CN104668005B - 一种家用微流控芯片及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种家用微流控芯片，芯片位于底片上，包括底片和盖片，所述底片和所述盖片封接为一体；所述芯片包括至少1个主通道和至少1个与所述主通道相连通的微池，所述主通道与至少1个容纳池和至少1个排气孔相连通；所述主通道和所述微池的至少一个面呈亲水性；所述芯片还包括至少1个压盖，当所述压盖压紧时，会密封所述容纳池和所述排气孔；所述底片和/或所述盖片为高分子材料。本发明还包括此芯片的使用方法。本发明的芯片的优点有：用户加样简便，封口简便，芯片容易批量制造，非常适合家庭检测领域，并可扩展至检验检疫、战场快检等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种家用微流控芯片及其应用，属于微流控芯片领域以及生物检测领域。
背景技术
微流控芯片是以微机电加工技术为基础，由微管路在芯片上形成网络，以可控微流体贯穿整个系统并完成各种生物和化学过程的一种技术。在微流控芯片技术发展早期，芯片毛细管电泳是其主流技术，所用芯片结构简单，功能单一；近年来，微流控芯片开始向功能化、集成化方向飞速发展，诸如核酸扩增反应、免疫反应、细胞裂解等重要的生物和化学过程成为新的热点。随着产业的发展，微流控芯片的应用领域从实验室、临床医院逐步扩展到家用市场，用户也从专业人员变为普通民众，这对芯片操作的简便性、芯片成本提出了很高的要求。
当前的检测用芯片有多种，如CN1996009B、CN101590389A、CN102886280A、CN104226385A、US6627159、US20050199500A1、US2004120856A1、US6919058B2、US20030166265A1、WO9533986A1。但这些芯片或者需要用户繁琐操作，或者由于材料昂贵无法批量生产，或者需要离心机等加样设备，均不适合家用市场。
家用市场对芯片的要求有：
1、加样方式。家庭用户普遍未经过训练，因此不能使用移液器，而且移液器过于昂贵也无法赠送用户；尽量不用专业加样设备。
2、封口方式。当试剂加入芯片后，通常需要反应然后检测，这就要求芯片处于封闭状态，芯片必须具备封口装置；不能用封口膜封口，因为用户操作不准确时会发生泄漏。
3、批量需求。家用市场的销量通常很大，且价格不高，这就要求芯片要选用价格便宜的材质，且加工成型工艺成熟；不能用湿法刻蚀，因为加工周期过长；最好不用PDMS材料，因为材料成本高。
发明内容
本发明提供的一种家用微流控芯片及其使用方法，无需专业设备辅助，用户操作简便，非常适合家庭使用，也可扩展至检验检疫、战场快检领域。
本发明的一个目的是提供一种家用微流控芯片。
本发明提供的一种家用微流控芯片，包括底片和盖片，芯片位于底片上，所述底片和所述盖片封接为一体；所述芯片包括至少1个主通道和至少1个与所述主通道相连通的微池，所述主通道与至少1个容纳池和至少1个排气孔相连通；所述主通道和所述微池的至少一个面呈亲水性；所述芯片还包括至少1个压盖，当所述压盖压紧时，会密封所述容纳池和所述排气孔；所述底片和/或所述盖片为高分子材料。
上述微流控芯片中，试剂的流动基于两个驱动原理，亲水表面形成的毛细作用和容纳池形成的重力压差。
由于家庭用户普遍不会使用移液器，因此试剂的加样装置可使用，如塑料滴管、塑料采便管、塑料滴瓶。
所述容纳池有两个作用：
一是配合一次性滴出装置来容纳试剂。如果没有容纳池只有加样孔，试剂很容易溅落或溢出，则芯片无法密闭，进而影响反应及检测；另外用户也容易接触到试剂，造成安全隐患。
二是形成重力压差，使得试剂的流速更快。根据用户反馈，小于5秒的等待时间可以认为即刻完成，大于5秒则需提示用户放置一段时间。在使用亲水性较差的芯片时(如实施例2)，重力压差的作用更加明显，在实际操作中容纳池非常重要。
上述微流控芯片中，所述亲水性为接触角<70°。亲水性可以保证试剂在毛细作用下流入所述微池，所述主通道和所述微池的一个面呈亲水性即可保证毛细作用。如果四面均成亲水性，进样速度会更快，但会增加制造成本。亲水处理的方法有涂覆、等离子处理、化学气相沉积、溶胶凝胶法。
上述微流控芯片中，所述容纳池的体积>10μL。容纳池的体积通常大于10μL，太小则操作不方便。
上述微流控芯片中，所述压盖可以是与所述底片和或所述盖片连为一体的，也可以是分离的。连为一体的优点是可以与一次成型，但注塑精度要求高；分离的优点是注塑精度无需太高，但用户操作繁琐。
所述压盖上可以有卡扣，用于固定压盖。优选是塑料卡扣，容易注塑加工且材料成本便宜。
上述微流控芯片中，所述高分子材料为聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、环烯烃类共聚物(COC)。
上述微流控芯片中，所述微池与所述主通道可以并行连通，也可以串行连通。
上述微流控芯片中，所述微池与所述主通道可以直接连通，也可以通过分通道连通。分通道的作用是阻止各微池之间的扩散污染，即避免微池内的分子或细胞扩散至相邻微池。
上述微流控芯片中，在某些情况下(如实施例3)，所述排气孔的内部或表面有疏水透气膜或疏水透气柱状塞。疏水透气膜或柱状塞用于阻挡试剂从排气孔溢出，这样芯片会更加可靠，适合未经训练的普通用户使用。所述疏水透气膜或疏水透气柱状塞的材质是聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)。
上述微流控芯片中，所述芯片的材质选自下述任意一种、任意几种组成的复合体或任意几种组成的混合体：金属、玻璃、石英、硅、陶瓷、高分子化合物、橡胶和硅铝酸盐化合物。
上述底片和盖片紧密贴合；上述微池、主通道、排气孔、容纳池等结构可以设置在底片上也可以设置在盖片上；只要设置在底片和盖片相接触的表面中的任一一面即可；在上下表面各设置一部分也可以。
上述微流控芯片中，每个所述微池的间距相等或不等；每个所述微池的大小相等或不等；在芯片的制备中，可以根据需要来设计所述微池的大小和间距。
本发明的第二个目的是提供上述第一个目的提供的微流控芯片的使用方法。
本发明提供的方法，包括如下步骤：
1)使用一次性滴出装置将试剂加入所述容纳池内；
2)将压盖压紧。
上述方法中，所述一次性滴出装置是塑料滴管、塑料采便管、塑料滴瓶，这些装置均可从厂家批量采购。
上述方法中，结束第1)步后，不需要用户将芯片放置一段时间，但放置也是可以的。
根据以上芯片技术方案和使用方法，上述微流控芯片完全符合家用市场需求：
1、加样简便。加样基于毛细作用和重力压差原理，没有使用离心机、移液器等装置，且用户不接触试剂，用户操作方便安全。
2、封口简便。芯片有压盖结构，很容易通过压紧压盖来密封芯片，没有使用封口膜，用户操作简便。
3、适合批量生产。芯片采用塑料部件或无结构的玻璃片，加样的一次性滴出装置也为塑料件，价格便宜；加工工艺采用注塑、胶粘、等离子处理等医疗器械行业常用工艺，容易批量生产。
附图说明
图1为实施例1中的微流控芯片示意图。
图2为实施例1中的微流控芯片使用过程示意图。
图3为实施例2中的微流控芯片示意图。
图4为实施例2中的微流控芯片密封后示意图。
图5为实施例3中的微流控芯片示意图。
图6为实施例4中的微流控芯片示意图。
图7为实施例4中的塑料采便管示意图。
其中，附图标记说明如下：
101主通道；102微池；103容纳池；104排气孔；106压盖；501卡扣；502分通道；503疏水透气膜；601塑料滴管；602塑料采便管；801胶垫；803凸起；804镂空处；805凹槽。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中，芯片制作技术和使用方法均为微流控芯片领域和生物检测领域的常规技术和方法。
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明，但是本发明的内容不局限于实施例。
实施例1。
本实施例的微流控芯片包括底片和盖片两层，底片是厚度为1mm的玻璃，盖片是厚度为2mm的PC板材(如图1所示)，芯片位于底片上，。盖片上有通道、微池等结构，底片上无结构。盖片可通过激光雕刻、机械加工或注塑成型等现有技术制作，底片为批量采购，底片和盖片通过胶封接为一体。
芯片包括主通道101以及与主通道101连通的1个微池102，还包括容纳池103、排气孔104。在盖片上还有两个压盖106，分别用来密封容纳池103和排气孔104。压盖106上有卡扣501，便于压盖扣紧；压盖106上还有胶垫801，起辅助密封作用。胶垫801材质为热塑性弹性体(TPE)，可通过注塑成型。
微池102为深1mm，体积30μL；容纳池103，体积100μL；主通道101深度为0.5mm，宽度为1mm。
由于底片为玻璃(接触角为10°)，则主通道101和微池102的底面为亲水性，试剂可以在毛细作用和重力压差作用下从加样孔103流向排气孔104；由于盖片未亲水化处理，因此排气孔104内壁为疏水，可以阻止试剂溢出。容纳池103有两个作用：一是容纳试剂；二是形成重力压差，使得试剂的流速更快。
试剂为SDS溶液(10％W/V)。
此芯片的使用方法为：(如图2所示)
1)使用一次性塑料滴管601将试剂加入到容纳池103中，加样量大约为80μL。
测试表明，3秒内试剂可以充满微池102，此时间可视为即刻完成加样，无需用户额外放置一段时间。
2)将压盖106扣紧。
由于压盖106上有卡扣501，因此很容易扣紧。压盖106扣紧后，容纳池103和排气孔104与空气隔离，试剂不会污染环境。此时芯片倾斜放置或颠倒放置，试剂均不会溢出芯片，且微池101内的试剂一直处于充满状态。
然后此芯片可以放入配套检测设备进行检测。
实施例2。
本实施例的微流控芯片包括两层，底片是厚度为0.2mm的PP膜，盖片是厚度为5mm的PP板材(如图3所示)。盖片上有通道、微池等结构，底片上无结构。盖片与底片可通过激光雕刻、机械加工或注塑成型等现有技术制作，盖片和底片通过热压封接为一体。
芯片包括主通道101以及通过分通道502与主通道101连通的6个微池102，还包括1个容纳池103、6个排气孔104。在盖片上还有一个压盖106，压盖上有两个凸起803，对应密封容纳池103和排气孔104。使用凸起803而不再使用801胶垫，是因为PP材质具有弹性，可以替代胶垫。压盖106上有卡扣501，便于压盖扣紧。压盖106上还有一处为镂空处804，当压盖扣紧后，压盖106不会遮挡微池102，以避免影响后续检测(如图4所示)。
微池102深1mm，体积10μL；容纳池103，体积160μL；主通道101与分通道502深度为0.5mm，宽度为1mm。凸起803高度0.2mm。
盖片经过等离子体处理(等离子设备型号为诺信AP-600)，接触角为45°(经测试，接触角≥70°时试剂很难流动)。这样主通道101和微池102的两个侧壁面和顶面为亲水性，试剂可以在毛细作用和重力压差作用下从容纳池103流向排气孔104。容纳池103有两个作用：一是容纳试剂；二是形成重力压差，使得试剂的流速更快。
试剂为尿液。实验分为两个部分：
1、测试容纳池的作用。
A使用移液器将70μL试剂加入到容纳池103中，此时容纳池103内液面很低。测试表明，15秒后试剂可以充满6个微池102，此时间不能视为即刻完成，产品说明书要提示用户放置一段时间。
B使用移液器将140μL试剂加入到容纳池103中，容纳池103内液面很高。测试表明，4秒后试剂可以充满6个微池102，此时间可视为即刻完成加样，无需用户额外放置一段时间。
试剂的流动受到两个作用，亲水表面形成的毛细作用和容纳池形成的重力压差，同实施例1相比，实施例2中的等离子处理PP板材亲水性不如玻璃，且尿液的表面张力系数比SDS溶液大(更难流动)，因此A实验中试剂流动时间较长。在B实验中，由于容纳池103内液面很高，即重力压差很大，试剂流动时间大大缩短。
此实验说明了容纳池103在实际使用中的重要性。
2、实际操作。
1)使用一次性塑料滴管601将试剂加入到容纳池103中，加样量大约为140μL。
2)将压盖106扣紧。(如图4所示)
加样操作和封口操作与实施例1类似，效果也类似。
需要说明的是，在加样时此芯片须水平放置，这是因为整个盖片均经等离子处理为亲水，如果倾斜放置，试剂容易从排气孔104处溢出。
实施例3。
如图5所示，本实施例的微流控芯片与实施例2类似，但在排气孔104上覆盖了一层疏水透气膜805，其材质为聚偏氟乙烯膜(PVDF膜，购自Millipore公司，厚度0.2mm)。用双面胶将PVDF膜贴在盖片上。
因为有疏水透气膜的阻挡作用，试剂不会溢出。这样，在加样时此芯片不需要刻意水平放置，更加适合未经训练的普通用户使用。
实施例4。
如图6所示，本实施例的微流控芯片与实施例2类似，但是压盖106与盖片不再是连为一体的。两个压盖106，分别用来密封容纳池103和排气孔104。盖片上有凹槽805，便于压盖106密封。压盖106材质为热塑性弹性体(TPE)，可通过注塑成型。
试剂为粪便过滤液，使用塑料采便管602(购自沧州宇城包装材料有限公司，如图7所示)。
使用方法和实验结果与实施例2类似。
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换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种家用微流控芯片，包括底片和盖片，芯片位于底片上，所述底片和所述盖片封接为一体，其特征在于：所述芯片包括至少1个主通道和至少1个与所述主通道相连通的微池，所述主通道与至少1个容纳池和至少1个排气孔相连通，所述排气孔的表面或内部有疏水透气膜或疏水透气柱状塞，所述疏水透气膜或疏水透气柱状塞的材质是聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚丙烯；
所述主通道和所述微池的至少1个面呈亲水性，所述亲水性为接触角<70°，所述容纳池的体积>10μL；
所述芯片还包括至少1个压盖，所述压盖压紧时，对应密封所述容纳池和所述排气孔；
所述底片和/或所述盖片为高分子材料。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述底片或所述盖片与所述压盖是连为一体的。
3.根据权利要求1至2任一权利要求所述的微流控芯片，其特征在于：所述压盖上有卡扣，用于固定压盖。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述高分子材料为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯或环烯烃类共聚物。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：每个所述微池与所述主通道通过分通道连通。
6.基于权利要求1-5中任一权利要求所述微流控芯片的使用方法，包括如下步骤：
1)使用一次性滴出装置将试剂加入所述容纳池内；
2)将压盖压紧；
所述一次性滴出装置是塑料滴管、塑料采便管或塑料滴瓶。
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