CN104148125B - 一种微流控芯片上的多态操控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控芯片上的多态操控装置，包括可调节转动速度的转动平台、微流控芯片和至少一条微流管道，还包括副转轴和限位结构，微流控芯片能围绕副转轴转动，能通过转动平台加速度来调整微流管道方向与转动平台径向之间夹角的变化，限位结构可以使微流控芯片锁定在预设的至少2个不同角度状态。本发明通过调节转动平台加速或者减速时的加速度来操控微流控芯片相对于转动平台并围绕副转轴发生转动，当微流控芯片处在不同的角度状态时，微流管道中的液滴或者液流有不同的流动特性，并且能够根据转动加速度的变化改变微流管道中液体的流动状态，包括液流在管道内实现双向流动，结构简单且操作方便。

Description

一种微流控芯片上的多态操控装置

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，特别是一种微流控芯片上的多态操控装置。

背景技术

微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、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，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片技术在环境监测、食品安全，分子诊断，以及快速高效的进行病毒检测和药品研发等领域有广阔的应用前景，正在成为工业界和学术界的研究热点。

利用芯片在微电机带动下做圆周运动时所产生的离心力作为液流的驱动力，通过改变芯片旋转速度和设计不同的通道构型来调节和控制流体的动态特性。离心力驱动是微流控驱动技术中较为独特的一种技术，与其他微流体驱动方式相比它具有加工方便、成本低，集成度高、高通量、流体流动无脉动等优势。离心力驱动范围广，整个芯片上都可同时进行驱动，驱动实现简单，不需要额外的泵浦，甚至可以直接利用已有的光盘机。然而现有离心力微流控芯片液流方向都是单向的，液滴或者液流在转动平台上，都是从靠近转动轴的近端流向远端，液滴或者液流流到远端以后就不能再回到近端，管道里的液流的流动特性都是单方向的，不能实现液滴或者液流的双区或者多区的循环，不能通过切换转动平台的方向来实现液滴或者液流在分支结构中支路选择。

如何克服现有技术的不足已成为现有微流控技术领域亟待解决的重点难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足而提供一种微流控芯片上的多态操控装置，它能够根据转动平台加速度的变化切换微流控芯片上的微流管道中液体的流动状态，可实现液流在微流管道中的双向流动，结构简单且操作方便。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种微流控芯片上的多态操控装置，包括可调节转动速度的转动平台、微流控芯片和至少一条微流管道，其特征在于，还包括副转轴和限位结构，微流控芯片能围绕副转轴转动，通过转动平台的转动加速度来调整微流管道方向与转动平台径向之间夹角，使得微流管道中的液滴流向发生变化；限位结构用于使微流控芯片锁定在预设的至少2个不同角度状态。

作为本发明的一种微流控芯片上的多态操控装置的进一步优化的方案，所述限位结构为两个锁位阀，两个锁位阀分别设置在微流控芯片的两侧，当微流控芯片围绕副转轴转动时，微流控芯片被锁位阀锁定在两个状态上。

作为本发明的一种微流控芯片上的多态操控装置的进一步优化的方案，所述限位结构为铁磁性物质，在微流控芯片的外围和转动平台的圆心处均设有铁磁性物质，通过铁磁性物质之间的磁相互作用来锁定微流控芯片的状态。

作为本发明的一种微流控芯片上的多态操控装置的进一步优化的方案，所述铁磁性物质为永磁铁。

作为本发明的一种微流控芯片上的多态操控装置的进一步优化的方案，所述铁磁性物质为软磁铁或电磁线圈。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明是基于转动平台上的微流控芯片装置，克服了传统微流控中的微流管道单向流动特性，本装置通过调节转动平台加速或者减速时的加速度，用产生的欧拉力来操控微流控芯片相对于转动平台并围绕副转轴发生转动，当微流控芯片处在不同的角度状态时，微流管道中的液滴或者液流有不同的流动特性，并且能够根据转动加速度的变化改变微流管道中液体的流动状态，包括液流在管道内实现双向流动，结构简单且操作方便。

附图说明

图1是本发明装置的限位结构为两个锁位阀的结构示意图。

图2是本发明微流控芯片上管道的受力的示意图。

图3a是本发明微流控芯片在状态一时四类管道的位置及液滴流动的示意图。

图3b是本发明微流控芯片在状态二时四类管道的位置及液滴流动的示意图。

图4是本发明装置的限位结构为铁磁性物质的结构示意图。

附图标记：1-转动平台，2-微流控芯片，3-微流管道，4-副转轴，5-转动平台的主转轴，6-锁位阀，7-铁磁性物质，8-电机，9-径向常通管道，10-横向可逆管道，11-第一类单通管道，12-第二类单通管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种微流控芯片上的多态操控装置，包括可调节转动速度的转动平台1、微流控芯片2和至少一条微流管道3，还包括副转轴4和限位结构，微流控芯片2能围绕副转轴4转动，通过转动平台1加速度来调整微流管道3方向与转动平台1径向之间夹角的变化，限位结构可以使微流控芯片2锁定在预设的至少2个不同角度状态。

如图1所示是是本发明装置的限位结构为两个锁位阀的结构示意图，图1中所示的限位结构为两个锁位阀6，两个锁位阀6分别设置在微流控芯片2的两侧。图1中是用电机8带动转动平台1转动，微流控芯片2设置在转动平台1上，微流管道3雕刻在微流控芯片2中，锁位阀6可为刚性锁位阀，防止微流控芯片旋转时打转的刚性锁位阀，刚性锁位阀设置在微流控芯片2的两侧，可以将微流控芯片2控制在两个锁位阀6内。正常工作时，电机8带动转动平台1旋转，通过副转轴4固定在转动平台1上的微流控芯片2也随之转动，微流控芯片2上的微流管道3在转动平台1上的方向发生变化。管道3中的液滴或者液流受到离心力的作用在管道内移动，转速越大离心力越大。随着管道3的方向的变化，管道中的液滴或者液流的移动速度和方向将发生变化。当电机8加速或者减速转动时，在欧拉力的作用下，微流控芯片2会绕着副转轴4转动，又由于微流控芯片2两侧分别设有的刚性锁位阀的作用，微流控2芯片会被控制在这两个锁位阀6内，从而出现两种状态。

图2是本发明的微流控芯片上管道的受力情况示意图。因为芯片上同一管道的不同位置的受力情况都不同，因此采用微元分析，而整个管道的受力情况是各个微流管道受力情况的积分。取其中一段长度可以忽略不计的微流管道C，管道两端分别为A、B，仅用于标注方向，无具体长度。α定义为射线O'O逆时针旋转至射线O'C的夹角，表示管道相对于副转轴的摆角。β定义为射线OO'顺时针旋转至射线OC的夹角，表示相对于主轴的转角。θ0定义为射线AB顺时针旋转至射线O'C的夹角，表示管道方向与芯片径向的夹角。θ定义为射线BA顺时针旋转至射线OC的夹角，离心力方向与管道方向的夹角。当时，管道中液体的流向为B→A，当时，管道中液体的流向为A→B，当或时，管道中液体不流动。因此，可以得到离心力方向与管道方向的夹角θ＝θ₀+α+β。当芯片在不同的状态切换时，α+β发生变化，因此θ也随之发生变化，从而液体在管道中的流向也可能发生变化。在两种状态下，根据θ的取值不同或者管道中液体流向的不同可以分为三类管道，分别是径向常通管道9、横向可逆管道10和单通管道。其中单通管道又存在两个流动方向相反的两种管道，在实际情况中为了区分这两类管道，可以分别称为第一类单通管道11和第二类单通管道12。横向可逆管道10是指当微流控芯片分别处于限位阀所限定的两个不同位置时，微流管道中液滴在离心力作用下均流动，但液滴的流动方向相反。径向常通管道是指当微流控芯片分别处于限位阀所限定的两个不同位置时，微流管道中液滴在离心力作用下均流动，但液滴的流动方向不变；单通管道是指当微流控芯片在限位阀所限定的其中一个位置时，微流管道中液滴在离心力作用下不流动，而在另一个位置时，液滴流动；单通管道包括两类流动或不流动情况刚好相反的两类管道，称为第一类单通管道11和第二类单通管道12。第一类单通管道11、第二类单通管道12是指当微流控芯片2转动至某一锁位阀时，第一类单通管道11中的液滴不流动，第二类单通管道12中的液滴流动；当微流控芯片2转动至另一锁位阀时，第一类单通管道11中的液滴流动，第二类单通管道12中的液滴不流动。

图3a为本发明微流控芯片的在状态一时四类管道的位置及液滴流动的示意图，图3b为本发明微流控芯片的在状态二时四类管道的位置及液滴流动的示意图。微流控芯片2通过副转轴4安装在转动平台1上，使电机8带动转动平台1转动时微流控芯片2能够相对于转动平台1绕副转轴4转动，在微流控芯片2的两侧各设置一个刚性锁位阀，用于限制微流控芯片2绕副转轴4转动的角度范围。本装置通过转动速度相关的离心力以及转动加速度相关的欧拉力之间的平衡来实现状态的切换。当转动平台1有顺时针方向的加速度时，由于惯性或者欧拉力，微流控芯片2的中轴线将相对于副转轴4有顺时针方向摆动。在刚性锁位阀的阻挡下，微流控芯片停留在图3a所示的位置，此态定义为状态一。此时，当转动平台1有逆时针方向的加速度时，由于惯性或者欧拉力，微流控芯片2将相对于副转轴4逆时针方向摆动。在刚性锁位阀的阻挡下，微流控芯片停留在图3b所示的位置，此态定义为状态二。在这两种状态下，径向常通管道9中液体的流向没有发生变化，因此称为径向常通管道；横向可逆管道10中液体的流向发生了逆转，因此称为横向可逆管道；微流管道中液体在状态一中流动，但在状态二中不流动，因此称为单通管道，为了区分，称为第一类单通管道；相反，微流管道12中的液体在状态一中不流动，在状态二中流动，因此称为第二类单通管道。这四类管道是双态平台中最为基本的四种管道，通过它们之间的组合可以实现各种不同的功能，可以适应于各种不同的应用场合。

如图4所示本发明装置的限位结构为铁磁性物质的结构示意图，限位结构为铁磁性物质7，铁磁性物质设置在转动平台的主转轴5、微流控芯片2的外围上，铁磁性物质7为永磁铁或软磁铁或电磁线圈。本发明装置的磁力限制一种实施例，微流控芯片通过副转轴固定在转动平台上，在微流控芯片的周边设置n个铁磁性物质7作为n个状态的锁位阀，转动平台的主转轴处放置铁磁性物质7，能够与微流控芯片2上铁磁性物质7产生相互吸引或排斥，使得微流控芯片状态被锁定。当转动平台的加速转动时，并且当有足够大的加速度，使得微流控芯片2所受的欧拉力力矩大于磁力所产生的力矩时，微流控芯片2绕着副转轴4旋转，旋转方向与欧拉力的方向有关。当旋转加速度减小，欧拉力的力矩小于磁力的力矩时，微流控芯片将被n个铁磁性物质7的锁位阀中的一个锁定。通过改变旋转加速度的大小及持续的时间，本装置将可以控制微流控芯片被n个铁磁性物质锁位阀中的任何一个锁定,从而实现了微流控芯片的状态切换。由上文可知，离心力方向和微流管道方向的夹角θ有三个不同的取值范围，对应与微流管道中液体的不同流向。在如图4所示的微流控芯片中，微流控芯片存在n个状态，因此选择不同的微流管道位置和方向可以得到具有不同流向特性的微流管道，其中n大于等于2的整数。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微流控芯片上的多态操控装置，包括可调节转动速度的转动平台、设置在转动平台上的微流控芯片和雕刻在微流控芯片中的至少一条微流管道，其特征在于，还包括副转轴和限位结构，微流控芯片能围绕副转轴转动，通过转动平台的转动加速度来调整微流管道方向与转动平台径向之间夹角，使得微流管道中的液滴流向发生变化；限位结构用于使微流控芯片锁定在预设的至少2个不同角度状态。

2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片上的多态操控装置，其特征在于，所述限位结构为两个锁位阀，两个锁位阀分别设置在微流控芯片的两侧，当微流控芯片围绕副转轴转动时，微流控芯片被锁位阀锁定在两个状态上。

3.根据权利要求1所述的一种微流控芯片上的多态操控装置，其特征在于，所述限位结构为铁磁性物质，在微流控芯片的外围和转动平台的圆心处均设有铁磁性物质，通过铁磁性物质之间的磁相互作用来锁定微流控芯片的状态。

4.根据权利要求3所述的一种微流控芯片上的多态操控装置，其特征在于，所述铁磁性物质为永磁铁。

5.根据权利要求3所述的一种微流控芯片上的多态操控装置，其特征在于，所述铁磁性物质为软磁铁或电磁线圈。