CN103852518A - 一种基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片 - Google Patents

一种基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片 Download PDF

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黎海文
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Abstract

本发明公开了一种基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，包括上层盖片和下层基片，所述盖片上集成有样品室、储液池、薄膜声波传感器的固定凹槽、微阀开关结构及微柱定位结构，所述基片上成型微通道，所述微阀开关结构由阀膜和阀腔组成，所述阀膜经微阀开关固定装置压住，并通过所述微柱定位结构准确定位所述微阀开关固定装置。本发明采用多路微通道，可以对小型样本中多种标志物进行高通量的测定，各微通道通过独立控制微阀开关，实时获取样品在不用用量、不同测定时间下的检测结果，并且利用薄膜声波传感器实现pg/mL的检测精度；能够自动进行系统的清洗，从而反复使用，有效地解决了集成微流控芯片工艺复杂和成本高的问题。

Description

一种基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片
技术领域
本发明属于微流控芯片领域，具体涉及一种基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片。
背景技术
    在肿瘤的发生过程中，血清中某些肿瘤标志物的升高与肿瘤密切相关。因此，检测肿瘤标记物在对肿瘤的筛选、诊断和判断预后中扮演着重要的角色。为了实现肿瘤早期诊治，目前研究大多集中于检测活细胞内一种肿瘤标志物，这可能会带来“假阳性”结果。因为一些肿瘤标志物不但在癌细胞中表达，在正常细胞中也会表达，所以同时检测活细胞中多种肿瘤标志物具有非常重要的意义。例如肝癌通常需要同时检测癌胚抗原（CEA）、糖类抗原19（CA19-9）、甲胎蛋白（AFP）以及糖类抗原125（CA125）四种标记物，肺癌则需要癌胚抗原（CEA）、神经元特异性烯醇化酶（NSE）、细胞角蛋白19片断（CyFRA21-1）、鳞状细胞癌抗原（SCC）、糖类抗原125（CA125）、组织多肽抗原（TPA）等多种标记物的检测。采用多种癌症标记物的联合检测可提高症状诊断的准确性，其中涉及的关键问题，如减少样品和试剂的用量、准确控制样品试剂混合程度、缩短检测周期以及保证检测精度亟待解决。
    微流控芯片技术是把生物、化学及医疗分析等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，通过蠕动泵、注射泵或者电场的作用形成微通路，达到快速可靠分析样品的目的，目前已经开始在生物分析、医学检测、食品药品安全及环境污染等领域发挥越来越重要的作用。
    目前微流控芯片很多试验针对某一种癌症标志物进行对比性分析试验，每次试验检测中，保证各通路通入样品和试剂的量相等，样品和试剂混合时间一致，显然这种方式测试多种肿瘤标记物样品的周期较长，降低了肿瘤细胞早期诊断的效率。
同时，常用的高聚物微流控芯片通过注塑法将样品室和储液池等结构同时脱模，甚至和微通道一体成型，极大地提高了芯片的集成度。但是，集成系统极其容易造成污染，每完成一次测定后，都要进行样品室及微通道系统的清洗，尤其针对多种标记物的测试，过程十分繁琐。采用一次性高聚物微流控芯片是目前较为常用的做法，但是以现有的微加工工艺，加工一块集成微流控芯片的工艺较为复杂，成本相对较高，一次性使用芯片代价较大。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，实时得到样品在不用用量、不同测定时间下的检测结果，同时保证检测精度，实现多通道分时、定量、编程控制，从而应用于高灵敏度、多种癌症标志物的测量。
样处理厂的告知系统为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，包括上层盖片和下层基片，所述盖片上集成有样品室、储液池、薄膜声波传感器的固定凹槽、微阀开关结构及微柱定位结构，所述基片上成型微通道，所述微阀开关结构由阀膜和阀腔组成，所述阀膜经微阀开关固定装置压住，并通过所述微柱定位结构准确定位所述微阀开关固定装置。
进一步的，所述薄膜声波传感器放置于所述凹槽内，所述薄膜声波传感器采用表声波器件或体声波器件。            
进一步的，所述微阀开关结构的开启和关闭通过顶针系统的压下和抬起，对所述阀膜施加作用力来实现，各个顶针单独控制，并分别连接压力传感器进行压力的准确反馈和调整。
进一步的，所述阀膜采用硅胶膜或Parylene镀膜，所述阀腔采用碗状结构。
进一步的，所述样品室为16个，呈2x8交错排列的方式，为长方体、圆柱或圆锥体，容积为0-100ml，可以同时进行16种不同样品的检测，所述样品室下端为斜面并留有小孔。
进一步的，所述储液池为16个，呈锥形，分别通过接头连接注射泵，所述注射泵提供动力将样品和缓冲液引入所述微通道，并且负责排出废液。
进一步的，所述盖片和所述基片之间采用粘结、超声焊接或者激光焊接的方式键合。
进一步的，所述盖片选用高聚物材料，为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚二甲基硅氧烷PDMS或聚酰胺PA，所述基片采用同种高聚物材料或玻璃。
进一步的，所述盖片基层基本形状为长方形，长度为80-200mm，宽度为50-200mm，厚度为1.0-5.0mm，在所述基片上经热压成型或注塑成型得到所述微通道，截面形状为深50-100μm、宽50-200μm的矩形或半圆形，基片厚度为0.1-3mm。
进一步的，缓冲液通过外部容器接入，实时地对参与反应的所述微通道进行清洗。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用多路微通道，可以对小型样本中多种标志物进行高通量的测定，各微通道通过独立控制微阀开关，实时获取样品在不用用量、不同测定时间下的检测结果，并且利用薄膜声波传感器实现pg/mL的检测精度；
2、本发明能够自动进行系统的清洗，从而反复使用，有效地解决了集成微流控芯片工艺复杂和成本高的问题；
3、本发明可应用于临床诊断，尤其是新颖分子标记物开发以及现有分子标记物检测，还可以用于检疫检验，如食品药品安全评估、传染病控制以及违禁品监测。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
    图1为本发明的总体三维轴测图；
    图2为本发明的主视图；
图3为本发明的基片微通道示意图；
图4为图3的I处局部放大图；
图5为图3的II处局部放大图；
    图6为本发明的样品室局部剖视图；
图7为本发明的微阀开关结构局部剖视图；
图8为本发明的微阀开关结构去掉阀膜后的局部剖视图；
    图9为本发明的微阀开关控制结构示意图；
    图10为本发明的薄膜声波传感器截面剖视图；
    图11为本发明的储液池局部剖视图。
图中标号说明：
    1、盖片，2、样品室，3、微阀开关固定装置，4、阀膜，5、薄膜声波传感器，6、微柱定位结构，7、储液池，8、基片,1-1、阀腔，1-2、第一突起，1-3、第一阀孔，1-4、第二阀孔，1-5、第二突起，1-6、微柱，3-1、缓冲液引入通道，3-2、样品引入通道，3-3、引入传感器微通道，3-4、引出传感器微通道，3-5、流经储液池微通道，3-6、以及废液排出微通道，3-7、第一微阀开关，3-8、第二微阀开关，3-9、第三微阀开关，3-10、第四微阀开关，8-1、第一微通道，8-2、第二微通道，9-1、压力传感器，9-2、顶端，9-3、压缩弹簧，9-4、顶针，9-5、固定挡板，10-1、薄膜声波传感器核心器件，10-2、密封材料，11-1、注射泵。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参见图1所示，一种基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，包括上层盖片1和下层基片8，所述盖片1上集成有样品室2、储液池7、薄膜声波传感器5的固定凹槽、微阀开关结构及微柱定位结构6，所述基片8上成型微通道，所述微阀开关结构由阀膜4和阀腔1-1组成，所述阀膜4经微阀开关固定装置3压住，并通过所述微柱定位结构6准确定位所述微阀开关固定装置3。
进一步的，所述薄膜声波传感器5放置于所述凹槽内，所述薄膜声波传感器5采用表声波器件或体声波器件。            
进一步的，所述微阀开关结构的开启和关闭通过顶针系统的压下和抬起，对所述阀膜4施加作用力来实现，各个顶针单独控制，并分别连接压力传感器进行压力的准确反馈和调整。
进一步的，所述阀膜4采用硅胶膜或Parylene镀膜，所述阀腔1-1采用碗状结构。
进一步的，所述样品室2为16个，呈2x8交错排列的方式，为长方体、圆柱或圆锥体，容积为0-100ml，可以同时进行16种不同样品的检测，所述样品室2下端为斜面并留有小孔。
进一步的，所述储液池7为16个，呈锥形，分别通过接头连接注射泵11-1，所述注射泵11-1提供动力将样品和缓冲液引入所述微通道，并且负责排出废液。
进一步的，所述盖片1和所述基片8之间采用粘结、超声焊接或者激光焊接的方式键合。
进一步的，所述盖片1选用高聚物材料，为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚二甲基硅氧烷PDMS或聚酰胺PA，所述基片8采用同种高聚物材料或玻璃。
进一步的，所述盖片1基层基本形状为长方形，长度为80-200mm，宽度为50-200mm，厚度为1.0-5.0mm，在所述基片8上经热压成型或注塑成型得到所述微通道，截面形状为深50-100μm、宽50-200μm的矩形或半圆形，基片厚度为0.1-3mm。
进一步的，缓冲液通过外部容器接入，实时地对参与反应的所述微通道进行清洗。   
参见图2所示，其中A-A为样品室2剖视图，B-B为微阀开关结构剖视图，C-C为薄膜声波传感器5剖视图，D-D为储液池7剖视图。
   参见图3、图4、图5所示，微通道包括缓冲液引入通道3-1、样品引入通道3-2、引入传感器微通道3-3、引出传感器微通道3-4、流经储液池微通道3-5以及废液排出微通道3-6。样品引入顺序为：样品室2—样品引入通道3-2—第二微阀开关3-8—引入传感器微通道3-3—薄膜声波传感器5—第三微阀开关3-9—引出传感器微通道3-4—流经储液池微通道3-5—储液池7。缓冲液引入顺序为：缓冲液引入通道3-1—第一微阀开关3-7—引入传感器微通道3-3—薄膜声波传感器5—引出传感器微通道3-4—第三微阀开关3-9—流经储液池微通道3-5—储液池7。测试完成后，样品和缓冲液排出过程为：储液池7—流经储液池微通道3-5—第四微阀开关3-10—废液排出微通道3-6。
参见图6所示，所述样品室2为16个，呈2x8交错排列的方式，为长方体、圆柱或圆锥体，容积为0-100ml，可以同时进行16种不同样品的检测，所述样品室2下端留有小孔，便于样品顺利流入微通道，并且底部斜面易于样品室脱模。
    参见图7、图8所示，阀膜4放于盖片1的第一突起1-2和第二突起1-5上，阀膜4采用硅胶模，厚度为0.3-1.2mm，第一突起1-2和第二突起1-5上相对盖片基层高度均为0.10mm。阀膜4通过微柱定位结构6和盖片1突出的微柱1-6配合来固定，微柱1-6高出盖片基层高度为0.2mm，直径为0.8-1.2mm。液体进样时，从基片8中的第一微通道8-1引入，流经盖片1中的第一阀孔1-3后进入阀腔1-1，图中阀膜4左侧在水平位置，说明阀膜4左侧开关处于打开状态，将阀膜4右侧压下关闭右边通路，液体进而经过第二阀孔1-4进入基片8的第二微通道8-2，确保在第二微通道8-2中间位置处流入传感器微通道3-3。阀腔1-1为碗装结构，相比长方体结构，阀膜4压下时的密封效果更好，阀腔1-1直径为0.6 mm，高度为0.2mm。第一阀孔1-3和第二阀孔1-4直径为0.1-0.2mm。
    参见图9所示，阀门的关闭和开启通过顶针9-4压下或释放阀膜4来实现。当微阀开关执行关闭时，顶端9-2得到触发信号，压缩弹簧9-3，顶针9-4随着顶端9-2压下，通过固定挡板9-5，使得阀膜4进入阀腔1-1直至第一阀孔1-3和第二阀孔1-4不再导通，压力传感器9-1调整顶针9-4对阀膜4的压力，保持大小为2-4N。当微阀开关执行开启时，顶端9-2再次得到触发信号，压缩弹簧9-3伸长，顶端9-2带动顶针9-4抬起，压力传感器9-1保持顶针9-4底部对阀膜4施加微小的作用力。
    薄膜声波传感器5是分析检测的核心部分，分别具有16个输入输出接口，其中1路接口微通路如图10所示，薄膜声波传感器核心器件10-1背面硅衬底刻蚀后由密封材料10-2密封，并放于盖片1的凹槽中。液体经基片8的微通道流入盖片1，沿图中箭头方向进入检测部分并流出。
    薄膜声波传感器核心器件10-1的硅衬底背面经湿法刻蚀得到，由于Ti或 Mo电极和压电薄膜AlN的晶格失配度较常见金属低，器件正面首先溅射Ti或者Mo作为地电极。压电材料AlN通过直流溅射的方法轰击Al靶材进行薄膜沉积，薄膜厚度为0.2-2.0μm。为了测试器件的导电性，AlN薄膜上溅射沉积金属电极，可采用Al、Au等金属。
    储液池7采用锥形结构，如图11所示，共16个，每个储液池最大设计容积为120ml，分别对应各样品室和缓冲液通道。储液池通过连接注射泵11-1，将样品和缓冲液引入微通道，并且负责排出废液。锥形结构能够减小芯片液相分离分析中由于液面压力差引起的区带增宽效应，并且便于脱模。注射泵的推拉通过旋转电机带动滚珠丝杠或者采用直线电机直接驱动，每一路单独控制，并且各条管路均可以接入压力传感器，精确控制微通道液体的压力和流速。
    微流控芯片系统样品检测流程如下所示：首先，系统得到触发信号，所有顶针9-4压下阀膜4，使阀膜4均匀平铺在盖片1的第一突起1-2和第二突起1-5上，此时阀腔1-1同第一阀孔1-3、第二阀孔1-4形成封闭的微通道，第一微阀开关3-7、第二微阀开关3-8、第三微阀开关3-9和第四微阀开关3-10全部打开。系统再次获得触发信号，顶针9-4继续对阀膜4施加作用力，通过压力传感器控制力的大小为2-4N，使得第一微阀开关3-7和第四微阀开关3-10关闭，此时第二微阀开关3-8和第三微阀开关3-9处于导通状态。然后引入样品，具体步骤是从样品室2滴入适量样品，储液池7的注射泵提供动力，样品流经样品引入通道3-2、第二微阀开关3-8、引入传感器微通道3-3进入薄膜声波传感器5，测试的样品通过引出传感器微通道3-4、第三微阀开关3-9、流经储液池微通道3-5进入储液池7。随后将第二微阀开关3-8关闭，结束样品的引入，同时第一微阀开关3-7打开，开始引入缓冲液，具体步骤是在储液池7连接的注射泵的驱动下，缓冲液经引入通道3-1，第一微阀开关3-7、引入传感器微通道3-3进入薄膜声波传感器5，引出传感器微通道3-4、第三微阀开关3-9、流经储液池微通道3-5进入储液池7。最后，进行混合液的排出，关闭第三微阀开关3-9，开启第四微阀开关3-10，储液池7中的混合液经流经储液池微通道3-5、第四微阀开关3-10以及废液排出微通道3-6引出芯片系统。
    以上所述仅为发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，包括上层盖片（1）和下层基片（8），其特征在于：所述盖片（1）上集成有样品室（2）、储液池（7）、薄膜声波传感器（5）的固定凹槽、微阀开关结构及微柱定位结构（6），所述基片（8）上成型微通道，所述微阀开关结构由阀膜（4）和阀腔（1-1）组成，所述阀膜（4）经微阀开关固定装置（3）压住，并通过所述微柱定位结构（6）准确定位所述微阀开关固定装置（3）。
2.根据权利要求1所述的基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，其特征在于：所述薄膜声波传感器（5）放置于所述凹槽内，所述薄膜声波传感器（5）采用表声波器件或体声波器件。
3.根据权利要求1所述的基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，其特征在于：所述微阀开关结构的开启和关闭通过顶针系统的压下和抬起，对所述阀膜（4）施加作用力来实现，各个顶针单独控制，并分别连接压力传感器进行压力的准确反馈和调整。
4.根据权利要求1所述的基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，其特征在于：所述阀膜（4）采用硅胶膜或Parylene镀膜，所述阀腔（1-1）采用碗状结构。
5.根据权利要求1所述的基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，其特征在于：所述样品室（2）为16个，呈2x8交错排列的方式，为长方体、圆柱或圆锥体，容积为0-100ml，可以同时进行16种不同样品的检测，所述样品室（2）下端为斜面并留有小孔。
6.根据权利要求1所述的基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，其特征在于：所述储液池（7）为16个，呈锥形，分别通过接头连接注射泵（11-1），所述注射泵（11-1）提供动力将样品和缓冲液引入所述微通道，并且负责排出废液。
7.根据权利要求1所述的基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，其特征在于：所述盖片（1）和所述基片（8）之间采用粘结、超声焊接或者激光焊接的方式键合。
8.根据权利要求1所述的基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，其特征在于：所述盖片（1）选用高聚物材料，为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚二甲基硅氧烷PDMS或聚酰胺PA，所述基片（8）采用同种高聚物材料或玻璃。
9.根据权利要求1所述的基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，其特征在于：所述盖片（1）基层基本形状为长方形，长度为80-200mm，宽度为50-200mm，厚度为1.0-5.0mm，在所述基片（8）上经热压成型或注塑成型得到所述微通道，截面形状为深50-100μm、宽50-200μm的矩形或半圆形，基片厚度为0.1-3mm。
10.根据权利要求1所述的基于薄膜声波器件的多通道独立控制集成微流控芯片，其特征在于：缓冲液通过外部容器接入，实时地对参与反应的所述微通道进行清洗。
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