CN108421566B - 一种纸基微流控芯片阵列系统及数字化并行控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纸基微流控芯片阵列系统及数字化并行控制方法，包括三维纸基微流控芯片、单片机、多通道微量分液泵、电磁铁驱动阵列区以及检测相机。采用本发明的系统及方法，首次关联了纸基芯片上微流体流动控制与数值代码，极大提高了纸基芯片并行化、自动化处理能力。

Description

一种纸基微流控芯片阵列系统及数字化并行控制方法
技术领域
本发明涉及纸基微流控芯片控制领域，特别是一种纸基微流控芯片阵列系统及数字化并行控制方法。
背景技术
纸基微流控芯片（Paper-based Microfluidic Analytical Devices，µPADs）是微流控领域一个较新方向。具有成型快速、成本低廉、携带方便和分析高效等优点，目前已在疾病诊断、食品监控和环境监测等领域，尤其是仪器资源匮乏的第三世界或经济欠发达地区取得应用。
一个完整的纸基微流控芯片系统通常应至少包含微流体驱动、流动控制、生化反应、信号检测和数据分析等多个功能单元。同时，检测分析通量（即单次分析实验获得的数据读出总量）对于提高实验效率、节约痕量样本和构建大数据图谱等具有重要价值。理论上，纸芯片上检测通量决定于具体微流动控制策略。国内外现有纸基微流控芯片中的流体控制策略主要分被动和主动两种。被动式微流控基于纸纤维微观毛细作用力，而主动式控制又多采用化学、物理和机械作用的方法，存在的主要问题是难以大规模、自动化并行流体控制。截止目前，在纸基微流控技术领域，尚未有系统和控制方法能够有效完成12个通道以上连续流体并行控制和下游检测分析。因此，需要创新微流控方法，并设计、研制新型纸基微流控系统，以深化和拓广该技术的应用范畴。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种纸基微流控芯片阵列系统及数字化并行控制方法，提高了纸基芯片并行化与自动化的处理能力。
本发明采用以下方案实现：一种纸基微流控芯片阵列系统，包括三维纸基微流控芯片、单片机、多通道微量分液泵、电磁铁驱动阵列区以及检测相机；
所述三维纸基微流控芯片包括流动层、位于流动层上方的控制层、设置在流动层一端的检测区、以及设置在流动层另一端的进样区；
所述流动层包括一条以上平行的微流道，每条微流道上均间隔设置有间断；所述控制层包括一条以上平行的塑料支撑道，所述塑料支撑道的下表面间隔设置有控制层贴片，所述控制层贴片的位置与所述微流道上的间断一一对应，并且与间断相匹配，使得当控制层下压至控制层贴片到达间断处时，能够将微流道导通；
所述电磁铁驱动阵列区包括一个以上的电磁铁驱动装置，所述一个以上的电磁铁驱动装置分别对应设置在塑料支撑道的两端并与所述塑料支撑道相连，用以控制所述塑料支撑道上下移动；
所述单片机与所述多通道微量分液泵、电磁铁驱动阵列区以及检测相机电性相连，用以控制多通道微量分液泵、电磁铁驱动阵列区以及检测相机的工作状态。
其中，控制层贴片以纸材料为基体与流动层断开处相匹配，当贴片与流动层接触即可实现流动导通，反之则阻断。同时塑料支撑道的材料为PLA塑料。
进一步地，所述电磁铁驱动装置包括套筒组件以及微型直流电磁铁；所述套筒组件包括套筒以及与套筒活动套接的上限位件，所述上限位件固定设置，所述套筒能沿上限位件上下活动，所述上限位件裸露在套筒外的部分套设有弹簧；所述塑料支撑道的两端部设置有通孔，并通过通孔套设在上限位件上，所述塑料支撑道位于弹簧与套筒之间，使得常态时，在弹簧作用下塑料支撑道上的控制层贴片位于间断处导通微流道，当套筒上移时，将塑料支撑道上顶使得控制层贴片离开间断处阻断微流道；所述电磁铁设置在套筒的下方，并极性与套筒相同，使得电磁铁通电时将套筒向上排斥。
较佳的，微流道采用平行结构，并且通道按依次递增顺序（1,2,3...）组成联组，以满足某些工况下多种反应试剂混合等要求。
进一步地，所述进样区包括一个以上的分别设置在微流道一端的进样通道，所述一个以上的进样通道与所述多通道微量分液泵相连，每个进样通道均分别由一个独立泵供给。
进一步地，所述检测区包括圆形纸基。
特别的，纸基检测区为采用错层结构（即流动层在上，检测层在下），以区分流动层和检测层，并最大限度降低毛细作用可能导致的圆形纸基结构边缘效应。
进一步地，任两条微流道上的间断设置都不完全一样，并且使得每次最多只能导通一条微流道。每个微流道上的间断设置可以通过对应控制代码来表示，例如二进制码，设间断为0，不间断处为1，单片机的输出指令与该控制代码相对应，以实现数字化和自动化微流控。
进一步地，所述塑料支撑道的条数为2*log2（微流道条数）的取整数。
进一步地，所述检测相机设置在检测区下方，用以拍摄检测区的检测结果图样。
本发明还提供了一种基于上文所述的纸基微流控芯片阵列系统的数字化并行控制方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：指定某一微流道导通，单片机控制电磁铁驱动阵列区相应的电磁铁通电；
步骤S2：在电磁铁作用下，相应的塑料支撑道被顶起，使得对应的控制层贴片离开间断处，进而使得对应的微流道被阻断，只剩下指定的微流道导通；
步骤S3：单片机控制多通道微量分液泵对指定的微流道上的进样通道运输样本；
步骤S4：等到指定微流道所对应的检测区被样本完全浸润后，关闭所述多通道微量分液泵，并判断是否还有需要导通的微流道，若有则返回步骤S1，进行下一个微流道的导通操作，否则进入步骤S5；
步骤S5：通过检测相机对检测区的检测结果进行拍照。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：采用本发明的系统及方法，首次关联了纸基芯片上微流体流动控制与数值代码，极大提高了纸基芯片并行化、自动化处理能力。
附图说明
图1为本发明实施例的系统中三维纸基微流控芯片内部结构示意图。
图2为本发明实施例的电磁铁驱动装置主视示意图。
图3为本发明实施例的微流道控制代码原理示意图。
图中，1为检测相机，2为微流道，3为塑料支撑道，4为控制层贴片，5为电磁铁驱动装置，6为进样通道，7为检测区，5-1为套筒，5-2为上限位件，5-3为弹簧，5-4为电磁铁。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种纸基微流控芯片阵列系统，包括三维纸基微流控芯片、单片机、多通道微量分液泵、电磁铁驱动阵列区以及检测相机1；
所述三维纸基微流控芯片包括流动层、位于流动层上方的控制层、设置在流动层一端的检测区7、以及设置在流动层另一端的进样区；
所述流动层包括一条以上平行的微流道2，每条微流道上均间隔设置有间断；所述控制层包括一条以上平行的塑料支撑道3，所述塑料支撑道的下表面间隔设置有控制层贴片4，所述控制层贴片的位置与所述微流道上的间断一一对应，并且与间断相匹配，使得当控制层下压至控制层贴片到达间断处时，能够将微流道导通；
所述电磁铁驱动阵列区包括一个以上的电磁铁驱动装置5，所述一个以上的电磁铁驱动装置分别对应设置在塑料支撑道的两端并与所述塑料支撑道相连，用以控制所述塑料支撑道上下移动；
所述单片机与所述多通道微量分液泵、电磁铁驱动阵列区以及检测相机电性相连，用以控制多通道微量分液泵、电磁铁驱动阵列区以及检测相机的工作状态。
其中，控制层贴片以纸材料为基体与流动层断开处相匹配，当贴片与流动层接触即可实现流动导通，反之则阻断。同时塑料支撑道的材料为PLA塑料。
在本实施例中，如图2所示，所述电磁铁驱动装置包括套筒组件以及微型直流电磁铁；所述套筒组件包括套筒5-1以及与套筒活动套接的上限位件5-2，所述上限位件固定设置，所述套筒能沿上限位件上下活动，所述上限位件裸露在套筒外的部分套设有弹簧5-3；所述塑料支撑道的两端部设置有通孔，并通过通孔套设在上限位件上，所述塑料支撑道位于弹簧与套筒之间，使得常态时，在弹簧作用下塑料支撑道上的控制层贴片位于间断处导通微流道，当套筒上移时，将塑料支撑道上顶使得控制层贴片离开间断处阻断微流道；所述电磁铁设置在套筒的下方，并极性与套筒相同，使得电磁铁5-4通电时将套筒向上排斥。
较佳的，微流道采用平行结构，并且通道按依次递增顺序（1,2,3...）组成联组，以满足某些工况下多种反应试剂混合等要求。
在本实施例中，所述进样区包括一个以上的分别设置在微流道一端的进样通道6，所述一个以上的进样通道与所述多通道微量分液泵相连，每个进样通道均分别由一个独立泵供给。
在本实施例中，所述检测区包括圆形纸基。
特别的，纸基检测区为采用错层结构（即流动层在上，检测层在下），以区分流动层和检测层，并最大限度降低毛细作用可能导致的圆形纸基结构边缘效应。
在本实施例中，如图3所示，任两条微流道上的间断设置都不完全一样，使得每次最多只能导通一条微流道。每个微流道上的间断设置可以通过对应控制代码来表示，例如二进制码，设间断为0，不间断处为1，单片机的输出指令与该控制代码相对应，以实现数字化和自动化微流控。图3中，以15个微流道为示例。
在本实施例中，所述塑料支撑道的条数为2*log2（微流道条数）的取整数。按照15个微流道为例，则塑料支撑道的条数为8条。
在本实施例中，所述检测相机设置在检测区下方，用以拍摄检测区的检测结果图样。
本实施例还提供了一种基于上文所述的纸基微流控芯片阵列系统的数字化并行控制方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：指定某一微流道导通，单片机控制电磁铁驱动阵列区相应的电磁铁通电；
步骤S2：在电磁铁作用下，相应的塑料支撑道被顶起，使得对应的控制层贴片离开间断处，进而使得对应的微流道被阻断，只剩下指定的微流道导通；
步骤S3：单片机控制多通道微量分液泵对指定的微流道上的进样通道运输样本；
步骤S4：等到指定微流道所对应的检测区被样本完全浸润后，关闭所述多通道微量分液泵，并判断是否还有需要导通的微流道，若有则返回步骤S1，进行下一个微流道的导通操作，否则进入步骤S5；
步骤S5：通过检测相机对检测区的检测结果进行拍照。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种纸基微流控芯片阵列系统的数字化并行控制方法，其特征在于：包括三维纸基微流控芯片、单片机、多通道微量分液泵、电磁铁驱动阵列区以及检测相机；
所述三维纸基微流控芯片包括流动层、位于流动层上方的控制层、设置在流动层一端的检测区、以及设置在流动层另一端的进样区；
所述流动层包括一条以上平行的微流道，每条微流道上均间隔设置有间断；所述控制层包括一条以上平行的塑料支撑道，所述塑料支撑道的下表面间隔设置有控制层贴片，所述控制层贴片的位置与所述微流道上的间断一一对应，并且与间断相匹配，使得当控制层下压至控制层贴片到达间断处时，能够将微流道导通；
所述电磁铁驱动阵列区包括一个以上的电磁铁驱动装置，所述一个以上的电磁铁驱动装置分别对应设置在塑料支撑道的两端并与所述塑料支撑道相连，用以控制所述塑料支撑道上下移动；
所述单片机与所述多通道微量分液泵、电磁铁驱动阵列区以及检测相机电性相连，用以控制多通道微量分液泵、电磁铁驱动阵列区以及检测相机的工作状态；
所述检测区包括圆形纸基；任两条微流道上的间断设置都不完全一样，使得每次最多只能导通一条微流道；
包括以下步骤：
步骤S1：指定某一微流道导通，单片机控制电磁铁驱动阵列区相应的电磁铁通电；
步骤S2：在电磁铁作用下，相应的塑料支撑道被顶起，使得对应的控制层贴片离开间断处，进而使得对应的微流道被阻断，只剩下指定的微流道导通；
步骤S3：单片机控制多通道微量分液泵对指定的微流道上的进样通道运输样本；
步骤S4：等到指定微流道所对应的检测区被样本完全浸润后，关闭所述多通道微量分液泵，并判断是否还有需要导通的微流道，若有则返回步骤S1，进行下一个微流道的导通操作，否则进入步骤S5；
步骤S5：通过检测相机对检测区的检测结果进行拍照。
2.根据权利要求1所述的一种纸基微流控芯片阵列系统的数字化并行控制方法，其特征在于：所述电磁铁驱动装置包括套筒组件以及微型直流电磁铁；所述套筒组件包括套筒以及与套筒活动套接的上限位件，所述上限位件固定设置，所述套筒能沿上限位件上下活动，所述上限位件裸露在套筒外的部分套设有弹簧；所述塑料支撑道的两端部设置有通孔，并通过通孔套设在上限位件上，所述塑料支撑道位于弹簧与套筒之间，使得常态时，在弹簧作用下塑料支撑道上的控制层贴片位于间断处导通微流道，当套筒上移时，将塑料支撑道上顶使得控制层贴片离开间断处阻断微流道；所述电磁铁设置在套筒的下方，并极性与套筒相同，使得电磁铁通电时将套筒向上排斥。
3.根据权利要求1所述的一种纸基微流控芯片阵列系统的数字化并行控制方法，其特征在于：所述进样区包括一个以上的分别设置在微流道一端的进样通道，所述一个以上的进样通道与所述多通道微量分液泵相连，每个进样通道均分别由一个独立泵供给。
4.根据权利要求1所述的一种纸基微流控芯片阵列系统的数字化并行控制方法，其特征在于：所述塑料支撑道的条数为2*log2（微流道条数）的取整数。
5.根据权利要求1所述的一种纸基微流控芯片阵列系统的数字化并行控制方法，其特征在于：所述检测相机设置在检测区下方，用以拍摄检测区的检测结果图样。
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