CN107703320B - 全集成多通道多功能微流控分析实验系统 - Google Patents

Abstract

全集成多通道多功能微流控分析实验系统，包括集中分散式计算机控制系统、气压准备与调节模块、多通道气路控制模块、一体化快速液体加载与推进控制模块、图像采集分析模块、磁针式磁珠分选模块和高精度三维运动平台，其特征在于：所述一体化快速液体加载与推进控制模块包括若干气路通道与若干药液储液管，两者一一对应连接；若干药液储液管和对应的若干气路通道集成于一体。本发明型为全计算机控制，高效可靠，新颖先进，消除了实验过程的不确定因素的影响，极大地提高了实验的精确性和成功概率，系从事微流控相关领域的研究、工作人员的重要辅助工具系统。

Description

全集成多通道多功能微流控分析实验系统

技术领域

本发明属于微流体控制实验分析和应用技术领域，特别提出一种全集成多通道多功能微流控分析实验系统。

背景技术

微流控技术作为全新的微观层面的分析技术，日益受到医疗生化工作者的重视普遍重视，目前在医疗、卫生、物理化学、生物制药和基因工程等领域得到广泛应用。以微流控芯片为基础的科学实验涉及芯片设计、制作、实验准备等多个环节，其中实验准备和操作过程因牵涉的子系统众多，准备工作量巨大，实验操作复杂和多种不确定因素相互影响等问题，科研人员往往需将主要精力耗费在低层级、烦琐的重复性工作上，仍然很难保证实验环境的准确性和一致性，往往影响研究结果的正确性。全集成一体化多通道多任务、特别是通用型微流控实验与分析系统一直以来未见报导，也未见有相关专利申请。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，本发明提出了一种全集成多通道多功能微流控分析实验系统，以最新的计算机控制技术为基础，综合当前世界最流行的微流控芯片实验技术，将诸如多通道微量气体精确控制、可控高稳定气源、先进计算机控制、实验数据与结果的无差存储、友好人机界面等子系统进行优化整合制造而成，为微流控科学家们提供了先进、稳定、精确的实验与分析系统，真正实现实验准备、操作的完全自动化，是微流控芯片应用开发领域真正的全自动一体化解决方案。多通道微流控芯片工作站使科研人员能够真正告别繁琐和失误，为快出成果奠定基础。

本发明的目的是提供一种全新的全自动一体化微流控芯片实验与分析工作站系统，其特点是全集成、一体化、多通道、多任务、多功能、通用型，其可适用于绝大多数微流控芯片的实验与分析。

为达到上述目的本发明的技术方案是一种全新的全自动全集成多通道多功能微流控分析实验系统，由集中分散式计算机控制系统、气压准备与调节模块、多通道气路控制模块、一体化快速液体加载与推进控制模块、图像采集分析模块、磁针式磁珠分选模块和高精度三维运动平台等7个部分组成。集中分散式计算机控制系统分别连接气压准备与调节模块、多通道气路控制模块、一体化快速液体加载与推进控制模块、图像采集分析模块、磁针式磁珠分选模块和高精度三维运动平台。全新的全自动一体化微流控芯片实验工作站系统提供了先进、稳定、精确的实验与分析环境，真正实现实验准备、操作的完全自动化，是微流控芯片应用开发领域真正的全自动一体化解决方案。多通道微流控芯片工作站系统使科研人员能够真正告别繁琐和失误，有利于提高实验成功率。

本发明提供一种全新的全自动一体化微流控芯片实验与分析工作站系统，所述集中分散式计算机控制系统由高性能工业控制计算机、大尺寸触摸屏人机接口和下层的多个嵌入式微计算机模块组成，主计算机负责信息采集与存储、图像处理与显示管理、组态软件的运行控制、路径规划等复杂控制算法的实现等任务；下层的各个嵌入微计算机模块经由现场总线与上层主计算机连接进行数据与指令交换，完成其定义功能，实现整体实验系统的功能。本发明完全的计算机集中分散控制系统结构，实现所有功能模块全数字化集成，真正使得微流控系统实验的自动运行。

本发明提供一种全新的全自动一体化微流控芯片实验与分析工作站系统，所述气压准备模块配置压力容器、气压/真空泵和对应的负压/压力传感器，根据来自主计算机的由操作人员设定的真空/压力给定值，采用先进控制算法，控制其快速稳定于该设定值，为实验提供精准的气压源。特别设置的安全阀可以设置不同的压力安全上限，以保证压力准备模块安全运行。

本发明提供一种全新的全自动一体化微流控芯片实验与分析工作站系统，所述多通道气路控制模块由与通道数相等的多个快速电磁阀和嵌入式IO控制模块组成。通过现场总线，智能IO输出控制器根据上位主计算机的动态规划指令，顺序使能其对应的IO端口，驱动电磁阀打开相应气路，设定压力的气体导入药液储液管驱使液体注射入微流控芯片相应通道；结合图像反馈信息控制气压源的施加时间可调节液滴的长度即体积。真正实现微液滴体积和运动速度的反馈控制，在确定的微流控芯片沟道尺寸下，通过控制驱动高压气体的开通时间即可调节液滴的几何长度进而直接调节各种药液液滴的体积，消除了间接测量、控制方法的额外误差。

本发明提供一种全新的全自动一体化微流控芯片实验与分析工作站系统，所述一体化快速流体储存与推进模块系创新设计的高度集成模块组合，其特点是将复杂控制气路、多种药液储液管和微流控芯片通道集成到一个整体，将多路（可以多达72路）参与反应的液体储液管和对应的注射驱动气路，以及微流控芯片的对应通道相连，实现其中任意一路液体可按设定反应逻辑注入微流控芯片；集成于一体的储液管模块、气压源模块和微流控芯片采用快捷机构实现一次按压快速固定，整个气、液路密封连接，实现整个装置的快捷、简易化操作。

本发明提供一种全新的全自动一体化微流控芯片实验与分析工作站系统，所述体式显微镜及摄像机实时捕捉微流控芯片内流体的运动状态，以图像方式记录实验过程，并将所采集的实时图像及相关信息于大屏幕即时显示；主计算机也得以能够根据微液滴的运动信息分析、计算得到其速度、体积（结合微流控通道的几何尺寸）等反馈信息，实现微液滴的闭环控制。本发明完全的模块化系统结构，数字体式显微镜完整记录、清晰显示实验过程，研究人员能够在大尺寸视觉条件下观察液滴的运动过程；实时记录的图像信息更为后实验分析提供数据依据。

本发明提供一种全新的全自动一体化微流控芯片实验与分析工作站系统，所述磁珠分选探针是一个可控电磁铁，由运动控制系统准确定位于微流控芯片上方（或下方）指定位置；电控磁铁根据需要产生强的缝隙或微型环形磁场，形成足以扑捉、拦截磁珠的磁线或磁点，利用磁珠的超磁化现象实现对微液滴中吸附于磁珠上的特定蛋白质的拦截、分选和提取。

本发明提供一种全新的全自动一体化微流控芯片实验与分析工作站系统，所述三维精密运动平台提供高精度X，Y，Z三维定位功能，用以运载体式显微镜和磁针机构精准定位于指定位置，保证磁探针可靠工作。

针对一体化快速液体加载与推进控制模块进行详细说明，其包括若干气压控制通道接头、多通道气路控制模块、一体化快速流体储存与推进模块、微流控芯片夹持结构、模块夹持结构；所述多通道气路控制模块包括若干气路通道、气路控制模块；所述一体化快速流体储存与推进模块包括若干储液管；所述若干气路通道一端与若干气压控制通道接头一一对应连接，所述若干气路通道另一端与若干储液管一一对应连接，所述模块夹持结构将所述多通道气路控制模块和一体化快速流体储存与推进模块夹持在一起，微流控芯片夹持结构将微流控芯片夹持于一体化快速流体储存与推进模块下方。

所述模块夹持结构为快捷凸轮手柄。

所述微流控芯片夹持结构为快捷凸轮手柄带动底端夹紧块的结构。

所述一体化快速流体储存与推进模块配置有快捷凸轮手柄，手柄的螺杆固定于模块下方的可上下移动的夹紧块，掀动手柄至压紧状态，夹紧块被向上提起将置于一体化快速流体储存与推进模块与夹紧块之间的微流控芯片夹紧固定；所述的夹紧块上加工有与微流控芯片宽度一致的凹槽，夹紧操作前将微流控芯片置于凹槽内并向里推靠到一体化快速流体储存与推进模块。即可保证芯片、储液模快上N个引液通道水密连通。

若干气路通道一定模式集成于一个所述多通道气路控制模块，其所有气路通道的一端集中布置于模块的一侧，每个气路通道端点加工有标准螺纹孔，采用快插式或鲁尔插头与来自电磁阀的气体管路相连接；所有气路通道的另一端集中布置于模块的另一侧，每个通道端点加工有凹槽以放置密封圈，方便与储液模块之对应通道气密连接。

所述一体化快速流体储存与推进模块上设置有若干个不同直径的储液管，每个储液管的顶部侧面加工有导气通道，不同容积的储液池可以按照试验中药液消耗量的大小自由分配；储液管通过导气通道与气路通道另一端连接。所有储液管的导气路径均被引至模块的一个侧面，形成导气孔，该侧面导气孔的分布与所述放置密封圈之侧面的气孔分布严格一致，以便两模块严密贴合后所有气体通道实现气密连通。一体化快速流体储存与推进模块之储液管设计为不同容积，实验人员可根据药液消耗自由配置。

所述一体化快速流体储存与推进模块上设置若干个不同直径的储液管，每个储液管的顶部设置堵头，所述堵头与储液管的顶部螺纹连接，对应的储液管利用螺纹堵头可以实现气密封。储液模块之储液管设计有螺纹密封头，实验人员可根据药液消耗量在需要时打开密封头补充药液。开放式设计可以容许彻底清洗重复使用。

所述一体化快速流体储存与推进模块上若干个不同直径的储液管的底部分别设置引液通道，所有储液管的引液通道的出口均被引至模块的底面，该底面引液孔加工有凹槽，凹槽内放置密封圈。

所述多通道气路控制模块上设置有快捷式凸轮手柄，快捷式凸轮手柄的另一端可以快速、准确扣在所述一体化快速流体储存与推进模块上的卡槽内。掀动手柄至压紧状态，籍由密封圈即可令两模块紧密贴合并达到所有控制气路气密连接。凸轮手柄也可以是双联式。模块之间采用卡位配合设计，快捷凸轮手柄实现快速紧固连接，保证了微流控芯片可靠精准密封连接，降低了试验的复杂性和不确定性，提高实验成功几率。

上述的一体化快速液体加载与推进控制模块，控制气路分配、储液装置和微流控芯片的一体化模块式连接方式简化了繁杂的系统连接，省却大量的试验准备工作，极大地提高系统的可靠性，优化了实验过程，进一步提升了实验效率；本发明省却了数十甚至上百套气路、储液瓶、液路附件，系统变得极其简捷、美观，极大地精简了微流控芯片的操作，不但适用于中、大规模芯片，也适用于小规模芯片。

本发明有益效果：控制气路、储液装置和微流控芯片的一体化快捷式模块简化了系统连接工作的同时，极大地提高系统的可靠性，优化了实验过程，进一步提升了实验效率。

附图说明

图1为本发明的组成示意图；

图2为磁隙探针与微流控芯片加载系统示意图；

图3为快捷式多通道微流控芯片加载系统示意图；

图中1、触摸屏人机接口，2、上层主计算机，3、气压准备与调节模块，4、多通道气路控制模块，5、一体化快速液体加载与推进控制模块，6、图像采集分析模块，7、磁针式磁珠分选模块，8、高精度三维运动平台，9、微流控芯片，10、磁珠分选探针，11、探针运动控制系统，12、微流控芯片夹紧块，13、气压控制通道接头，14、第一快捷凸轮手柄，15、储液管保护滑盖，16、储液管盲堵，17、储液管，18、第二密封圈，19、第三密封圈，20、第一密封圈，21、微流控芯片引液孔，22、第四密封圈，23、导气通道，24、引液通道，25、气路通道。

实施方式

一种全新的全自动全集成多通道多功能微流控分析实验系统，由集中分散式计算机控制系统和触摸屏人机接口1、气压准备与调节模块3、多通道气路控制模块4、一体化快速液体加载与推进控制模块5、图像采集分析模块6、磁针式磁珠分选模块7和高精度三维运动平台8等7个模块组成。

所述集中分散式计算机控制系统由高性能工业控制计算机、大尺寸触摸屏人机接口1和下层的多个嵌入式微计算机模块组成，主计算机2负责信息采集与存储、图像处理与显示管理、组态软件的运行控制、路径规划等复杂控制算法的实现等任务；下层的各个嵌入微计算机模块经由现场总线与上层主计算机2连接进行数据与指令交换，完成其定义功能，实现整体实验系统的功能。

所述气压准备模块3配置压力容器、气压/真空泵和对应的负压/压力传感器，根据来自主计算机的由操作人员设定的真空/压力给定值，采用先进控制算法，控制其快速稳定于该设定值，为实验提供精准的气压源。特别设置的安全阀可以设置不同的压力安全上限，以保证压力准备模块安全运行。

所述多通道气路控制模块4由与通道数相等的多个快速电磁阀和嵌入式IO控制模块组成。通过现场总线，智能IO输出控制器根据上位主计算机的动态规划指令，顺序使能其对应的IO端口，驱动电磁阀打开相应气路，设定压力的气体导入药液储液管17驱使液体注射入微流控芯片相应通道；结合图像反馈信息控制气压源的施加时间可调节液滴的长度即体积。

所述一体化快速流体储存与推进模块5系创新设计的高度集成模块组合，其特点是将复杂控制气路、多种药液储液管17和微流控芯片9通道集成到一个整体，将多路（可以多达72路）参与反应的液体储液管17和对应的注射驱动气路，以及微流控芯片9的对应通道相连，实现其中任意一路液体可按设定反应逻辑注入微流控芯片9；集成于一体的储液管模块、气压源模块和微流控芯片采用快捷机构实现一次按压快速固定，整个气、液路密封连接，实现整个装置的快捷、简易化操作。

所述体式显微镜及摄像机实时捕捉微流控芯片内流体的运动状态，以图像方式记录实验过程，并将所采集的实时图像及相关信息于大屏幕即时显示；主计算机也得以能够根据微液滴的运动信息分析、计算得到其速度、体积（结合微流控通道的几何尺寸）等反馈信息，实现微液滴的闭环控制。

本发明提供一种全新的全自动一体化微流控芯片实验与分析工作站系统，所述磁珠分选探针10是一个可控电磁铁，由运动控制系统11准确定位于微流控芯片9上方（或下方）指定位置；电控磁铁根据需要产生强的缝隙或微型环形磁场，形成足以扑捉、拦截磁珠的磁线或磁点，利用磁珠的超磁化现象实现对微液滴中吸附于磁珠上的特定蛋白质的拦截、分选和提取。

所述三维精密运动平台8提供高精度X，Y，Z三维定位功能，用以运载体式显微镜和磁针机构精准定位于指定位置，保证磁探针可靠工作。

本发明中的一体化快速液体加载与推进控制模块5，其包括若干气压控制通道接头13、多通道气路控制模块、一体化快速流体储存与推进模块、微流控芯片夹持结构、模块夹持结构；所述多通道气路控制模块包括若干气路通道、气路控制模块；所述一体化快速流体储存与推进模块包括若干储液管17；所述若干气路通道一端与若干气压控制通道接头13一一对应连接，所述若干气路通道另一端与若干储液管17一一对应连接，所述模块夹持结构将所述多通道气路控制模块和一体化快速流体储存与推进模块夹持在一起，微流控芯片夹持结构将微流控芯片9夹持于一体化快速流体储存与推进模块下方。

所述模块夹持结构为第一快捷凸轮手柄14。

所述微流控芯片夹持结构为第二快捷凸轮手柄带动底端夹紧块12的结构。

所述一体化快速流体储存与推进模块配置有第一快捷凸轮手柄14，手柄14的螺杆固定于模块下方的可上下移动的夹紧块12，掀动手柄至压紧状态，夹紧块12被向上提起将置于一体化快速流体储存与推进模块与夹紧块之间的微流控芯片9夹紧固定；所述的夹紧块12上加工有与微流控芯片9宽度一致的凹槽，夹紧操作前将微流控芯片9置于凹槽内并向里推靠到一体化快速流体储存与推进模块。即可保证芯片、储液模快上N个引液通道水密连通。

若干气路通道一定模式集成于一个所述多通道气路控制模块，其所有气路通道的一端集中布置于模块的一侧，每个气路通道端点加工有标准螺纹孔，采用快插式或鲁尔插头与来自电磁阀的气体管路相连接；所有气路通道的另一端集中布置于模块的另一侧，每个通道端点加工有凹槽以放置第一密封圈20，方便与储液模块之对应通道气密连接。

所述一体化快速流体储存与推进模块上设置有若干个不同直径的储液管17，每个储液管17的顶部侧面加工有导气通道23，不同容积的储液池可以按照试验中药液消耗量的大小自由分配；储液管17通过导气通道23与气路通道另一端连接。所有储液管17的导气通道23均被引至模块的一个侧面，形成导气孔，该侧面导气孔的分布与所述放置第二密封圈18之侧面的气孔分布严格一致，以便两模块严密贴合后所有气体通道实现气密连通。一体化快速流体储存与推进模块之储液管设计为不同容积，实验人员可根据药液消耗自由配置。

所述一体化快速流体储存与推进模块上设置若干个不同直径的储液管17，每个储液管17的顶部设置堵头，所述堵头与储液管17的顶部螺纹连接，对应的储液管利用螺纹堵头可以实现气密封。储液模块之储液管设计有螺纹密封头，实验人员可根据药液消耗量在需要时打开密封头补充药液。开放式设计可以容许彻底清洗重复使用。

所述一体化快速流体储存与推进模块上若干个不同直径的储液管17的底部分别设置引液通道24，所有储液管17的引液通道24的出口均被引至模块的底面，该底面引液孔加工有凹槽，凹槽内放置第四密封圈22。

所述多通道气路控制模块上设置有第一快捷式凸轮手柄14，第一快捷式凸轮手柄14的另一端可以快速、准确扣在所述一体化快速流体储存与推进模块上的卡槽内。掀动手柄至压紧状态，籍由第二密封圈18即可令两模块紧密贴合并达到所有控制气路气密连接。第一快捷式凸轮手柄14也可以是双联式。模块之间采用卡位配合设计，快捷凸轮手柄实现快速紧固连接，保证了微流控芯片可靠精准密封连接，降低了试验的复杂性和不确定性，提高实验成功几率。

一体化快速液体加载与推进控制模块，通道数N可以灵活变化，只需相应调整装置的气、液通道排布和尺寸使所有通道安全隔离即可。作为示例，如图1、图2所述，出一个24通道的立体和平面图加以说明。其中图2出一路完整的气、液通道的配合关系。其包括控制气路模块和药液储存模块，其结合密封圈、垫片，通过第一快捷凸轮手柄将两个模块夹紧，实现24个气路的快速气密连接；所述的药液储存模块通过第二快捷凸轮手柄带动底端夹紧块12将含有M个通道的微流控芯片夹9紧进而实现水密连接。

对于含有24 通道的控制气路分配模块1中任意一条通道，来自电磁阀的气路管线经由气压控制通道接头与24通道控制气路模块相连，第一密封圈12置于两者之间实现气密封；按下第一快捷凸轮手柄14使得药液储存模块与控制气路分配模块贴合并锁紧，置于气路分配模块和药液储存模块之间的第二密封圈18令二者的对应气路实现气密连接；该气路被引入药液储存模块的储液管的上方靠近储液管盲堵16的位置，药液的添加应限制液位低于该进气口下面一定距离。

储液管17的底部设有出液口，其位置与位于其下方的微流控芯片9的对应通道之引液口严格对准，并经由第四密封圈22实现水密连接。

微流控芯片夹紧块12上平面设有定位凹槽，微流控芯片9的引液口区域之几何尺寸与严格一致。

松开第二快捷凸轮手柄，将微流控芯片9准确置于夹紧块12的凹槽内，前推微流控芯片9使之顶靠到气路分配模块的对应立面；然后压紧第二快捷凸轮手柄至锁紧位置，即可实现微流控芯片9的所有引液通道与储液模快水密连接。

本发明设计为直立安装，药液储存模块中的储液管17垂直于水平底面，保证液体不会流入进气通道。开启电磁阀后，储液管内气压瞬时达到气源压力，驱动液体向下进入微流控芯片3之引液口；关闭电磁阀时储液管内气压恢复常压，药液失去动力停止进入芯片，进入芯片的液体形成一个微液滴。按特定逻辑控制相应电磁阀的开、关，即可在芯片内形成微液滴的操纵。

申请人声明，本发明通过上述实例来描述本发明的特征以及方法，但本发明并不局限于上述详细特征以及详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细特征以及详细方法才能实施。对本发明的任何改进，对本发明选用组分的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (6)

1.全集成多通道多功能微流控分析实验系统，包括集中分散式计算机控制系统、气压准备与调节模块、多通道气路控制模块、一体化快速液体加载与推进控制模块、图像采集分析模块、磁针式磁珠分选模块和高精度三维运动平台，其特征在于：所述一体化快速液体加载与推进控制模块包括若干药液储液管及若干加工于所述药液储液管侧面的导气通道，所述导气通道均被引至所述一体化快速液体加载与推进控制模块的一个侧面，形成有导气孔，若干药液储液管和对应的若干导气通道集成于一体；多通道气路控制模块包括若干气路通道；一体化快速液体加载与推进控制模块与所述多通道气路控制模块通过模块夹持装置固定在一起，以使所述气路通道与导气孔一一对应导通；所述药液储液管末端与微流控芯片的对应通道相连；

集成于一体的一体化快速液体加载与推进控制模块、多通道气路控制模块和微流控芯片采用快捷机构实现一次按压快速固定，整个气、液路密封连接；

所述图像采集分析模块为体式显微镜，体式显微镜用于捕捉微流控芯片内流体的运动状态，记录实验过程，计算微液滴的运动并得到其速度、体积的反馈信息；

所述高精度三维运动平台提供高精度三维位置定位功能，用于运载所述体式显微镜和磁针式磁珠分选模块精准定位于指定位置。

2.根据权利要求1所述的全集成多通道多功能微流控分析实验系统，其特征在于：所述若干药液储液管至多为72路药液储液管。

3.根据权利要求1所述的全集成多通道多功能微流控分析实验系统，其特征在于：所述集中分散式计算机控制系统包括监控上层的主计算机、触摸屏人机接口和若干下层的嵌入式微计算机模块，主计算机与各嵌入式微计算机模块经由现场总线连接进行数据与指令交换，所述触摸屏人机接口用于完成操作人员与系统的信息、指令交流和实时显微图像显示。

4.根据权利要求1所述的全集成多通道多功能微流控分析实验系统，其特征在于：所述磁针式磁珠分选模块包括磁珠分选探针和探针运动控制系统，磁珠分选探针由电控磁铁根据需要产生强磁场缝隙或微型磁环，并由探针运动控制系统抵达位于微流控芯片上方或下方的指定位置，形成足以捕捉、拦截磁珠的磁线或磁点，实现对微液滴中特定蛋白质的分选、提取。

5.根据权利要求1所述的全集成多通道多功能微流控分析实验系统，其特征在于：所述气压准备与调节模块包括压力容器、气压/真空泵和压力传感器，根据来自主计算机的由操作人员设定的压力/真空期望值控制气压源快速稳定于该设定值，为实验提供气压源。

6.根据权利要求1所述的全集成多通道多功能微流控分析实验系统，其特征在于：所述多通道气路控制模块包括若干快速电磁阀和嵌入式I/O控制模块，根据指令使嵌入式I/O控制模块中对应的I/O口驱动相应快速电磁阀打开，设定压力的气体导入药液储液管驱使液体注射入微流控芯片相应通道；结合反馈信息控制气压源的施加时间可调节液滴的长度。