CN105413764A - 一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置。该装置采用一个带有多个凸轮的凸轮轴就可以实现对微流控芯片反应过程中需要压力驱动的多个环节进行控制，比如实现芯片内多种液体试剂的分时释放和流动控制、气体的流动控制，以及需要通过机械按压实现的芯片锁定等功能，反应的时序可以通过凸轮的曲线轮廓、安装顺序以及转动速度来自动控制。本发明对微流控芯片分析检测装置的小型化提供了一个切实可行的技术方案，使其更加容易产品化而具有更加广泛的应用前景。

Description

一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置

技术领域

本发明属于微流控芯片领域，特别涉及一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置。

背景技术

微流控芯片又称为芯片实验室(Lab-on-a-chip)，是指把生物、化学和医学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具有微米尺度微通道的芯片上，自动完成反应和分析的全过程。基于微流控芯片实现的分析检测装置的优点是：样本用量少，分析速度快，便于制成便携式仪器，非常适用于即时、现场分析。

基于微流控芯片实现的分析检测装置，其核心主要是对微通道内流体的控制，而压力驱动是其中一种重要的驱动控制方式。压力驱动是依靠腔体内部的相对压差来驱动流体(包括液体和气体)。比如，微流控芯片上可包含多个储液腔，用来存储反应所需的不同种液体试剂，这些储液腔中的试剂可通过机械按压的推动力使之释放到微通道中进行反应。或者，在微流控芯片内集成一个储气腔，储气腔顶部用弹性薄膜密封，通过机械按压使薄膜往复运动形成一个气动微泵，驱动芯片内流体的运动。以上这些压力驱动流体的方法一般都需要外部配套电机系统及设计一定的机械结构实现整个驱动控制过程。

一张微流控芯片通常会在几平方厘米的面积上集成多个独立的功能单元，需要对多种不同流体分时操控从而完成整个分析检测过程。如果每个流体的操控都配置一个独立的电机及电机驱动器，会导致控制系统的体积较大，结构复杂，这不利于微流控芯片分析检测装置的小型化和集成化。

发明内容

本发明的目的在于解决微流控芯片操控装置复杂，不易小型化和集成化的问题，而提供了一种用凸轮轴操控微流控芯片反应的装置。

本发明的技术方案如下：

一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置，其特征在于包括凸轮轴11、电机12、摇臂组13(a-d)和金属弹片14；所述凸轮轴主体是一根圆柱体，上面依次排列两个或两个以上凸轮；凸轮轴一端固定于所述电机输出轴上；凸轮轴两端各装有一个滚动轴承；所述摇臂组由两个或两个以上摇臂组成，摇臂个数等于凸轮个数，与凸轮组成运动副，凸轮轴转动过程中带动不同的摇臂向下运动；所有摇臂的一端通过一根枢轴16连接，另一端安装有不同的压块18，分别作用于微流控芯片上需要控制的不同位置，压块的形状和尺寸根据微流控芯片上需要作用的位置的形状和尺寸而定；摇臂下方还设有一个金属弹片，弹片上有多根齿条，对应地对多个摇臂起到向上支撑和限制作用。

所述的一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置，其中凸轮轴的凸轮的曲线轮廓根据实际的运动需求而定，凸轮的安装顺序则根据微流控芯片反应所需要的时序而定。

所述的一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置，其中凸轮轴和摇臂的材料可以为钢、铸铁、铜或铝等具有一定机械强度且耐磨的材料。

所述的一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置，所述控制微流控芯片反应包括通过凸轮轴转动实现液体试剂的释放和流动、气体的流动控制、芯片锁紧等需要压力驱动的多种功能。

本发明所提供的一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置，用一个凸轮轴就可以实现对微流控芯片分析过程中需要压力驱动的多个环节进行控制，比如实现芯片内多种液体试剂的分时释放和流动控制、气体的流动控制，以及需要通过机械按压实现的芯片锁定等功能，反应的时序可以通过凸轮的曲线轮廓、安装顺序以及转动速度来自动控制。本发明对微流控芯片分析检测装置的小型化提供了一个切实可行的技术方案，使其更加容易产品化，而具有更加广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置整体示意图。11-凸轮轴：12-电机；13-摇臂组；14-金属弹片；15-滚动轴承；16-枢轴；17-微流控芯片；18-压块。

图2是本发明所提供装置中凸轮轴的结构示意图。

图3是本发明所提供装置中摇臂的结构示意图。

图4是本发明所提供装置中金属弹片的结构示意图。

图5本发明所提供的一种使用凸轮轴控制反应的微流控芯片的结构示意图。

具体实施方案

本发明提供了一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合附图对本发明作进一步的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置，其结构包括凸轮轴11、电机12、摇臂组13、金属弹片14和滚动轴承15。凸轮轴11的主体是一根圆柱体，上面依次排列有多个凸轮。凸轮轴11的一端固定于电机12的输出轴上，另一端装有一个滚动轴承15。摇臂的一端通过一根枢轴16连接，另一端则装有不同的压块18。压块作用于微流控芯片上需要控制的不同位置，压块的形状和尺寸根据微流控芯片上需要作用的位置的形状和尺寸而定。电机带动凸轮轴转动过程中，凸轮向下按压不同的摇臂，通过压块作用于微流控芯片17。摇臂13下方设有一个金属弹片14，弹片上有多根齿条，对摇臂13起到向上支撑和限制作用。作为示例，图1所示凸轮轴装置使用了四组凸轮设计，可以实现对微流控芯片上四个对流体功能单元的驱动。

图2为图1装置中的凸轮轴的结构示意图，作为从左到右依次排列有四个凸轮21、22、23、24。图中凸轮的曲线轮廓和安装顺序只是示意，实际需要根据微流控芯片反应所需要功能和时序而定。

四个凸轮对应有四个摇臂，凸轮和摇臂组成运动副。图3所示为其中一个摇臂的结构示意图，摇臂一端通过安装孔32与枢轴16连接，摇臂另一端安装有一个压块31。凸轮通过摇臂上的作用面33带动摇臂向下运动。图4所示为摇臂下方金属弹片的结构示意图，弹片上有四根齿条41、42、43、44，对摇臂起到向上支撑和限制作用。弹片上有两个安装孔45。实际应用中上述凸轮轴装置需要安装在一个固定架上，需要固定的部分包括电机12、滚动轴承15、枢轴16和金属弹片14。

如图5所示，凸轮轴装置控制的微流控芯片包括顶板51和底板52两部分。顶板和底板通过超声焊接的方式键合到一起。此芯片的结构和功能描述如下：顶板的结构主要包含加样口501、储气腔502、封口盖503、第一试剂储液池504。第一试剂储液池504顶端装有一个密封柱塞，向下按压柱塞可以释放预存储在储液池中的第一试剂到反应沟道中。储气腔502上覆一层弹性软膜，且储气腔出口与加样口连通。加样后盖上封口盖，向下按压储气腔上的软膜可以驱动样本向前与第一试剂反应，经过混合反应沟道509，最后通过顶板出口505进入底板52。底板的主要结构包括样本过滤器510、信号检测窗口511、废液池512、第二试剂储液池513、第三试剂储液池514。样本过滤器510设置在顶板出口505正下方。液体过滤后到达信号检测窗口。第二试剂和第三试剂预存储在微流控芯片上，通过向下按压两个储液池同时释放两种试剂，二者混合后从样本对立方向进入检测窗口。

电机带动凸轮轴转动过程中，凸轮向下按压不同的摇臂，通过压块作用于微流控芯片。凸轮的曲线轮廓和安装顺序根据测试卡上的流体驱动需求而设计。如图5所示，四个摇臂13a、13b、13c、13d分别用于控制测试卡芯片的储气腔502、第一试剂储液池504、第二试剂储液池513、第三试剂储液池514。为了在微流控芯片上方实现对底板的操控，顶板上设置了两个让位孔507、508。其中，让位孔507用来让位底板上的两个储液池，便于从芯片上方对储液池的按压。根据以上描述的芯片功能及反应的时序，通过设计四个凸轮的曲线轮廓、安装顺序，同时控制凸轮轴电机的转动速度，便可以完成微流控芯片上四个流体单元的驱动控制。

需要进一步说明的是，凸轮轴和摇臂的材料可以为钢、铸铁、铜或铝等具有一定机械强度且耐磨的材料。考虑加工工艺和成本，可优选铝材压铸而成。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置，其特征在于包括凸轮轴、电机、摇臂组和金属弹片；所述凸轮轴主体是一根圆柱体，上面依次排列两个或两个以上凸轮；凸轮轴一端固定于所述电机输出轴上；凸轮轴两端各装有一个滚动轴承；所述摇臂组由两个或两个以上摇臂组成，摇臂个数等于凸轮个数，与凸轮组成运动副，凸轮轴转动过程中带动不同的摇臂向下运动；所有摇臂的一端通过一根枢轴连接，另一端安装有不同的压块，分别作用于微流控芯片上需要控制的不同位置，压块的形状和尺寸根据微流控芯片上需要作用的位置的形状和尺寸而定；摇臂下方还设有一个金属弹片，弹片上有齿条，对应地对摇臂起到向上支撑和限制作用。

2.根据权利要求1所述的用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置，其特征在于所述凸轮轴的凸轮的曲线轮廓根据实际的运动需求而定，凸轮的安装顺序则根据微流控芯片反应所需要的时序而定。

3.根据权利要求1所述的用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置，其特征在于所述凸轮轴和摇臂的材料为具有一定机械强度且耐磨的材料，选自为钢、铸铁、铜或铝。

4.根据权利要求1所述的用凸轮轴控制微流控芯片反应的装置，其特征在于所述控制微流控芯片反应包括通过凸轮轴转动实现液体试剂的释放和流动、气体的流动控制、芯片锁紧需要压力驱动的多种功能。