CN106215985A - 一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片 - Google Patents

一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片 Download PDF

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Abstract

一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，由盖片层和载片组成，盖片层开设有加液区、流体混合微通道、入射光纤、导出光纤或微型检测器、流体检测区和液体排液区；样本液与检测试剂同时由加液区进入微通道，在流体混合微通道中进行充分混合并发生化学反应，后进入流体检测区；特定波长的检测用光波由入射光纤引入流体检测区，经溶液吸收后，由导出光纤导出或由微型检测器直接进行分析，实现对流体的分析与检测，经检测后的流体由液体排出区流出微流体芯片；本发明的微流控芯片可以高通量、高效率地实现流体的混合及检测，具有结构简单、操作方便、低能耗、无污染、成本低、便携、易推广等优点。

Description

一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片
技术领域
本发明涉及一种微流控芯片，具体涉及一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片。
背景技术
微流控芯片又称微流控芯片实验室或芯片实验室，是一种以在微米尺度的空间中对流体进行操控为主要特征的技术，在生物医学、分析化学及食品科学等领域有巨大的应用潜力，具有所需样品体积小、检测效率高、使用成本低、易于和其他技术设备集成、具有良好的兼容性、便携等优点，是当今研究热点之一。
微流控芯片内流体的高效、高通量、快速混合对于化学反应的充分进行与后续精确检测具有重要的意义。微流控芯片内的流道特征尺寸通常为微米级别，导致微流道内雷诺数较低。例如，在特征尺寸为100微米的微流道内，密度为1g/cm3,粘度为0.001Ns/m2的流体以1mm/s的速度流动时，雷诺数仅为0.1。在微通道内小雷诺数的情况下，紊流引发的流体混合较难发生。通常微通道内的流体混合较多依赖于相间扩散运动。因此微流控芯片内混合速度通常较慢，为化学反应的快速充分进行及后续精确检测造成了主要的障碍。为解决上述问题，国内外研究学者对微流控芯片内的流体混合与强化进行了研究。目前，用于流体混合的微流控芯片主要分为主动式与被动式两种。主动式流体混合微流控芯片是利用外加力场而使内部流动的流体流动状态发生改变，进而促进流体混合。如通过外加超声场，流体受到声波辐射力的作用而发生流动状态的改变，实现流体混合。这类主动式的流体混合微流控芯片由于需要外力场，因此成本较高、且不利于微流控芯片上多组件的集成。与之相比，被动式流体混合微流控芯片是基于不同的微通道结构设计，强化混沌对流，实现流体在微通道内的混合与增强。如通过多个入口依次注入不同的待混合流体，形成多层流体结构，利用多层流体间的扩散实现流体混合，但该种方法通常流量较低。T型或Y型微通道的横截面上会形成二次涡流，可实现流体混合与强化，但这种结构的微流控芯片通常混合效率较低。通过在微通道内加工三维结构，同样可改变流体运动状态，实现流体混合，但三维结构加工过程较为复杂。此外，结合收缩与扩张结构，并通过布置一定形状的障碍物，实现流体的分裂与重组，可实现流体混合，但由于障碍物的存及流体间的碰撞作用，通常流动阻力较大。
综上所述，目前用于流体混合的微流控芯片主要存在以下问题：
1)现有主动式流体混合微流控芯片制作成本高，且不利于芯片上的多组件集成；
2)现有被动式流体混合微流控芯片通常混合效率低，较难实现微流控芯片内流体的高效充分混合，不利于后续化学反应分析及高精度检测；
3)现有被动式流体混合微流控芯片通量一般较低、耗时久，较难实现对大量流体的快速混合；
4)三维微结构加工过程较为复杂，不利于流体混合微流控芯片在实际中的广泛应用。
因此，通过新型的单层微通道结构设计，使微通道内快速形成厚度较小的多层流体层，以快速增强流体间的扩散作用，实现微通道内流体的高效、高通量、快速混合，并进一步与光学等检测元件相集成，最终可获得一种用于流体高效混合与检测的便携式微流控芯片。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于流体快速混合与检测的微流控芯片，能对流体进行高效、高通量、快速混合和后续检测，具有加工容易、结构简单、成本低、效率高、通量高、便于携带等优点，在化学分析、生物医学及食品科学等领域，具有很好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，由盖片层7和置于盖片层7下的载片9组成；所述盖片层7上开设有第一加液区1、第二加液区8、流体混合微通道2、入射光纤3、导出光纤或微型检测器6、流体检测区5和液体排液区4；所述流体混合微通道2的一侧为平直壁面，另一侧带有多个向流体混合微通道2内凸出的由渐缩和突扩结构构成的直角尖角结构；所述流体混合微通道2入口为二分叉结构，用于与第一加液区1和第二加液区8连通；所述流体混合微通道2出口与流体检测区5连通；流体检测区5后端与液体排液区4相连通；所述入射光纤3用于将与待检测流体相对应的特定波长的光波引入流体检测区5；所述导出光纤或微型检测器6用于导出经过流体检测区5的光线或对经过流体检测区5的光线进行直接分析；所述第一加液区1、第二加液区8和液体排液区4为在盖片层7上开设的通孔，所述流体混合微通道2及流体检测区5为在盖片层7和载片9相接触的表面上开设的盲道；所述入射光纤3、导出光纤或微型检测器6为内嵌于盖片层7与载片9相接触的表面的内嵌组件，底部与载片9表面相接触，端部与流体检测区5内的流体直接接触。
所述盖片层7和载片9通过等离子处理结合在一起。
所述流体混合微通道2和流体检测区5位于盖片层7和载片9相结合处的中央位置。
所述第一加液区1、第二加液区8和液体排液区4均为圆柱形孔。
所述第一加液区1、第二加液区8中流体流量相同，以达到最优流体混合效果。
所述流体混合微通道2的通道深度与直角尖角结构顶端距直壁面的距离相同，有利于构成正方形流体截面，使流体在不同方向上具有相同的混合距离，从而使流体混合更为均匀。
所述直角尖角结构的个数为100个。
所述流体混合微通道2中相邻的直角尖角结构间距离为160-280μm，有助于形成强烈的二次涡流，同时较大的间距为流体分子的扩散提供足够长的时间。
所述入射光纤3和导出光纤或微型检测器6中所涉及的光纤直径为100μm-200μm。
所述盖片层7的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS。
所述载片9的材料为玻璃或硅。
本发明和现有技术相比较，具有如下优点：
1)成本低，制作容易。与其他主动式流体混合方式相比，无需复杂的结构和昂贵的辅助设备，因而本发明适合于大规模生产和市场推广。
2)流体混合效率高，混合效率最高可达97％。本发明中，流体混合微通道2一侧为直壁面，有利于减少微通道内流动阻力，另一侧引入一系列的内凸形由渐缩和突扩结构构成的直角尖角结构，前端渐缩结构有利于引导流体运动，后端突扩结构则有利于生成大强度的二次涡流，快速卷吸待混合流体，形成多层流体层结构，减少流体扩散的距离，实现快速混合，同时相邻尖角间距离较大，也有助于形成强烈的二次涡流，较大的间距为流体分子的扩散提供足够长的时间，最终实现流体充分混合。本发明设计的尖角结构与其他微结构相比，混合效率更高，流动阻力更小，可为后续流体性质的精确检测奠定基础。
3)流体混合通量高、耗时少，可实现大量流体的快速混合。此外，在较低流量状况下也可为分子扩散主导的流体混合过程提供足够长的扩散时间，即本发明的流体混合工作流量范围较宽，极大地增加了本发明的适用性。
4)不对待检测流体产生污染，与宏观流体混合及检测手段相比，本发明中用于流体快速混合及检测的微通道不与外界环境直接接触，避免了混合与检测过程中对待检测流体的污染及化学性质的改变，可实现对流体的精确检测。
5)结构简单、制作容易。本发明的流体快速混合及检测微流控芯片为单层结构，采用简单的标准软光刻技术便可方便快速加工，可广泛地应用于流体快速混合及便携式检测。
附图说明
图1为本发明用于流体快速混合及检测的微流控芯片俯视图。
图2为图1沿A-A向的剖视图。
图3为本发明用于流体快速混合及检测的微流控芯片的三维示意图。
图4为本发明用于流体快速混合及检测的微流控芯片流体混合实验结果图。
图5为本发明用于流体快速混合及检测的微流控芯片流体混合效率图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
如图1至图3所示，本发明一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，该芯片由标准软光刻技术加工，由盖片层7和置于盖片层7下的载片9组成；所述盖片层7上开设有第一加液区1、第二加液区8、流体混合微通道2、入射光纤3、导出光纤或微型检测器6、流体检测区5和液体排液区4；所述流体混合微通道2的一侧为平直壁面，有利于减少流动阻力，另一侧带有多个向流体混合微通道2内凸出的由渐缩和突扩结构构成的直角尖角结构，以生成强烈的二次涡流；所述流体混合微通道2入口为二分叉结构，用于与第一加液区1和第二加液区8连通；所述流体混合微通道2出口与流体检测区5连通；流体检测区5后端与液体排液区4相连通；所述入射光纤3用于将与待检测流体相对应的特定波长的光波引入流体检测区5；所述导出光纤或微型检测器6用于导出经过流体检测区5的光线或对经过流体检测区5的光线进行直接分析；所述第一加液区1、第二加液区8和液体排液区4为在盖片层7上开设的通孔，所述流体混合微通道2及流体检测区5为在盖片层7和载片9相接触的表面上开设的盲道；所述入射光纤3、导出光纤或微型检测器6为内嵌于盖片层7与载片9相接触的表面的内嵌组件，底部与载片9表面相接触，端部与流体检测区5内的流体直接接触。本实施例第一加液区1、第二加液区8、混合液体排出区4腔体直径皆为1-2mm，高度与盖片层7高度一致。第一加液区1、第二加液区8、流体混合微通道2、入射光纤3、导出光纤或微型检测器6、流体检测区5和液体排液区4形成的微通道位于盖片层7与载片9相结合的中央位置。流体混合微通道2宽度为80μm，深度为40μm，前端连接二分叉结构，二分叉结构夹角α满足0°<α≤180°，作为本发明的优选实施方式，α＝60°。流体混合微通道2包括100个位于通道一侧的直角尖角结构，尖角角度β满足0°<β<90°，作为本发明的优选实施方式，β＝45°，直角尖角结构宽度和长度为40-45μm，相邻尖角距离为160-280μm。流体检测区5宽度略小于流体混合微通道2宽度，其两侧壁面由入射光纤3、导出光纤或微型检测器6的端面构成。
作为本发明的优选实施方式，本发明中微流控芯片使用标准软光刻技术加工，所述盖片层7和载片9通过等离子处理结合在一起。也可以使用其他材料或方法，如干法、湿法刻蚀等在硅片等材料上加工本发明的微通道。
作为本发明的优选实施方式，所述第一加液区1、第二加液区8和液体排液区4均为圆柱形孔。
作为本发明的优选实施方式，所述第一加液区1、第二加液区8中流体流量相同，以达到最优的流体混合效果。
作为本发明的优选实施方式，通道深度为40μm，与直角尖角结构距直壁面的距离相同，有利于构成正方形流体截面，使流体在不同方向上具有相同的混合距离，从而使流体混合更为均匀。
作为本发明的优选实施方式，所述流体混合微通道2内凸出的直角尖角结构依次由渐缩和突扩结构构成，前端渐缩结构有利于引导流体流动，减少通道的流动阻力，后端突扩结构有利于生成大强度的二次涡流，快速卷吸待混合流体，形成多层流体层结构，减少流体扩散的距离，实现快速混合，直角尖角结构数量为100个。
作为本发明的优选实施方式，所述流体混合微通道2内相邻直角尖角结构间距离为160-280μm，将有助于形成强烈的二次涡流，同时较大的间距为流体分子的扩散提供足够长的时间，最终实现流体的充分混合。
作为本发明的优选实施方式，所述入射光纤3和导出光纤或微型检测器6中所涉及的光纤直径为100μm-200μm。
作为本发明的优选实施方式，所述盖片层7的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS。
作为本发明的优选实施方式，所述载片9的材料为玻璃或硅。
下面以一实施例说明本发明的实施过程：
采用本发明对食用油氧化程度进行快速便携式检测的具体操作如下，首先采用注射泵将待测食用油及含有硫氰酸亚铁的检测液分别由第一加液区1、第二加液区8(两个加液区可以任意选择)以一定的流量同时注入到微流控芯片内。流体混合微通道2的扩张区内会形成强烈的二次涡流，在二次涡流的卷吸作用下，形成厚度较小的多层流体层结构，缩短分子扩散的距离，加速混合过程，从而使待测食用油及含有硫氰酸亚铁的检测液实现充分混合，食用油中的过氧化物会与检测液中的硫氰酸亚铁发生充分的化学反应，过氧化物会将亚铁离子氧化成三价铁离子，从而使溶液颜色发生改变，溶液颜色变化程度反应食用油的氧化程度。待测食用油及含有硫氰酸亚铁的检测液在流体混合微通道2中经充分混合及反应后，进入流体检测区5，通过入射光纤3导入特定波长的检测光线，光线经流体检测区5中溶液的吸收，照射到导出光纤或微型检测器6，通过导出光纤将经吸收后的光线导出后进行分析或通过微型检测器6对光线进行直接分析，进而获得溶液颜色变化所反应的食用油氧化程度，从而实现对食用油氧化程度的快速、准确、便携式检测。经检测后的流体通过液体排出区4流出微流控芯片。
由于本发明中流体的充分混合对后续流体的检测尤为重要，为验证本发明流体混合的效率及通量范围，使用本发明对水-墨水进行了流体混合实验。采用注射泵以相同的流量分别将水和墨水通过第一加液区1和第二加液区8(两个加液区可以任意选择)注入微流控芯片内，利用显微镜和CCD摄相机拍摄流体混合微通道2第100个直角尖角结构后的流体混合图像。实验证明本发明在流量为1微升每分钟到700微升每分钟的范围内，可以实现两种流体较为充分的混合，其最高混合效率可达97％。图4为1微升每分钟到700微升每分钟的流量范围内流体混合微通道2第100个直角尖角结构后的流体混合实验结果图。图5为不同流量条件下流体混合效率图。实验验证了本发明可实现对流体的高效、高通量、快速混合，通过结合后续光学等检测手段，可实现对流体的快速混合及精确、便携式检测，在生物医学、分析化学及食品科学等领域有着重要的应用潜力。

Claims (10)

1.一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，由盖片层(7)和置于盖片层(7)下的载片(9)组成；其特征在于：所述盖片层(7)上开设有第一加液区(1)、第二加液区(8)、流体混合微通道(2)、入射光纤(3)、导出光纤或微型检测器(6)、流体检测区(5)和液体排液区(4)；所述流体混合微通道(2)的一侧为平直壁面，另一侧带有多个向流体混合微通道(2)内凸出的由渐缩和突扩结构构成的直角尖角结构；所述流体混合微通道(2)入口为二分叉结构，用于与第一加液区(1)和第二加液区(8)连通；所述流体混合微通道(2)出口与流体检测区(5)连通；流体检测区(5)后端与液体排液区(4)相连通；所述入射光纤(3)用于将与待检测流体相对应的特定波长的光波引入流体检测区(5)；所述导出光纤或微型检测器(6)用于导出经过流体检测区(5)的光线或对经过流体检测区(5)的光线进行直接分析；所述第一加液区(1)、第二加液区(8)和液体排液区(4)为在盖片层(7)上开设的通孔，所述流体混合微通道(2)及流体检测区(5)为在盖片层(7)与载片(9)相接触的表面上开设的盲道；所述入射光纤(3)、导出光纤或微型检测器(6)为内嵌于盖片层(7)与载片(9)相接触的表面的内嵌组件，底部与载片(9)表面相接触，端部与流体检测区(5)内的流体直接接触。
2.根据权利要求1所述的一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，其特征在于：所述盖片层(7)和载片(9)通过等离子处理结合在一起。
3.根据权利要求1所述的一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，其特征在于：所述流体混合微通道(2)和流体检测区(5)位于盖片层(7)和载片(9)相结合处的中央位置。
4.根据权利要求1所述的一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，其特征在于：所述第一加液区(1)、第二加液区(8)和液体排液区(4)均为圆柱形孔。
5.根据权利要求1所述的一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，其特征在于：所述第一加液区(1)、第二加液区(8)中流体流量相同，以达到最优流体混合效果。
6.根据权利要求1所述的一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，其特征在于：所述流体混合微通道(2)的通道深度与直角尖角结构顶端距直壁面的距离相同。
7.根据权利要求1所述的一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，其特征在于：所述直角尖角结构的个数为100个。
8.根据权利要求1所述的一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，其特征在于：所述流体混合微通道(2)中相邻的直角尖角结构间距离为160-280μm。
9.根据权利要求1所述的一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，其特征在于：所述入射光纤(3)和导出光纤或微型检测器(6)中所涉及的光纤直径为100μm-200μm。
10.根据权利要求1所述的一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片，其特征在于：所述盖片层(7)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS,所述载片(9)的材料为玻璃或硅。
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