CN106195439A - 基于流路状态的微阀系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流路状态的微阀系统，所述系统包括微流控芯片和一个压力进样系统，所述芯片包括一主流路和多个进样流路；通过调节进样器的压力源和主流路样品的压力源大小，实现所述微流控芯片反向进样模式、阀关闭模式和正向进样模式的三种工作模式之间切换。本发明的微阀系统结构简单，易于加工和集成，控制方法简单，控制设备复杂度低，微阀系统的开启程度可控。

Description

基于流路状态的微阀系统

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，特别涉及基于流路状态的微阀系统。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)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的一种新型的工具。微流控芯片通过微机电加工技术(MEMS)在硅、石英、玻璃或高分子聚合物等基质材料上加工出微管道、微阀、微泵、微反应器、电极等功能单元，从而实现在微米尺度下对样品的各种操作。其中微阀主要负责监管芯片内各个流路的工作，调控芯片内流体的压力和运动状态，类似于城市交通系统中的“红绿灯”，是微流控芯片里的一个重要单元。常见的微阀主要有一下三种。

(1)外部气动微阀。外部气动微阀利用外部控制气压，将芯片内特定位置的薄膜鼓起或收缩，使得对应的微管道被堵死或打开，从而实现流路通断。这种微阀具有易于集成,密封性好和阀开关速度快等优点。但同时这种微阀需要一个具有弹性的薄膜层，因而存在加工流程复杂、控制复杂等不足。

(2)石蜡微阀。石蜡微阀是一种用石蜡为材料的阀。它是一种由热驱动的微开关阀,含有该微阀的反应微装置能够将样品溶液密封在反应腔内。当压力小于一定值时,微阀处于关闭状态时,没有泄漏发生。当压力达到高于一定值时,在流道壁上发生泄漏。其具有可预存芯片，适合工业生产等优点。但由于需要控制石蜡的状态来改变微阀的状态，因而存在重复使用性差、外部控制系统复杂等不足。

(3)压电微阀。压电微阀通过硅熔融，将两层硅结构键合在一起,是一种由压电驱动的自封锁常闭型微阀。在没有施加电压时,该微阀具有良好的密封性能,当电压大于一定值时,气体流可以通过微阀。其具有反应时间短、灵敏度高、死区体积小等优点。但也存在容易泄露、加工复杂等不足。

发明内容

在一种实施方式中，本发明提供一种基于流路状态的微阀系统，所述系统包括：微流控芯片，所述芯片包括：一主流路，所述主流路包含主流路入口和主流路出口，以及连接它们的主流路管道；多个进样流路，所述进样流路包括进样入口、缓冲池、进样管道、与主流路连接的进样连接管道、与缓冲池连接的缓冲管道，所述缓冲管道一端设置在进样管道与进样连接管道之间的进样流路之间，所述缓冲管道另一端与缓冲池连接；至少一个压力进样系统，每个压力进样系统包括通过导管分别连接的二组进样压力源和进样器，一个进样器中装有进样样品和另一个进样器装有主流路样品；在各自压力源的作用下，进样样品通过导管流到进样入口，而主流路样品通过导管流到主流路入口；通过调节进样器的压力源和主流路样品的压力源的大小，实现所述微流控芯片反向进样模式、阀关闭模式和正向进样模式的三种工作模式之间切换。在一些实施方式中，主流路也可以含有多个入口，此时多个入口同时都在进样，多个入口可以同时进入多种样品。在一些实施方式中，主流路还可以不含有入口，这样主流路样品就由被选择进样的进样样品取代。

在一种实施方式中，缓冲池连接额外的进样压力源或者缓冲池不连接额外的进样压力源。

在一种实施方式中，进样压力源是高压气源。

在一种实施方式中，微阀系统开启的程度由进样压力源控制。

在一种实施方式中，当所述微阀系统含有多个并联的所述进样流路时，所有处于正向进样模式的进样流路对应的样品，在所述主流路与主流路样品混合，各进样样品在混合样品中的比例由各自微阀打开的程度决定。

在一种实施方式中，各个管道深度范围为5μm至10mm，各个管道宽度范围为5μm至10cm。

在一种实施方式中，主流路出口可以是通向芯片外的出口，或者是通向微流控芯片内其他管道结构的连接点。

本发明提供一种新的基于流路状态的微阀系统，能够在外部进样压强的控制下，在反向进样、阀关闭和正向进样这三种工作模式下切换，实现样品进样控制。反向进样模式是进样样品不流入进样流路，而主流路的样品从进样入口流出的工作模式；阀关闭模式是进样样品从进样入口流入，并与主流路的样品共同流入缓冲池的工作模式；和正向进样模式是进样样品流入主流路的工作模式。本发明的微阀系统具有以下优点。

(1)微阀系统结构简单，易于加工和集成。本发明提出的流路阀只需要增加一段管道结构和储液池，不需要在芯片内加工另外的特殊结构，也不需要多层芯片的加工工艺，因此易于生产加工，适合芯片集成。

(2)控制方法简单，控制设备复杂度低。本发明的基于流路状态的微阀系统只需要通过控制外部气源调整进样压强，就能改变微阀系统的工作模式，因而控制方法简单，而且对所需的控制设备要求也不高。

(3)微阀系统的开启程度可控。大部分微阀系统只能处在完全打开和完全关闭的状态，流路阀则能够在外部控制下，处于不同的打开程度，更接近宏观概念上的“阀”。这样对样品的进样控制变得更加全面和精细，适用面更广。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的一种实施方式的是微流控芯片外部的气压进样系统示意图。

图2是本发明的一种实施方式的处于反向进样工作模式的微阀系统原理示意图。

图3是本发明的一种实施方式的微阀系统处于阀关闭工作模式的示意图；

图4是本发明的一种实施方式的微阀系统处于正向进样工作模式的示意图；

图5是本发明的一种实施方式的进样入口处的进样压强与主流路样品流速和进样样品流速之间的关系图；

图6是本发明的一种实施方式的由多个流路阀组成的多样品进样芯片结构示意图；和

图7是图6的多个流路阀组成的多样品进样芯片生物学实验结果图。

具体实施方式

为了使本领域技术领域人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合下面结合实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一流路阀的工作模式

图1展示的是微流控芯片外部的气压进样系统示意图。其中，气源是压强可变的空气压缩机，能产生0～0.7MPa的相对压强，作为液体样品的进样动力。气源通过导管与样品进样器相连。两个进样器内分别装着进样样品2f和主流路样品1d。样品通过一个插到进样器底部的导管流到微流控芯片的入口，并最终进入微管道中。通过改变各个气源的进样压强，就能使各个流路阀处于所需的工作模式。

图2展示的是处于反向进样工作模式的微阀系统原理示意图。其中，主流路1包含一个主流路入口1a和一个主流路出口1b，以及连接它们的样品主流路管道1c，1d是主流路样品。主流路入口1a与芯片外部的一个样品进样器相连，并且调节进样压力，使得主流路入口1a的压强恒定维持在0.4MPa，主流路出口1b与大气相连接。进样流路2包括一个进样入口2a，缓冲池2b，进样管道2c，与主流路连接的进样连接管道2d，与缓冲池连接的缓冲管道2g。2e是进样管道2c、进样连接管道2d和缓冲管道2g的交汇点。2i是进样连接管道2d和样品主流路管道1c的交汇点。进样入口2a与芯片外部的一个样品进样器连接，通过样品进样器的进样压力，可以改变进样入口2a处的压力。当进样入口2a的相对压强由0MPa上升到0.4MPa的过程中，进样流路2将会出现3种稳定的工作模式，分别是反向进样、阀关闭和正向进样三种状态。图2所示的进样流路2处于反向进样的工作模式，此时进样入口2a的压强小于0.15MPa，而主流路样品1d从样品主流路管道1c中流到2e，由于进样入口2a压强低于交汇点2e处的压强，主流路样品1d在交汇点2e处分成两个部分，第一部分流向缓冲池2b，另一部分则流向进样入口2a。这种状态下，流路阀处于打开的状态，流动方向是由主流路1流向进样入口2a，与常用的进样方向相反，因而成为反向进样状态。

图3展示的是微阀系统处于阀关闭工作模式的示意图。当进样入口2a处的压强继续升高，超过0.15MPa同时又小于0.2MPa时，进样流路2将切换至新的工作模式，阀关闭状态。此时，主流路入口1a仍然保持相对压强为0.4MPa。由于进样入口2a处的压强高于0.15MPa，2a处和交汇点2i处的压强将同时高于交汇点2e处的压强，因而进样样品2f与主流路样品1d将在交汇点2i处汇合后，一同流向缓冲池2b。由于进样样品2f没有进入样品主流路管道1c中，而主流路样品1d也没有进入进样管道2c中，进样流路2和主流路1相互被隔离，就如同连接两者之间的阀关闭了一样，因此这种工作模式被称为阀关闭状态。

图4展示的是微阀系统处于正向进样工作模式的示意图。当进样入口2a的压强大于0.2MPa时，进样流路2将切换到正向进样的工作模式。此时，主流路入口1a处的压强仍然是0.4MPa。由于此时交汇点2e处的压强高于交汇点2i处的压强，由进样入口2a处流入的进样样品2f将在交汇点2e处分成两个部分，第一部分流向缓冲池2b，第二部分流向主流路1并在交汇点2i处与主流路样品1d汇合，同时流向主流路出口1b。此种工作模式下，进样样品2f进入到样品主流路管道1c中，实现了样品的进样，因此此种工作模式称为正向进样工作模式。

图5展示的是进样入口2a处的进样压强与主流路样品流速2j和进样样品流速2k之间的关系。图2、图3和图4中的流速2j表示的是主流路样品1d从交汇点2e流向入口2a的流速，当流路阀处于反向进样的工作模式时，流速2j才不为0，其他工作模式流速2j为0；流速2k表示的是进样样品2f从流入样品主流路管道1的流速，当流路阀处于正向进样的工作模式时，流速2k才不为0，其他工作模式流速2k为0。从图5中可以看出，虽然流路阀有三种工作模式，但除了阀关闭模式外，另外两个模式都可以通过调节进样压强，控制阀开启比例。

实施例二利用多流路阀组成的多样品进样结构实现多位点的DNA检测

图6展示的是由多个流路阀组成的多样品进样芯片结构示意图。芯片结构包括主流路1和多个进样流路。图中所示的情形是进样流路3处于正向进样的工作状态，其他进样流路处于阀关闭的工作模式。因此，在主流路出口1b处，将得到含有主流路样品1d和进样样品3f的混合样品，进样样品3f在混合样品中的浓度由进样入口3a处的压强决定。同理，改变其他进样流路的工作模式，就能在出口1b处得到不同的样品组合。

为了进一步说明图6中展示的多样品进样结构的功能，将利用该结构实现多位点的DNA扩增。将主流路样品1d替换成含有浓度为1mg/μl的人类基因组DNA的溶液，进样样品2f替换成含有PCR mix和GJB2基因上下游引物的溶液，进样样品3f替换成含有PCR mix和MTRNR1基因上下游引物的溶液。由于两种进样样品都缺少扩增模板，因此需要与主流路样品混合，才能实现扩增。因此，先将所有进样流路切换为阀关闭的工作模式，然后将进样流路2切换成正向进样的工作模式，在出口1b中收集混合样品10μl并放置于200μl的EP管中。将进样流路2和3分别切换到阀关闭模式和正向进样模式，在出口1b中收集混合样品10μl放置于另外一个200μl的EP管中。最后，将进样流路切换到阀关闭模式，再出口1b中再次收集10μl样品作为阴性对照。

将3个EP管放入PCR仪器中，设置参数:95℃10min预变性，95℃10s，55℃20s，72℃25s循环，共40个循环，最后4℃保温。

扩增反应结束后，将3个样品进行琼脂糖凝胶电泳并拍照。结果如图7所示，含有进样样品2f与含有进样样品3f的混合样品，都成功实现了扩增。而阴性对照则没有条带，说明没有发生扩增，也说明多样品进行结构没有发生样品交叉污染。

应该理解到披露的本发明不仅仅限于描述的特定的方法、方案和物质，因为这些均可变化。还应理解这里所用的术语仅仅是为了描述特定的实施方式方案的目的，而不是意欲限制本发明的范围，本发明的范围仅受限于所附的权利要求。

本领域的技术人员还将认识到，或者能够确认使用不超过常规实验，在本文中所述的本发明的具体的实施方案的许多等价物。这些等价物也包含在所附的权利要求中。

Claims (7)

1.一种基于流路状态的微阀系统，所述系统包括：

微流控芯片，所述芯片包括：一主流路，所述主流路包含主流路入口和主流路出口，以及连接它们的主流路管道；多个进样流路，所述进样流路包括进样入口、缓冲池、进样管道、与主流路连接的进样连接管道、与缓冲池连接的缓冲管道，所述缓冲管道一端设置在进样管道与进样连接管道之间的进样流路之间，所述述缓冲管道另一端与缓冲池连接；

压力进样系统，压力进样系统包括多个通过导管分别连接的二组进样压力源和进样器，每个进样器中装有进样样品和另一个进样器装有主流路样品；在每个压力源的作用下，进样样品通过导管流到进样入口，而主流路样品通过导管流到主流路入口；和

通过调节进样器的压力源和主流路样品的压力源的大小，实现所述微流控芯片反向进样模式、阀关闭模式和正向进样模式的三种工作模式之间切换。

2.根据权利要求1的所述微阀系统，所述缓冲池连接额外的进样压力源或者所述缓冲池不连接额外的进样压力源。

3.根据权利要求1的所述微阀系统，所述进样压力源是高压气源。

4.根据权利要求1的所述微阀系统，所述微阀系统开启的程度由进样压力源控制。

5.根据权利要求1的所述微阀系统，当所述微阀系统含有多个并联的所述进样流路时，所有处于正向进样模式的进样流路对应的样品，在所述主流路与主流路样品混合时，各进样样品在混合样品中的比例由各自微阀开启比例决定。

6.根据权利要求1的所述微阀系统，各个管道深度范围为5μm至10mm，各个管道宽度范围为5μm至10cm。

7.根据权利要求1的所述微阀系统，所述主流路出口可以是通向芯片外的出口，或者是通向微流控芯片内其他管道结构的连接点。