CN106513063A - 可实现顺序反应的离心式芯片及其混合方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种可实现顺序反应的离心式芯片及其混合方法，该芯片包括芯片本体、以及形成于芯片本体上的至少一个微通道单元，所述微通道单元包括第一储液池、第二储液池、第三储液池、混合通道、定量池和检测池，所述混合通道、定量池和检测池沿远离离心轴线的方向依次连通，所述第一储液池和第二储液池分别与所述混合通道连通，且所述第一储液池和第二储液池位于所述混合通道和离心轴线之间，所述检测池与第三储液池之间连通，所述检测池与第三储液池之间设有第一微阀，所述第三储液池相对于所述检测池更接近所述离心轴线，所述检测池与定量池之间设有第二微阀。本发明离心式芯片，可实现顺序反应，成本低、控制方便。

Description

可实现顺序反应的离心式芯片及其混合方法
技术领域
本申请属于微流控技术领域，特别是涉及一种可实现顺序反应进行高通量检测的离心式芯片及其混合检测方法。
背景技术
微流控芯片技术是将样本的预处理、混合、反应和检测等基本功能集成到一个十几平方厘米的芯片上，以代替传统的实验室工作。微流控芯片试剂消耗量少，降低了试样成本，减少了环境污染，且操作简单，适合普及。
其中微流控技术的一个难题是通道中的流体力。由于通道尺寸减小，流体的流动阻力增加，需要更大的推力。可以采用微泵，但是体积小且功能适合的微泵价格昂贵；也可以使用注射泵和恒压泵，但是这必然会造成试剂的浪费，不适用于微量进样，因此失去了微流控技术的优越性。离心式微流控系统将分析的预处理、分离及反应集合在一张CD大小的芯片上，以离心力和毛细力为液体驱动力，与其他微流控驱动方式相比它具有加工方便，驱动流体范围广、流体流动无脉冲以及易于进行高通量分析等优势。
对于离心式芯片，实现两种以上样品的进样和多次顺序反应存在一定的困难。一般情况下进样采用试剂预埋的方式，流体的顺序反应采用微阀来控制，常用微阀主要分为主动微阀和被动微阀，主动微阀具有活动部件，可靠性高，但是不便于集成。被动微阀主要依靠材料的表面性质、被操作液体的物理性质以及微通道结构等来实现流动的截止，但是多数应用的虹吸阀需要对芯片进行亲水处理，增加了操作难度。其中通过改变微通道的结构具有操作简单，加工方便等优点，可广泛在离心式芯片上进行推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、控制方便的可实现顺序反应的离心式芯片及其混合方法，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开一种可实现顺序反应的离心式芯片，包括芯片本体、以及形成于芯片本体上的至少一个微通道单元，所述微通道单元包括第一储液池、第二储液池、第三储液池、混合通道、定量池和检测池，所述混合通道、定量池和检测池沿远离离心轴线的方向依次连通，所述第一储液池和第二储液池分别与所述混合通道连通，且所述第一储液池和第二储液池位于所述混合通道和离心轴线之间，所述检测池与第三储液池之间连通，所述检测池与第三储液池之间设有第一微阀，所述第三储液池相对于所述检测池更接近所述离心轴线，所述检测池与定量池之间设有第二微阀。
优选的，在上述的可实现顺序反应的离心式芯片中，所述微通道单元还包括残液池，该残液池通过减速气压通道与所述第二储液池连通，所述残液池相对于所述第二储液池远离所述离心轴线。
优选的，在上述的可实现顺序反应的离心式芯片中，所述残液池和定量池与所述离心轴线之间的距离相同。
优选的，在上述的可实现顺序反应的离心式芯片中，所述微通道单元还包括与所述检测池连通的缓冲池，该缓冲池相对于所述检测池更接近于所述离心轴线。
优选的，在上述的可实现顺序反应的离心式芯片中，所述缓冲池与一气压平衡通道连通，该气压平衡通道延伸于所述离心轴线和缓冲池之间。
优选的，在上述的可实现顺序反应的离心式芯片中，所述第一储液池、第二储液池和第三储液池与所述离心轴线之间的距离相同。
优选的，在上述的可实现顺序反应的离心式芯片中，所述混合通道沿曲线方向延伸。
优选的，在上述的可实现顺序反应的离心式芯片中，所述芯片本体包括上下叠加的第一芯片层和第二芯片层，所述微通道单元开设于所述第一芯片层的下表面。
相应的，本申请还公开了一种可实现顺序反应的离心式芯片的混合方法，包括：
s1、分别于第一储液池、第二储液池、第三储液池注入液体；
s2、在第一转速下对离心式芯片进行离心，该第一转速满足：第一储液池和第二储液池中的溶液通过混合通道进入定量池，并被第二微阀阻挡进入检测池；同时第三储液池中液体被第一微阀阻挡进入检测池；
s3、提高离心速度至第二转速，该第二转速满足：定量池中混合溶液突破第二微阀进入检测池，同时第三储液池中液体突破第一微阀进入检测池。
优选的，在上述的可实现顺序反应的离心式芯片的混合方法中，所述步骤s2中，第一储液池和第二储液池中多余体积溶液进入残液池；所述步骤s3中，检测池中多余溶液进入缓冲池。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明利用盘片上的沟道设计和电机转速控制相结合实现，没有增加外部设备，相比直板式微流控芯片降低了设备成本。在运行过程中只是控制芯片的角速度，操作简单，与传统离心式微流控系统完全兼容。在控制过程中可以选择任何时刻进入下一步反应过程，时间控制自由，操作方便。另外避免了热源，生化兼容性好。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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讲，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他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中离心式芯片的结构示意图；
图2所示为本发明具体实施例中微通道单元的放大示意图；
图3中(a)和(b)所示为本发明具体实施例中微阀的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1和图2所示，可实现顺序反应的离心式芯片，包括芯片本体1、以及形成于芯片本体上的至少一个微通道单元2，微通道单元2包括第一储液池201、第二储液池202、第三储液池203、混合通道204、定量池205和检测池206，混合通道204、定量池205和检测池206沿远离离心轴线(本案中为离心固定孔11)的方向依次连通，第一储液池201和第二储液池202分别与混合通道204连通，且第一储液池201和第二储液池202位于混合通道204和离心轴线之间，检测池206与第三储液池203之间连通，检测池206与第三储液池203之间设有第一微阀207，第三储液池203相对于检测池206更接近离心轴线，检测池206与定量池205之间设有第二微阀208。
第一微阀和第二微阀(扩张阀)的工作原理如图3所示，其中，Pc是溶液在微通道中的离心力，Ps是溶液的毛细力。当Pc＞Ps时，阀门被突破。在一优选的实施例中，芯片本体为圆形，其中部开设有与离心机固定的离心固定孔，微通道单元设置5个，该5个单元沿离心固定孔环形阵列分布。
在其他实施例中，微通道单元数量可以根据实际需要设计，另外，芯片也可以设置成扇形或其他形状，其也可以采用粘贴、阻挡等方式与离心机固定。
进一步地，微通道单元2还包括残液池209，该残液池209通过减速气压通道210与第二储液池202连通，残液池209相对于第二储液池202远离离心轴线。
定量池起到了精确定量作用，定量池与残液池之间连通，且连通位置靠近定量池和残液池靠近离心轴线的一端，超出定量池的混合溶液可以进入残夜池。
优选的，残液池209和定量池205与离心轴线之间的距离相同。
进一步地，微通道单元2还包括与检测池206连通的缓冲池211，该缓冲池211相对于检测池206更接近于离心轴线。缓冲池211与一气压平衡通道212连通，该气压平衡通道212延伸于离心轴线和缓冲池211之间。且气压平衡通道的末端开口与大气连通。
该技术方案中，通过气压平衡通道与大气相连接，溶液离心进入检测池过程中，压缩检测池中空气，通过气压平衡通道，空气排入大气，明显降低了离心机的转速，降低了检测定位难度，保证了溶液的顺利注入。
该技术方案中，通过缓冲池保证溶液在检测池中充满且避免了气泡产生，影响检测结果。
优选的，第一储液池201、第二储液池202和第三储液池203与离心轴线之间的距离相同。
优选的，混合通道204沿曲线方向延伸。
在另一技术方案中，混合通道内还可以阵列分布有挡块，以实现加速混合作用。
该技术方案中，通过混合通道的混合反应，可以提高混合反应效率。
芯片本体1包括上下叠加的第一芯片层和第二芯片层，微通道单元开设于第一芯片层的下表面。
优选的，第一芯片层和第二芯片层的材质为PMMA。
该技术方案中，所有的微通道和微槽以及进样孔集中在第一芯片层，第二芯片层只有离心固定孔，上下两个PMMA板可以采用热压、胶粘等方式键合在一起。进样槽的体积可以根据实际情况进行设计，“S”形微混合通道和减速气压管道的尺寸为500μm～800μm(w)×500μm～800μm(d)，气压平衡管道的尺寸为300μm～500μm(w)×300μm～500μm(d)，第一微阀和第二微阀的管道的尺寸为200μm～300μm(w)×40～50μm(d)，第一微阀和第二微阀的中心的直径为1～5mm。
工作时，初始状态下，液体通过移液枪被注入到三个储液池中。将芯片通过离心固定孔固定在离心机转轴上，打开离心机，设计转速。在ω1＝770r/min转速下，第一储液池和第二储液池中的溶液通过“S”形微混合通道进入定量池，多余体积溶液进入残液池，此时第三储液池中的溶液仍存在于原储液池；提高离心机的转速，在ω2＝2600r/min转速下，定量池中的混合溶液与第三储液池中的溶液同时进入检测池，同时多余的溶液进入缓冲池，最终对检测池中溶液进行相关光学检测。
本案的工作原理：初始状态下，液体被注入到原储液池，然后芯片加速，在该过程中液体在离心力的驱动下通过“S”形微混合通道，提高混合反应效率，进入外部定量池，多余混合液进入旁边残液池。与残液池相连接有减速气压管道，该管道将残液池和储液池直接相连，起到平衡气压的作用，大大降低了离心机的转速。减速气压管道和微阀对离心机转速的控制起到了决定性作用。之后芯片加速到一定角速度时，加速度产生的离心力作用突破微阀阻力，目标溶液进入检测池。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种可实现顺序反应的离心式芯片，其特征在于，包括芯片本体、以及形成于芯片本体上的至少一个微通道单元，所述微通道单元包括第一储液池、第二储液池、第三储液池、混合通道、定量池和检测池，所述混合通道、定量池和检测池沿远离离心轴线的方向依次连通，所述第一储液池和第二储液池分别与所述混合通道连通，且所述第一储液池和第二储液池位于所述混合通道和离心轴线之间，所述检测池与第三储液池之间连通，所述检测池与第三储液池之间设有第一微阀，所述第三储液池相对于所述检测池更接近所述离心轴线，所述检测池与定量池之间设有第二微阀。
2.根据权利要求1所述的可实现顺序反应的离心式芯片，其特征在于：所述微通道单元还包括残液池，该残液池通过减速气压通道与所述第二储液池连通，所述残液池相对于所述第二储液池远离所述离心轴线。
3.根据权利要求2所述的可实现顺序反应的离心式芯片，其特征在于：所述残液池和定量池与所述离心轴线之间的距离相同。
4.根据权利要求1所述的可实现顺序反应的离心式芯片，其特征在于：所述微通道单元还包括与所述检测池连通的缓冲池，该缓冲池相对于所述检测池更接近于所述离心轴线。
5.根据权利要求4所述的可实现顺序反应的离心式芯片，其特征在于：所述缓冲池与一气压平衡通道连通，该气压平衡通道延伸于所述离心轴线和缓冲池之间。
6.根据权利要求1所述的可实现顺序反应的离心式芯片，其特征在于：所述第一储液池、第二储液池和第三储液池与所述离心轴线之间的距离相同。
7.根据权利要求1所述的可实现顺序反应的离心式芯片，其特征在于：所述混合通道沿曲线方向延伸。
8.根据权利要求1所述的可实现顺序反应的离心式芯片，其特征在于：所述芯片本体包括上下叠加的第一芯片层和第二芯片层，所述微通道单元开设于所述第一芯片层的下表面。
9.权利要求1至8任一所述的可实现顺序反应的离心式芯片的混合方法，其特征在于，包括：
s1、分别于第一储液池、第二储液池、第三储液池注入液体；
s2、在第一转速下对离心式芯片进行离心，该第一转速满足：第一储液池和第二储液池中的溶液通过混合通道进入定量池，并被第二微阀阻挡进入检测池；同时第三储液池中液体被第一微阀阻挡进入检测池；
s3、提高离心速度至第二转速，该第二转速满足：定量池中混合溶液突破第二微阀进入检测池，同时第三储液池中液体突破第一微阀进入检测池。
10.根据权利要求10所述的可实现顺序反应的离心式芯片的混合方法，其特征在于：所述步骤s2中，第一储液池和第二储液池中多余体积溶液进入残液池；所述步骤s3中，检测池中多余溶液进入缓冲池。
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