CN106994369A - 通量可调控的微流控集成器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种处理通量可调控的微米级粒子高通量浓缩微流控器件，器件总共分为三个模块。分流模块根据流量要求将样品均等分配到各功能模块；每一层功能模块由模块上板和下板键合而成，样品从每层入口流入，通过螺旋流道处理后，目标液和废液分别由两个出口导出。整体器件通过乐高模型的上下键合机制实现多个功能模块的垂直堆垛，各层的目标液和废液出口位于乐高凸起圆柱上，并上下垂直贯通；最下层功能模块下再堆叠一个底层集流模块，将目标液及废液分别汇总流出。本发明微流道结构通过层数可调的乐高模块来实现不同处理通量要求下的样品快速浓缩，突破单个微流控芯片中处理通量固定的观念，利用微流体惯性效应来实现微米级生物粒子的高通量、连续流浓缩。

Description

通量可调控的微流控集成器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及微流控集成器件领域，尤其涉及一种基于乐高模型的通量可调的微米级粒子高通量浓缩的微流控器件及其制作方法。

背景技术

微流控芯片技术是把生物、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。它有很多优点：所需样本溶液小，分析效率高，易于封装等，可以同时进行多个样本的分析，并且只需要几分钟甚至是几秒钟，自动实现样品的样本收集、反应、过滤、分选和检测等基本流程。微粒分离技术在医疗诊断、食品安全、生化分析和环境检测等领域有着广泛应用。

但是国内微流控产品刚处于起步阶段，技术还不够成熟，产品不够完善。为了达到较高的控制精度，微流控流道尺寸一般为几十到几百微米，并且由于体积的限制，单个芯片的处理通量较小，高加工精度带来的成本问题以及低通量带来的处理速度问题成为了微流控芯片商业化推广的瓶颈。同时，由于针对不同容量的样本，所需要的流量会有所不同，而单个芯片显然无法处理各种大样本容量的处理。因此，在保证一定操控精度的前提下，解决不同样本容量所需要的处理流量问题，设计一个通量可控的微流控集成器件具有极其重要的研究意义。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种基于乐高模型的处理通量可调控的微米级粒子高通量浓缩的微流控器件及其制作方法，通过使用多个乐高模块垂直堆垛，同时进行样品的浓缩，来实现高通量的处理要求和处理通量可自由调控的目的，为达此目的，本发明通量可调控的微流控集成器件，包括分流模块、至少两层功能模块和一个底层集流模块，所述功能模块包括功能模块上板和功能模块下板，所述功能模块上板堆垛在功能模块下板上方，各层功能模块按上下顺序堆垛，最下部的功能模块的底层堆垛一层底层集流模块，所述分流模块包括一个分流模块样品入口和两个分流模块样品出口，所述两个分流模块样品出口分别连接对应功能模块的功能模块样品入口，所述分流模块在功能模块一侧从侧面接入功能模块，每层功能模块设有功能模块样品入口、主浓缩流道、4个目标液出口和4个废液出口，所述主浓缩流道在对应功能模块内，所述功能模块样品入口在对应功能模块一侧，所述4个目标液出口和4个废液出口在对应功能模块下方，所述主浓缩流道包括一个分流流道和四个螺旋流道，所述分流流道分成四股等流量流体分别与四个螺旋流道连通，所述功能模块样品入口和分流流道连通，所述分岔流道的端部分别与目标液出口、废液出口连通，每层功能模块的4个目标液出口和4个废液出口分别与下一层功能模块的4个目标液入口和4个废液入口堆叠键合，所述底层集流模块下方有总目标液出口和总废液出口，最下层功能模块的4个目标液入口经过底层集流模块的管道后接总目标液出口，最下层功能模块的4个废液入口经过底层集流模块的管道后接总废液出口。

本发明的进一步改进，所述螺旋流道的横截面为低深宽比矩形。

本发明的进一步改进，所述每层分选基片的螺旋流道的横截面尺寸和该层最大粒子的尺寸关系为a _p/L _c≥0.07，其中a _p为该层最大粒子的直径；L _c为螺旋流道的特征尺寸。

本发明的进一步改进，所述每层功能模块上端面有12*12个凸起圆柱，下端面有12*12个圆柱孔，各层之间通过凸起圆柱和圆柱孔进行键。

本发明的进一步改进，所述功能模块上板和功能模块下板之间通过定位孔和定位销进行定位，通过卡扣方式进行紧密连接。

本发明的进一步改进，所述分流模块、功能模块、底层集流模块材质为半透明树脂。

本发明一项所述的通量可调控的微流控集成器件的制作方法，包括以下步骤

（1）对每层功能模块的模块上板的各个微流道通过微加工技术制作；

（2）通过卡口固定和键合技术实现每层功能模块上下板的堆垛和封装；

（3）通过键合技术实现每层功能模块之间的堆垛和封装；

（4）最下层功能模块的目标液出口和废液出口与底层集流模块的目标液入口和废液入口相键合；

（5）将分流模块和封装后的多层功能模块键合封装。

本发明通量可调控的微流控集成器件及其制作方法，与现有技术相比有益效果如下：本发明的微流道结构通过使用螺旋流道，加快粒子的聚焦速度并使结构更加紧凑，巧妙利用微流体惯性效应来实现微米级生物粒子的高通量、连续流浓缩，该技术仅需控制流道的横截面尺寸和流道总体长度，具有结构简单、无需借助外场、通量高、芯片制作成本低等优点；同时，本发明通过使用乐高模型的堆叠方式，轻松方便上下层功能模块对齐并能够紧密连接，采用并联的方式使浓缩的速度成倍提高；克服了常规浓缩技术只能通过固定数量的流道芯片低通量浓缩样本的局限；与现有平面多浓缩单元集成技术相比，具有易集成微型化等优点；本发明提出的器件和制作方法可广泛用于临床诊断、生物学研究、生化分析、环境监控等领域的检测对象高通量浓缩。

附图说明

图1是本发明功能模块的模块上板的仰视图；

图2是本发明功能模块的模块下板的俯视图；

图3是本发明的单层功能模块三维外观模型图；

图4是本发明的单层功能模块内部透视图；

图5是本发明单个分流模块的三维外观模型；

图6是本发明底层集流模块的俯视图；

图7是一个两层功能模块的整体封装主视图；

图8是一个16层功能模块的整体封装主视图。

图示说明：

1、功能模块上板；2、功能模块下板；3、底层集流模块；4、分流模块；5、功能模块样品入口；6、分流流道；7、螺旋流道；8、分岔流道；9、废液出口一；10、目标液出口一；11、定位孔；12、卡槽；13、废液出口二；14、目标液出口二；15、定位销；16、卡口；17、废液入口一；18、目标液入口一；19、分流模块样品入口；20、分流模块样品出口；21、目标液入口二；22、废液入口二；23、总目标液出口；24、总废液出口。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种基于乐高模型的处理通量可调控的微米级粒子高通量浓缩的微流控器件及其制作方法，通过使用多个乐高模块垂直堆垛，同时进行样品的浓缩，来实现高通量的处理要求和处理通量可自由调控的目的。

本实施例的分流模块和底层集流模块以半透明树脂作为原材料用3D打印技术制作出来。功能模块由于螺旋流道狭小，直接打印精度可能不够，另外容易变形堵塞，需要通过微加工技术实现。功能模块中微流控芯片主体是四个宽500μm，高100μm，总长约16.5cm长的螺旋流道。由于螺旋流道的最小单位达到0.1mm，接近3D打印的最高精度0.05mm，所以打印时暂时不打印螺旋流道，螺旋流道通过之后在实验室用无掩膜光刻技术进行精密刻画后成型。因此功能模块上下板分开打印，以更容易实验的“槽”的模式代替“孔”的加工，再将两片用键合的方式来解决。即将整个流道分为两个部分，一个部分打印后刻画出流道槽，另一部分作为端盖，将两片进行贴合形成完整流道。但同时，使用这个方法会带来一个技术难点，就是如何将两片流道有效的实施密封以实现无漏液。我们采用凹槽式流道+涂胶密封的方法来实现，较为简单且密封性能较好。通过在功能模块下板上涂一层均匀的医用胶，待胶体半固化时将上下板粘合，最后通入去离子水去掉流道中的残留胶。

在每个模块单独制作完毕后，根据需要的处理通量选择适当数量的功能模块，将其入口对向同一个方向，然后将上下每两块之间垂直堆垛。由于有乐高模型的特殊键合机制，对齐每两块功能模块之间的插孔十分方便。当功能模块依此堆垛完成后，最下层再以同样的方法堆垛一层底层集流模块，作为最后目标液和废液的出口。功能模块入处每两个孔间接插上一个分流模块，通过鲁尔卡口键合。然后再次在分流模块入口处，同样每两个分流模块入口接一个更大的分流模块，以此类推。直到最后只有一个总样品入口。器件的搭建即完毕。

本实施例所述两层结构的器件可用于浓缩或分选两种不同的粒子，可广泛用于从血液、唾液或尿液等种类多样的体液中快速准确的提取出感兴趣的目标检测对象、对盐藻细胞的分选聚焦以及浓缩等实际应用。

本实施例的器件包括分流模块4、两层功能模块和底层集流模块，功能模块上板1、功能模块下板2和底层集流模块3在垂直空间上顺序堆垛。

如图1所示，功能模块上板1上设有功能模块样品入口5、分流流道6、螺旋流道7、分岔流道8、废液出口一9、目标液出口一10、定位孔11和卡槽12，本实施例中主浓缩流道包括分流流道6和螺旋流道7，样品入口5和分流流道6连通，分流流道6将流体均等为四份进入到四个螺旋流道7，经过分岔流道8的端部分别与废液出口一9和目标液出口一10连通，功能模块上板有三个定位孔11，另有六个卡槽12。

如图2所示，功能模块下板分为废液出口二13、目标液出口二14、定位销15和卡口16。下板主要作用是与上板的流道凹槽形成一个封闭的流道，流体可以在上下板之间流动，流体在流道中浓缩后，通过废液出口二13和目标液出口二14漏入下一层的废液入口和目标液入口。功能模块下板也有三个定位销15，另有六个卡口16。

如图3所示，将功能模块上板下板通过固定孔和卡口定位并紧密连接之后，便可以轻松实现一层功能模块的组装。图中功能模块上板1与功能模块下板2紧密堆垛并固定。样品通过功能模块样品入口5流入功能模块进行处理，同时上层功能模块处理后的目标液和废液分别通过废液入口一17和目标液入口一18进入本层功能模块并一起通过本层废液出口一9和目标液出口一10排出。

如图4所示，单个分流模块的功能是将进入分流模块的样品从分流模块样品入口19进入，通过内部流道实现均等分配，再从两个分流模块样品出口20流出。

如图5所示，底层集流模块通过四个目标液入口二21和四个废液入口二22收集上层功能模块汇集的目标液和废液，并通过流道汇集起来，分别通过总目标液出口23和总废液出口24流出收集。

如图6所示，为一个使用两层集流模块并联工作的整体封装的示意图，图中样品可直接用针筒通过鲁尔卡入口，即分流模块样品入口19注入仪器中，通过总目标液出口23的鲁尔卡出口，收集浓缩后的样品，而废液从总废液出口24流出收集。

如图7所示，为一个使用16层集流模块并联工作的整体封装的示意图，图中分流模块样品入口19经过多个不同大小的分流模块塑料接口，将流量均等分配入16个功能模块，通过总目标液出口23的鲁尔卡出口，收集浓缩后的样品，而废液从总废液出口24流出收集。同理，对于2、4、8层乃至32、64……层功能模块同时工作，也可以轻松实现。

本实施例中提出的多层结构分选器件不需要复杂结构和耗能外场辅助，具有结构简单、成本低、效率高等优点，可广泛用于环境监控、临床诊断治疗、生物学及生化分析等研究应用中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (7)

1.通量可调控的微流控集成器件，包括分流模块（4）、至少两层功能模块和一个底层集流模块（3），其特征在于：所述功能模块包括功能模块上板（1）和功能模块下板（2），所述功能模块上板（1）堆垛在功能模块下板（2）上方，各层功能模块按上下顺序堆垛，最下部的功能模块的底层堆垛一层底层集流模块（3），所述分流模块（4）包括一个分流模块样品入口（19）和两个分流模块样品出口（20），所述两个分流模块样品出口（20）分别连接对应功能模块的功能模块样品入口（5），所述分流模块（4）在功能模块一侧从侧面接入功能模块，每层功能模块设有功能模块样品入口（5）、主浓缩流道、4个目标液出口和4个废液出口，所述主浓缩流道在对应功能模块内，所述功能模块样品入口（5）在对应功能模块一侧，所述4个目标液出口和4个废液出口在对应功能模块下方，所述主浓缩流道包括一个分流流道（6）和四个螺旋流道（7），所述分流流道（6）分成四股等流量流体分别与四个螺旋流道（7）连通，所述功能模块样品入口（5）和分流流道（6）连通，所述分岔流道（8）的端部分别与目标液出口、废液出口连通，每层功能模块的4个目标液出口和4个废液出口分别与下一层功能模块的4个目标液入口和4个废液入口堆叠键合，所述底层集流模块（3）下方有总目标液出口（23）和总废液出口（24），最下层功能模块的4个目标液入口经过底层集流模块（3）的管道后接总目标液出口（23），最下层功能模块的4个废液入口经过底层集流模块（3）的管道后接总废液出口（24）。

2.根据权利要求1所述的通量可调控的微流控集成器件，其特征在于：所述螺旋流道（7）的横截面为低深宽比矩形。

3.根据权利要求1所述的通量可调控的微流控集成器件，其特征在于：所述每层分选基片的螺旋流道的横截面尺寸和该层最大粒子的尺寸关系为a _p/L _c≥0.07，其中a _p为该层最大粒子的直径；L _c为螺旋流道的特征尺寸。

4.根据权利要求1所述的通量可调控的微流控集成器件，其特征在于：所述每层功能模块上端面有12*12个凸起圆柱，下端面有12*12个圆柱孔，各层之间通过凸起圆柱和圆柱孔进行键。

5.根据权利要求1所述的通量可调控的微流控集成器件，其特征在于：所述功能模块上板（1）和功能模块下板（2）之间通过定位孔（11）和定位销（15）进行定位，通过卡扣方式进行紧密连接。

6.根据权利要求1所述的通量可调控的微流控集成器件，其特征在于：所述分流模块（4）、功能模块、底层集流模块材质（3）为半透明树脂。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的通量可调控的微流控集成器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对每层功能模块的模块上板的各个微流道通过微加工技术制作；

（2）通过卡口固定和键合技术实现每层功能模块上下板的堆垛和封装；

（3）通过键合技术实现每层功能模块之间的堆垛和封装；

（4）最下层功能模块的目标液出口和废液出口与底层集流模块的目标液入口和废液入口相键合；

（5）将分流模块和封装后的多层功能模块键合封装。