CN103230753A - 一种微混合检测芯片 - Google Patents

Abstract

一种微混合检测芯片，包括：m个入口、1个出口、混合沟道（5）、检测沟道（6）、2个光纤沟道（8、9）、基片（2）和盖片（1）。所述的混合沟道（5）与检测沟道（6）相连，2个光纤沟道（8、9）位于检测沟道（6）的两侧。混合沟道（5）、检测沟道（6）和光纤沟道(8、9)均刻于基片（2）上。盖片（1）与基片（2）键合，盖片（1）上设有m个输入孔、1个输出孔，分别与基片上的m个入口、1个出口相通。两个光纤沟道分别为插入入射光纤的入射光纤沟道和插入接收光纤的接收光纤沟道，入射光纤沟道、接收光纤沟道与检测沟道三者的中心线位于同一直线上，互不相通。本发明可应用于在线微量检测系统，连续监测所需指标动态变化。

Description

一种微混合检测芯片

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片，特别涉及一种集液体混合、检测于一体的微混合芯片。

背景技术

随着微流控芯片技术的发展，各种微混合芯片广泛应用于分析化学、生物学、医学诊断、环境监测等各个领域。微流控芯片制作简单、成本低，微米级别的尺寸减小了样品的消耗，成为各种在线微量检测的首选。流体混合过程可分为层流混合和湍流混合。微混合芯片中由于通道特征尺度在微米级，雷诺数远小于2000，流动多为层流，混合效率不高。目前主要采用主动式或被动式两种方式改善混合效果。主动式混合要借助外力，例如磁力、声场力、电场力等多种方式变层流为湍流提高混合效果。主动式混合芯片效率高，尺度小，但是加工较为复杂，集成难度大。被动式混合是指单纯利用微沟道几何形状或流体特性的变化，不借助其它外力实现混合。常用的有通过设计复杂的三维微流道，来产生混沌增强混合效果；或者借助微流道壁面不同形状的凸起来增强混合效果。这些被动混合芯片的结构都增加了加工难度，提高了代价，且容易产生死角不利于冲洗后的重复利用。

专利CN102120153A公开了的多模式混合芯片为主动式混合，借助虚拟电极产生的电场提高混合效果，芯片中间层为光电导层，成本高，整体结构复杂，不易于集成应用。文献Numerical simulation on fluid mixing by effects of geometry in staggered oriented ridgesmicromixers中介绍了目前常用的被动混合结构，通过在微流道壁面设计不同形状的凸起来增加流体流动过程的混沌效应，确实可以提高混合效果。其缺点就是增加了微流道加工难度、提高了成本，且产生流动死角不利于微流道的冲洗和重复利用。

发明内容

本发明的目的是克服现有被动微混合芯片的不足,提出一种结构简单、加工成本低、液体消耗量少、混合效率高的微混合芯片。本发明能够在流速较高的情况下实现样品试剂的高效混合,在流速较低的情况下实现样品试剂的低损伤柔性混合。

本发明集微混合沟道与光纤检测沟道为一体，能够利用光谱仪方便快捷的对各种检测指标进行连续微量检测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明微混合检测芯片包括：m个入口、1个出口、混合沟道、检测沟道、2个光纤沟道、基片和盖片。所述的m个入口并列分布在一直线上，与混合通道相通。除第m个入口在混合通道主干上外，其余第1个入口到第m-1个入口处的沟道分别分为两个分支，从下一个入口的两侧汇入混合通道主干。所述的混合沟道与检测沟道相连，2个光纤沟道分别位于检测沟道的两侧。混合沟道、检测沟道和光纤沟道均刻于基片上。盖片与刻有沟道的基片键合。盖片上设有m个输入孔、1个输出孔，m个输入孔与基片上的m个入口相连通，输出孔与基片上的出口相连通，m为正整数且不小于2。入口个数m根据需要混合的液体的种类而定，一种液体通过一个入口输入混合沟道。至少需要两种不同液体混合，因此至少需要设置两个入口。所述的检测沟道内有待检测液体，所述的待检测液体从混合沟道流入。两个光纤沟道分别为插入入射光纤的入射光纤沟道和插入接收光纤的接收光纤沟道，入射光纤沟道、检测沟道、接收光纤沟道三者位于同一直线上。

所述的基片可由光刻胶SU-8、聚二甲基硅氧烷等聚合物通过光刻或模塑法加工获得。盖片也可由光刻胶SU-8、聚二甲基硅氧烷等聚合物加工或者直接采用玻璃片加工获得。盖片与基片通过键合工艺实现封装。

所述的混合沟道的宽度从入口处向内逐渐减小，由与入口相匹配的800微米逐渐减小为100微米。混合沟道由x个菱形沟道串联组成，x个菱形沟道之间由直线形的沟道连接，x为正整数且不小于5。混合沟道的菱形沟道的拐角处进行圆角化处理。

所述的检测沟道为10毫米长的标准检测沟道，检测沟道宽度和深度与所使用的光纤匹配。

所述的两个光纤沟道分别位于检测沟道两侧，两个光纤沟道的中心线与检测沟道的中心线对准，即两个光纤沟道与检测沟道位于同一直线上。光纤沟道的尺寸与插入的光纤或光纤外套相同,均为宽度800微米、长度1毫米、深度800微米。

所述的盖片上的输入孔、输出孔与基片上的入口、出口相通，盖片上的输入孔、输出孔外接软管便于与外围设备相连。

本发明能够克服现有被动混合芯片效率低的劣势。通过混合沟道使液体不断的分、合，使液体浓度差与流速方向多次一致来提高混合效率。本发明对混合沟道菱形的拐角处进行圆角化处理，避免死角的产生，这种圆弧转弯更接近于流体流动轨迹，更利用芯片的清洁冲洗重复利用。

本发明继承了被动混合芯片结构简单、成本低、易于集成的优势，并提高了混合反应效率，可实现快速高效混合检测。可应用于在线微量检测系统，连续监测所需指标动态变化。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明微混合检测芯片的结构示意图；

图2是本发明的微混合检测芯片俯视图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明微混合检测芯片的实施例有两个入口3、4和一个出口7，两个光纤沟道8、9。本实施例包括：盖片1，基片2，入口3、4，出口7，检测沟道6，光纤沟道8、9，混合沟道5。所述的第一入口3位于第二入口4的前端，两个入口位于同一直线上，与混合通道相通。在第一入口3处的混合通道分为两个分支，两个分支从第二入口4的两侧汇入混合通道主干。两个入口3、4与混合沟道5的一端相通，由第一入口3流入的液体A在第一入口3流入后边分成两个分支，在第二入口4的两侧汇入混合沟道主干，与从入口4流入的液体B混合。混合沟道5的另一端与检测沟道6相通。光纤沟道8、9位于检测沟道6的两侧，且光纤沟道8、9与检测沟道6三者的中心线位于同一直线上，光纤沟道8、9与检测沟道6三者互不相通。混合沟道5、检测沟道8、9和光纤沟道6通过微细加工技术制作于基片2上，盖片1与基片2相键合。盖片1上开有分别与两个入口3和4连接的两个输入孔10和11，盖片1上还开有与出口7连接的输出孔12。输入孔10和11、输出孔12可外接软管用作试剂、样品的输入输出。所述的两个入口3、4的宽度为800微米，深度为100微米。

所述的混合沟道5由x个菱形沟道串联组成，x个菱形沟道之间由直线形的沟道连接。混合沟道5深100微米，宽度51-55由入口处51的800微米，逐渐递减为500微米、300微米、200微米、100微米，宽度递减到100微米后和下游菱形沟道宽度和深度相同，均为宽度100微米，深度100微米的微沟道。混合沟道中的菱形沟道，也可呈两个对称的半圆或正弦状，位于每个菱形沟道下游的直线形沟道宽度等于该菱形沟道宽度。菱形沟道每边的边长和下游与之相连的直线形沟道长度相等。从入口3、4流入的液体A和B流经菱形沟道时被迫分成两条支流，再流到直线形沟道时被迫合并为一体，直线形沟道宽度为两支流宽度和的一半，所以对混合液体产生纵向的力促使其纵向扩散加快混合。通过x个菱形沟道与直线形沟道的交叉重复，实现液体高速混合。其中，x为正整数且不小于5。

所述的检测沟道6长度10毫米、宽度800微米、深度800微米。

所述的出口7宽度为800微米、深度800微米。

所述的光线沟道8和9长度为10毫米、宽度800微米、深度800微米。

所述盖片1上的输入孔10、11和输出孔12直径为800微米。

本实施例先制作掩膜版，在掩膜版上制作入口3和4、混合沟道5、检测沟道6、出口7、光纤沟道8和9的图形，然后在模具硅上覆盖光刻胶SU-8，利用掩膜版对模具进行曝光、显影、刻蚀。再在加工好的模具上用高分子材料，如聚二甲基硅氧烷浇注基片2。浇注同样大小的盖片1或用玻璃加工盖片1，在盖片1对应位置加工输入孔10、11和输出孔12。将盖片1和基片2进行键合。

本实施例工作时，通过盖片1上的输入孔10、11外接软管，将液体A与液体B分别导入入口3、4，待混合的液体在外部设备的驱动下分别从入口3、4进入混合沟道5，在混合沟道5结构上的菱形沟道与直线形沟道内流动，使液体不断分开、合并，给两种液体提供了多次浓度梯度与速度方向一致的机会来提高混合效率。经过混合沟道后，液体实现均匀混合流入检测沟道6中。检测沟道6为10毫米长的标准检测沟道，便于进行各种生化指标检测。两种混合好的液体经过检测沟道6后从出口7流入废液瓶。发射光纤和接收光纤分别插入到两个光纤沟道8、9，发射光纤、检测沟道6和接收光纤位于同一直线上，可连续检测到检测沟道中液体对某特定波长光吸收度的变化，进而反应相应指标的动态变化。

如图3所示，4个入口的实施例为4个入口并列分布在一直线上，与混合通道相通。除入口34在混合通道主干上外，其余入口31-33后的沟道分别分为两支从下一个入口两侧汇入混合通道主干。

Claims (6)

1.一种微混合检测芯片，其特征在于，所述的微混合检测芯片包括：m个入口、1个出口、混合沟道（5）、检测沟道（6）、2个光纤沟道（8、9）、基片（2）和盖片（1）；所述的混合沟道（5）的一端与检测沟道（6）相连通，混合沟道（5）的另一端与入口相连通；2个光纤沟道（8、9）分别位于检测沟道（6）的两侧；混合沟道（5）、检测沟道（6）和光纤沟道（8、9）均刻于基片（2）上；盖片（1）与刻有沟道的基片键合；盖片（1）上设有m个输入孔、1个输出孔，m个输入孔与基片（2）上的m个入口相连通，输出孔与基片（2）上的出口相连通，m为正整数且不小于2；两个光纤沟道（8、9）分别为插入入射光纤的入射光纤沟道和插入接收光纤的接收光纤沟道，入射光纤沟道、接收光纤沟道与检测沟道（6）三者的中心线位于同一直线上，三者互不相通。

2.根据权利要求1所述的微混合检测芯片，其特征在于，所述的m个入口并列分布在一直线上，与混合通道相通；除第m个入口在混合通道主干上外，其余第1个入口到第m-1个入口处的沟道分别分为两个分支，从下一个入口两侧汇入混合通道主干。

3.根据权利要求1所述的微混合检测芯片，其特征在于，所述的混合沟道（5）由x个菱形串联组成，x个菱形之间由直线形的沟道连接，x为正整数且不小于5；所述的混合沟道（5）的宽度从入口处向内逐渐减小。

4.根据权利要求2所述的微混合检测芯片，其特征在于，所述的混合沟道（5）一端的宽度与入口尺寸相匹配，与检测通道连接的另一端的宽度小于等于100微米；混合沟道中菱形沟道和下游直线形沟道宽度和深度尺寸一致，均小于或等于100微米。

5.根据权利要求2或3所述的微混合检测芯片，其特征在于，所述的混合沟道（5）的菱形沟道的拐角处进行圆角化处理。

6.根据权利要求2或3所述的微混合检测芯片，其特征在于，所述的菱形沟道呈两个对称的半圆或正弦。位于每个菱形沟道下游的直线形沟道宽度等于该菱形沟道宽度，菱形沟道每边的边长和下游与之相连的直线形沟道长度相等。

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