CN104248996A - 一种微流控芯片及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微流控芯片及其控制方法。微流控芯片包括基片、盖片、电极及其引线、涂层、检测窗（或检测孔）、含有分叉结构的通道、进液接口（或样品池）、出液接口（或成品池）、废液接口（或废液池）等，进液接口（或样品池）、出液接口（或成品池）、废液接口（或废液池）分别与通道连通，检测窗（或检测孔）位于通道附近，基片与盖片封接侧分别有若干涂层，电极固定在基片或盖片的封接侧表面并与通道邻近。该微流控芯片的使用方法为：液滴经过检测窗（或检测孔）实时检测其特性参数及位置参数，根据这些参数在液滴移动至通道分叉处之前，控制通道两侧或一侧若干个电极接通或断开电信号，则可改变液滴位置或液滴移动方向。

Description

一种微流控芯片及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片及其控制方法。

背景技术

当今，药品研发、医学检测、生物及化学实验涉及的学科门类繁多，过程复杂，效率较低，随着科技的进步以及时代的发展，很多复杂的检测、实验都可以在几平方厘米甚至更小的芯片上实现，这就是微流控技术，它被学术界称为“改变世界”的七种技术之一。

微流控芯片是实现微流控技术的物质载体，它具备将一个生物或化学实验室浓缩为几平方厘米甚至更小的芯片上的能力，使得药品研发、医学检测、生物及化学实验的成本大幅降低，效率显著提高，并兼具便捷性。

但是，当今，在很多研发、生产领域的样品筛选环节仍然采用传统方法，包括使用取液器、取液枪、移液工具、试剂盒等传统器具，效率低下且浪费严重，使得试剂、人力、管理等方面相关成本居高不下。

本发明的微流控芯片可实现皮升级以上体积的液滴的高速筛选，可解决上述问题。

在微流控芯片的制作工艺上，国内外相关领域有采用开孔灌注低熔点合金的方法实现电极的制作，但制作过程中，需要在低熔点合金中固定引线，由于引线、电极的尺寸较小，极易损坏，芯片制作的成功率较低，并且，在使用过程中由于低熔点合金制作的电极容易断裂使得采用这种制造工艺生产的芯片可靠性不高。

本发明在玻璃、石英、单晶硅、多晶硅、印刷电路板以及其它材质的表面上通过电镀或印刷工艺制作电极及其引线，这种工艺生产的芯片可靠性高、次品率低。

流式细胞仪是一种成熟、高效的针对细胞的分选仪器，其局限性为所控制的目标必须是连续液流内的细胞，如果样本的代谢物没有与细胞“黏合”在一起，那么无法根据样本的代谢物的特质进行筛选与评价；其它如针对病毒、细菌、酶、蛋白等需要以液滴型反应器进行研究的实验，流式细胞仪都不能胜任，而本发明尤其适合以液滴型反应器作为筛选目标进行实验分析，液滴的体积可以低至皮升级，试剂用量低于传统筛选方式的千万分之一，而筛选速度达到当今世界上最高端机器人操作速度的一千倍以上。

本发明具有非常好的应用前景与市场预期。

发明内容

本发明涉及一种微流控芯片以及一种微流控方法。

本发明涉及的微流控芯片所控制的目标物为皮升级或皮升级以上体积的液滴型反应器，根据液滴内样本、熔剂、反应物或生成物的特征，实时高速控制液滴在通道分叉处运动的方向，从而实现超高速、超低损耗的样品筛选。

本发明的微流控芯片包括如下部分：基片、盖片、电极及其引线、涂层、检测窗（或检测孔）、含有分叉结构的通道、进液接口（或样品池）、出液接口（或成品池）、废液接口（或废液池）等，其中，进液接口（或样品池）、出液接口（或成品池）、废液接口（或废液池）分别与通道连通，检测窗（或检测孔）位于通道附近，并可对通道内的液滴进行观察、测量，基片与盖片封接侧分别有若干涂层，连有引线的电极可以选择固定在基片或盖片的内部，也可以选择固定在封接侧表面，电极固定的位置与通道邻近。

本发明的微流控芯片中通道的分叉形式包括：一分二、一分三、一分多，这里的一分多指一路分为三路以上的情形，包括一份四、一分五等等。

本发明的微流控芯片中电极的固定位置还限制为：沿液滴运动方向接近但未到达通道分叉处的通道两侧，使液滴在未进入通道分叉之前分别经过其行进路线上与每个电极距离最小的若干个点，并且微流控芯片内液体与电极绝缘。

本发明的微流控芯片的通道的制作方法包括但不限于：

1. 在基片或盖片内部打孔，以该孔作为液滴流动的通道。

2. 基片与在基片黏合之前，在基片或盖片封接侧制作凹槽，在基片与盖片黏合封接后形成可供液体流动的通道，这种方法的具体实现方式可以采用如下方法中的一种：只在基片封接侧制作凹槽、只在盖片封接侧制作凹槽、在基片及盖片封接侧分别制作凹槽。

3. 方法1与方法2的结合，即微流控芯片中承载液体流动的通道既包括基片或盖片内部的孔式通道，也包括基片或盖片封接侧黏合前刻制的凹槽式通道。

本发明的微流控芯片包括检测窗与检测孔中的一种或多种，检测窗或检测孔的观察检测范围可以包含液滴在微流控芯片通道中移动的部分或全部区域，无论选择何种区域，液滴到达行进路线上与电极距离最小的点之前必须完成位置或特性参数的检测，检测的方法包括但不限于如下三种方法中的一种或多种：

1. 激发荧光检测；

2. 同位素鉴别；

3. 影像识别。

本发明的微流控芯片包括样品池与进液接口中的一种或多种，用以实现液滴样本进入，本发明的一片微流控芯片上样品池与进液接口的数量不限，可以是一个、多个或零个。

本发明的微流控芯片包括成品池与出液接口中的一种或多种，用以实现目标液滴样本的储存或引出，本发明的一片微流控芯片上成品池与出液接口的数量不限，可以是一个、多个或零个。

本发明的微流控芯片包括废液池与废液接口中的一种或多种，用以实现废弃液滴样本的储存或引出，本发明的一片微流控芯片上废液池与废液接口的数量不限，可以是一个、多个或零个。

本发明的微流控芯片内基片与盖片之间具有若干个涂层，涂层的功能包括但不限于：

1. 为使基片与盖片黏合封接；

2. 增强液体与电极之间的绝缘性；

3. 增强通道的润滑并减少或消除液滴与通道内壁之间的浸润现象；

4. 使液滴更易于流经通道。

本发明的微流控芯片电极及其引线可以采用合金灌注的方式，也可以采用印刷电路的方式，而印刷电路的方式是本发明的显著标志之一，该种方式包括在玻璃、石英、单晶硅、多晶硅、印刷电路板以及其它材质的表面上通过电镀或印刷工艺制作电极及其引线，这种工艺生产的芯片上的电极结实牢固、特性均匀，使芯片可靠性高、次品率低，更便于使用。

本发明的微流控芯片的使用方法为：首先在制作工艺上实现微流控芯片中的液滴在行进路线上先后依次接近：检测区域、通道在液滴行进路线上分别与每个电极距离最小的若干个点、通道分叉点，这样的位置序列在液滴行进路线上可以只有一个，也可以有多个，在有多个上述位置序列的情况：每个位置序列在前后顺序不变的前提下可以包含上述三种位置中的若干种。液滴经过检测窗（或检测孔）实时检测其特性参数及位置参数，根据这些参数在液滴行进至通道分叉处之前，控制通道两侧或一侧若干个电极接通或断开电信号，则可改变液滴位置或移动方向，从而实现针对液滴的高速高效的筛选。

该微流控芯片的电极上外接电信号的参数为：电压幅值在10V至5000V之间或-5000V至-10V之间、电压频率在100Hz至1MHz之间，电信号幅值与频率的选择依据包括但不限于：芯片内通道中液滴与电极的距离、微流控芯片的材质、液滴的参数、电极的形状，电信号的类型包括但不限于：方波、三角波、正弦波、锯齿波、积分波、微分波、阶梯波。

附图说明

图1为本发明实施例的微流控芯片结构示意图。

图2为本发明实施例的运行状态示意图1。

图3为本发明实施例的运行状态示意图2。

图4为本发明实施例的运行状态示意图3。

图5为本发明实施例的运行状态示意图4。

图6为本发明实施例的运行状态示意图5。

图7为本发明实施例的运行状态示意图6。

图8为本发明实施例的运行状态示意图7。

具体实施方式

以下实施例属于本发明具体形式中的一种，给出的目的是更详细的描述本发明，而不是限制本发明的范围，也不是限定本发明的应用形式。

实施例：

本实施例的微流控芯片结构示意图如图1所示，是基于印刷电路板材质、工艺制造而成，包括可外接电信号的电极（标号1所示）、带有分叉结构的通道（标号2所示）、检测窗（标号3所示）、样品池（标号4所示）、成品池1（标号6所示）、成品池2（标号7所示）、废液池（标号5所示），其中，通道的分叉部分如图1中的标号8所示。样品池、成品池、废液池分别与通道连通，液滴首先经由样品池进入微流控芯片内的通道中，之后经检测窗检测，根据检测的参数及信息控制若干电极接通电信号，在电场力的作用下，使液滴经通道分叉处分别流向成品池1、成品池2或废液池中。

具体的控制方法以及过程如图2至图8所示，这7幅图是本实施例的典型控制流程，其序号与控制流程的先后顺序相一致。

首先假设：微流控芯片中的液滴按照检测的参数分为一等品、二等品以及不合格品，分别用黑色、灰色以及白色表示，控制目标为：

1. 黑色液滴代表的一等品进入下方出液通道，该通道通往成品池2；

2. 灰色液滴代表的二等品进入上方出液通道，该通道通往成品池1；

3. 白色液滴代表的不合格品进入中间出液通道，该通道通往废液池。

则整个控制流程中各节点的运行状态如下：

图2为本发明实施例的运行状态示意图1，表示三种液滴依次进入微流控芯片通道中，图中显示第一个白色液滴进入观测区域。

图3为本发明实施例的运行状态示意图2，此时，系统经检测窗通过摄像装置感知液滴的位置，控制通道两侧的电极分别接通电信号，控制白色液滴使其沿通道的中心线向通道分叉处运动。

图4为本发明实施例的运行状态示意图3，白色液滴在通道两侧电极的控制下，沿通道的中心线进入中间出液通道，该通道通往废液池；此时，第二个灰色液滴进入观测窗。

图5为本发明实施例的运行状态示意图4，系统经检测窗通过摄像装置感知灰色液滴的位置，控制通道两侧的电极分别接通电信号，使灰色液滴沿通道中心线的上方向通道分叉处运动。

图6为本发明实施例的运行状态示意图5，灰色液滴在通道两侧电极的控制下，沿通道的中心线上方进入上方出液通道，该通道通往成品池1；此时，第三个黑色液滴进入观测窗。

图7为本发明实施例的运行状态示意图6，系统经检测窗通过摄像装置感知黑色液滴的位置，控制通道两侧的电极分别接通电信号，控制黑色液滴使其沿通道的中心线下方向通道分叉处运动。

图8为本发明实施例的运行状态示意图7，黑色液滴在通道两侧电极的控制下，沿通道的中心线下方进入下方出液通道，该通道通往成品池2。

至此，根据检测参数或视频数据，三种不同液滴在微流控芯片中电极的控制下实现了高速准确的分选操作。

与业内当前广泛使用以取液器、取液枪、试剂盒为工具的传统方式相比，本发明的微流控芯片可实现皮升级液滴的智能高速筛选，使药品研发、医学检测、生物及化学实验中的样品筛选环节效率提高千倍以上，并使成本降低百万倍以上。

本发明具有非常高的推广价值。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于包含基片、盖片、电极及其引线、带有分叉结构的通道，通过引线可外接电信号的若干个电极固定在基片或盖片封接侧内部或表面的接近通道的位置，通过在一个或多个电极上接入电信号，实现对微流控芯片通道内液滴的控制。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于包含若干个电极，其固定位置为下列位置中的一种或多种：基片内部、盖片内部、基片表面与盖片封接的一侧、盖片表面与基片封接的一侧，并且位于沿液滴运动方向接近但未到达通道分叉处的通道两侧，使液滴在未进入通道分叉之前分别经过其行进路线上与每个电极距离最小的若干个点，并且微流控芯片内液体与电极绝缘。

3. 根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于通道的分叉形式包括但不限于：一分二、一分三、一分多，这里的一分多指一路分为三路以上的分叉情形；通道的制作方法包括：第一种方法为在基片或盖片内部打孔；第二种方法为在基片或盖片封接侧制作凹槽，在基片与盖片黏合封接后形成可供液体流动的通道；第三种方法为前述两种方法的组合，本发明的微流控芯片可以采用这三种方法中的一种或多种。

4. 根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于包括检测窗与检测孔中的一种或多种、样品池与进液接口中的一种或多种、成品池与出液接口中的一种或多种、废液池与废液接口中的一种或多种，检测窗或检测孔的观察检测范围可以包含液滴在微流控芯片通道中移动的部分或全部区域，无论选择何种区域，液滴到达行进路线上与电极距离最小的点之前，必须到达可检测区域并完成位置或特性参数的检测，检测的手段包括但不限于：激发荧光检测、同位素鉴别、影像识别。

5.根据权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于使用方法为：使液滴在行进路线上先后依次接近：检测区域、通道在液滴行进路线上分别与每个电极距离最小的若干个点、通道分叉点，这样的位置序列在液滴行进路线上可以只有一个，也可以有多个，在有多个上述位置序列的情况：每个位置序列在前后顺序不变的前提下可以包含上述三种位置中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于使用方法为：根据已知或实时检测出的液滴特性参数，选择通道两侧或某一侧的若干个电极接通电信号，实现对液滴位置或液滴移动方向的控制，电极上外接电信号的参数范围：电压幅值在10V至5000V之间或-5000V至-10V之间、电压频率在100Hz至1MHz之间，电信号幅值与频率的选择依据包括但不限于：芯片内通道中液滴与电极的距离、微流控芯片的材质、液滴的参数、电极的形状，电信号的类型包括但不限于：方波、三角波、正弦波、锯齿波、积分波、微分波、阶梯波以及上述多种波形的叠加或函数运算的结果。

7.根据权利要求6所述的微流控芯片，其特征在于芯片内基片与盖片之间具有若干涂层，涂层的功能为使基片与盖片黏合封接。

8.根据权利要求6所述的微流控芯片，其特征在于通道内壁具有若干涂层，涂层的功能为增强液体与电极之间的绝缘性。

9.根据权利要求6所述的微流控芯片，其特征在于通道内壁具有若干涂层，涂层的功能为：增强通道的润滑并消除或减少液滴与通道内壁之间的浸润现象，使液滴更易于流经通道。

10.根据权利要求6所述的微流控芯片，其特征在于电极及其引线采用印刷电路的方式。