于生物医学分析检测、细胞培养、酶反应研究、新药筛选、化学合成、新材料制备等多个领域,具有重要的理论意义和应用价值。
43、本发明的有益效果为：
44、芯片主体使用pdms材料制成，具有良好的生物相容性、化学惰性和透气性，在检测过程中不会与样本发生污染或不良反应，适用于生物化学实验及反应分析，并且pdms材料加工成本较低，适合前期验证和工业化大规模生产。
45、分散相树状流道呈树枝状设置，前端通道和末端通道设置有高度差，配合多级集流设计,确保进入液滴生成流道的液体通量均匀一致，连续相流道呈萝卜型设置，向两侧倾斜角度设置为1°～5°，呈靠近入口孔处窄，靠近出口孔处宽式设置，且连续相流道位置呈低于液滴生成流道设置，一方面减少了前端生成的液滴对后端生成液滴的影响,提高了液滴生成的均一性,另一方面利用液体的表面张力促进液滴的高效形成，平直流道的两侧设置有喇叭口，喇叭口的开口角度均设置为5°～45°，分散相侧喇叭口有利于更多液体流入平直流道，而连续相侧喇叭口则有助于液滴的高效生成，提升了高流速、高通量工况下均匀稳定生成液滴的性能。
46、在芯片内部和外部可以设置控制系统或检测系统，基于芯片本体辅助检测分析，能够提升检测精确度，优化反应条件，保证反应稳定，实现高通量、高灵敏度检测，检测灵敏度可达纳摩尔量级，适用于多种生物医学和化学分析应用场景，具有重要的实际应用价值。
1.一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片，其特征在于：包括玻璃盖板和芯片组件，所述玻璃盖板固定连接于所述芯片组件上方；
2.根据权利要求1所述的一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片，其特征在于：所述分散相树状流道呈树枝状设置，所述分散相树状流道包括前端通道和末端通道，所述前端通道连通所述末端通道，所述前端通道呈倾斜式设置，所述前端通道靠近芯片分散相入口孔处高，所述前端通道靠近所述末端通道处低。
3.根据权利要求2所述的一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片，其特征在于：所述前端通道的高度设置为100～200μm，所述末端通道的高度设置为10～50μm，所述分散相树状流道的分支数量设置为2～128个。
4.根据权利要求1所述的一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片，其特征在于：所述液滴生成流道包括分散相侧喇叭口、平直流道和连续相侧喇叭口，所述分散相侧喇叭口呈开口处朝向所述末端通道设置，所述续相侧喇叭口呈开口处朝向所述连续相流道设置，所述平直流道设置于所述分散相侧喇叭口和所述连续相侧喇叭口之间，连通所述分散相侧喇叭口和所述连续相侧喇叭口，分散相侧喇叭口和所述连续相侧喇叭口的开口角度均设置为5°～45°。
5.根据权利要求1所述的一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片，其特征在于：所述连续相流道呈萝卜型设置，所述连续相流道靠近所述芯片连续相入口孔和所述芯片分散相入口孔处窄，所述连续相流道靠近所述芯片出口孔处宽，所述连续相流道向两侧的倾斜角度设置为1°～5°，所述连续相流道位置呈低于所述液滴生成流道设置。
6.根据权利要求1所述的一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片，其特征在于：所述芯片组件由聚二甲基硅氧烷pdms制成。
7.根据权利要求1所述的一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片，其特征在于：所述分散相树状流道和所述连续相流道的截面呈矩形或半圆形。
8.一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片的制备方法，应用于制备权利要求1～7任一所述的基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片，其特征在于：包括芯片模具制备和芯片制备；
9.一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片的制备液滴方法，基于权利要求1～7任一项所述的基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片，其特征在于，所述液滴制备具体流程如下：
10.一种基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片的分析方法，基于权利要求1～7任一项所述的基于微流控液滴技术的阶梯式高通量芯片，其特征在于，所述分析方法具体流程如下：
