CN108479868A - 用于离心式微流控芯片的可中断虹吸阀及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于离心式微流控芯片的可中断虹吸阀及其应用方法。所述可中断虹吸阀包括虹吸管道、与所述虹吸管道一端相连通的加样腔、以及与所述虹吸管道另一端相连通的收集腔；所述加样腔和收集腔上均连接有通气孔；所述虹吸管道的顶端连接有通气孔。其应用方法，包括下述步骤：1)将液体加入加样腔中，密封芯片，启动离心机并以高速旋转，液体在离心力的作用下进入虹吸管道；2)停止离心机转动或设定为低转速，液体在毛细作用下填充满虹吸管道；3)适当加速，使加样腔中的液体通过虹吸管道，到达收集腔；4)进一步提高转速，气体会从虹吸管道顶端的通气孔进入虹吸管道，切断其中的液体，从而停止液体从加样腔向收集腔的传送。

Description

用于离心式微流控芯片的可中断虹吸阀及其应用方法
技术领域
本发明涉及一种离心式微流控芯片的可中断虹吸阀及其应用方法。
背景技术
微流控芯片是将生化检测所涉及的样品制备、分离、定量、混合、反应及检测等 基本操作单元集成在几平方厘米到几十平方厘米的芯片之上，用以取代常规化学或生 物实验室的各种功能的一种技术平台。离心式微流控芯片是微流控芯片的一个分支， 其特点在于将微流控结构集成在一块可旋转的碟片上，碟片旋转时离心力可驱动流体 实现所需操作。这一设计可以彰显微流控芯片技术集成化、自动化、成本低廉等优势， 目前已经广泛应用与生化检测、免疫分析、环境监测和食品安全等领域。
虹吸阀是离心式微流控芯片上的关键功能结构之一，可以用于芯片上液体的定量和释放。虹吸阀的工作过程为：芯片低速或停止转动时，液体在毛细作用下，自发流 入并充满虹吸管道；此时提高芯片转速，则离心力使得液体通过虹吸管道，从一个靠 近旋转中心的腔室向另一个远离旋转中心的腔室流动，进而完成液体的定量或释放等 过程。但是，由于虹吸管道的填充过程不可逆转，所以上述虹吸阀可实现的流体操作 有限，难以实现核酸提取、免疫分析等实际过程所需的复杂流体操作。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种用于离心式微流控芯片的可中断虹吸阀，以增强离心式微流控芯片上虹吸阀的操作灵活性。
所述用于离心式微流控芯片的可中断虹吸阀，包括虹吸管道、与所述虹吸管道一端相连通的加样腔、以及与所述虹吸管道另一端相连通的收集腔；所述加样腔和收集 腔上均连接有通气孔；所述虹吸管道的顶端连接有通气孔。
进一步的，上述可中断虹吸阀中，所述收集腔距离微流控芯片旋转中心的距离远于所述加样腔。
进一步的，上述可中断虹吸阀中，所述通气孔既可与大气相连通，也可互相之间连通形成自通气结构。
本发明的再一个目的是提供一种上述离心式微流控芯片的可中断虹吸阀的应用方 法。
所述应用方法包括下述步骤：
1)将微流控芯片安装在离心机上，再将液体加入加样腔中，密封芯片，启动离心机并高速旋转(如2500-6000rpm)，液体在离心力的作用下进入部分虹吸管道；
2)停止离心机转动或设定为低转速(如0-600rpm)，液体在毛细作用下填充满 虹吸管道；
3)适当加速(如800-2000rpm)，使加样腔中的液体通过虹吸管道，到达距离旋 转中心更远的收集腔；
4)进一步提高转速(如2500-6000rpm)，气体会从虹吸管道顶端的通气孔进入 虹吸管道，切断其中的液体，从而停止液体从加样腔向收集腔的传送。
进一步的，所述方法还包括重复上述步骤2)-4)的操作，以实现对于加样腔中 液体的分步释放。
此外，包括上述可中断虹吸阀的离心式微流控芯片也属于本发明的保护范围。
基于上述可中断虹吸阀，本发明还保护一种适用于离心式微流控芯片的液体混合及释放结构。
所述液体混合及释放结构包括第一加样腔，第二加样腔，混合腔，收集腔，虹吸 管道和可中断虹吸阀；所述第一加样腔和混合腔直接连通，所述虹吸管道连接第二加 样腔和混合腔，所述可中断虹吸阀连接混合腔和收集腔；所述第一加样腔，第二加样 腔，混合腔，收集腔均设有通气孔；所述可中断虹吸阀为顶端连接有通气孔的虹吸管 道。所述通气孔既可与大气相连通，也可互相连通形成自通气结构。
基于上述可中断虹吸阀，本发明还保护一种适用于离心式微流控芯片的反复清洗结构。
所述反复清洗结构包括加样腔，清洗腔，至少一个平行设置的收集腔，可中断虹吸阀和分配管道；所述可中断虹吸阀为顶端连接有通气孔的虹吸管道；所述可中断虹 吸阀连接加样腔和清洗腔，所述分配管道连接清洗腔和收集腔；所述加样腔、清洗腔 和分配管道均设有通气孔。所述通气孔既可与大气相连通，也可互相连通形成自通气 结构。
基于上述可中断虹吸阀，本发明还保护一种适用于离心式微流控芯片的流体回泵结构。
所述流体回泵结构，包括加样腔、收集腔和可中断虹吸阀；所述加样腔和收集腔通过可中断虹吸阀相连；所述可中断虹吸阀为顶端连接有通气孔的虹吸管道；所述加 样腔位于离旋转中心较远处，所述收集腔位于离旋转中心较近处，所述可中断虹吸阀 靠近收集腔一侧管道呈折叠状；所述加样腔，收集腔均设有通气孔；所述通气孔既可 与大气相连通，也可互相连通形成自通气结构。
本发明的有益效果：本发明所提出的用于离心式微流控芯片的可中断虹吸阀，利用巧妙设计的通气结构，实现了在低转速下进行虹吸填充，适当转速范围内转移液体， 高转速下中断虹吸阀的流体操作功能。本发明具有工艺简单，可靠性高，易于实现等 有点，在生物、化学、医学等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例一中的芯片的结构示意图。
图2为实施例一中芯片转速随时间的变化曲线。
图3为实施例一中的液体操作过程示意图。
图4为实施例一中的液体操作过程实物图。
图5为实施例二中的芯片的结构示意图。
图6为实施例二中芯片转速随时间的变化曲线。
图7为实施例二中的液体操作过程示意图。
图8为实施例二中的液体操作过程实物图。
图9为实施例三中的芯片的结构示意图。
图10为实施例三中芯片转速随时间的变化曲线。
图11为实施例三中的液体操作过程示意图。
图12为实施例三中的液体操作过程实物图。
图13为实施例四中的芯片的结构示意图。
图14为实施例四中芯片转速随时间的变化曲线。
图15为实施例四中的液体操作过程示意图。
图16为实施例四中的液体操作过程实物图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明，但本发明并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所使用的芯片如无特殊说明，均以聚甲基丙烯酸甲酯为材料。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例一、离心式微流控芯片的可中断虹吸阀
如图1所示，本实施例所述的用于离心式微流控芯片的可中断虹吸阀，包括加样腔11，收集腔12，虹吸管道13，加样腔通气孔14，收集腔通气孔15，虹吸管道通气 孔16；所述加样腔11位于离旋转中心较近处，所述收集腔12位于离旋转中心较远处， 二者由虹吸管道13相连。所述通气孔14、15、16既可与大气相连通，也可互相连通 形成自通气结构。
如图1至3所示，初始状态下，将液体加入加样腔11中并密封，启动离心机并高 速旋转(如2500-6000rpm)，液体进入虹吸管道13，如图3a所示；然后，降低转速 (如0-600rpm)，液体填充满虹吸管道13，如图3b所示；适当提高转速(如800-2000 rpm)，加样腔11中的液体可以通过虹吸管道13，到达距离旋转中心更远的收集腔12； 进一步提高转速(如2500-6000rpm)，气体会从虹吸管道13顶端的通气孔16进入虹 吸管道13，切断其中的液体，从而停止液体从加样腔11向收集腔12的传送。重复上 述步骤，可以实现对于加样腔11中液体的分步释放。
实施例二、基于可中断虹吸阀的液体混合及释放结构
如图5所示，本实施例所述的基于可中断虹吸阀的液体混合及释放结构，包括第一加样腔41，第二加样腔42，混合腔43，收集腔44，虹吸管道45，可中断虹吸阀46。 所述第一加样腔41和混合腔43直接相连通，所述虹吸管道45连接第二加样腔42和 混合腔43，所述可中断虹吸阀46连接混合腔43和收集腔44。所述第一加样腔41， 第二加样腔42，混合腔43，收集腔44和可中断虹吸阀46均设有通气孔，上述通气孔 既可与大气相连通，也可互相连通形成自通气结构。
如图5-8所示，初始状态下，将两种液体分别加入第一加样腔41和第二加样腔 42中并密封芯片，如图7a所示；启动离心机并高速旋转(如2500-6000rpm)，第一 加样腔41中的液体进入混合腔43，第二加样腔42中的液体进入虹吸管道45，如图 7b所示；然后，降低转速(如0-600rpm)，第二加样腔中的液体填充满虹吸管道45， 混合腔43中的液体进入可中断虹吸阀46，如图7c所示；然后以大加速度(如1000-10000 rpm/秒)迅速提高转速(如2500-6000rpm)，第二加样腔42中的液体通过虹吸管道 45进入混合腔，气体从通气孔进入可中断虹吸阀46，迅速切断虹吸管道中的液体，只 有已经进入管道的极少量液体可以进入收集腔44，其余液体均被保留在混合腔43中， 如图7d所示；此时如果需要充分混合两种液体，可通过反复加减转速实现；然后降低 转速(如0-600rpm)，混合腔43中的液体填充满可中断通虹吸阀46，如图7e所示； 然后适当提高转速(如800-2000rpm)，混合腔43中的液体通过可中断虹吸阀46进入 收集腔44。
实施例三、基于可中断虹吸阀的反复清洗结构
如图9所示，本实施例所述的基于可中断虹吸阀的反复清洗结构，包括加样腔71，清洗腔72，三个平行设置的收集腔73，可中断虹吸阀74，分配管道75。所述可中断 虹吸阀74连接加样腔71和清洗腔72，所述分配管道75连接清洗腔72和三个收集腔73。所述加样腔71、清洗腔72、可中断虹吸阀74和分配管道75均设有通气孔，所述 通气孔既可与大气相连通，也可互相连通形成自通气结构。
如图9-12所示，初始状态下，将液体加入加样腔71中并密封芯片，启动离心机 并高速旋转(如2500-6000rpm)，液体进入可中断虹吸阀74，如图11a所示；然后， 降低转速(如0-600rpm)，液体在虹吸作用下填充满可中断虹吸阀74，如图11b所示； 然后适当提高转速(如800-2000rpm)，加样腔71中的液体可以通过可中断虹吸阀74 进入清洗腔72，直到清洗腔72填满，由于分配管道75与清洗腔72连接部分较窄较 浅，在当前转速下液体无法进入分配管道75，如图11c所示；然后以大加速度(如 1000-10000rpm/秒)迅速提高转速(如2500-6000rpm)，可中断虹吸阀74被切断，加 样腔71中的液体无法再进入清洗腔72，清洗腔72中已有的液体通过分配管道75进 入收集腔73，填满第一个收集腔，如图11d所示；重复上述步骤可实现反复清洗过程， 清洗废液依次填入每个收集腔73中，如图11e-h所示。
实施例四、基于可中断虹吸阀的流体回泵结构
如图13所示，本实施例所述的基于可中断虹吸阀的流体回泵结构，包括加样腔101，收集腔102，可中断虹吸阀103。所述加样腔101位于离旋转中心较远处，所述 收集腔102位于离旋转中心较近处，二者由可中断虹吸阀103相连。所述可中断虹吸 阀103靠近收集腔102一侧管道蜿蜒曲折且较深，使得虹吸填充完成后存储在此区域 的液体量较大。所述加样腔101，收集腔102，可中断虹吸阀103均设有通气孔，所述 通气孔既可与大气相连通，也可互相连通形成自通气结构。
如图13-16所示，将液体加入加样腔101中并密封芯片，启动离心机并高速旋转(如2500-6000rpm)，液体进入可中断虹吸阀103，如图16a所示；然后，降低转速 (如0-600rpm)，加样腔101中的液体填充满可中断虹吸阀103，如图16b所示；然 后以大加速度(如1000-10000rpm/秒)迅速提高转速(如2500-6000rpm)，可中断虹 吸阀103被切断，只有少量可中断虹吸阀中的液体可以返回加样腔101，绝大多数液 体都被回泵至更靠近旋转中心的收集腔102中，如图16c所示。

Claims (10)

1.一种用于离心式微流控芯片的可中断虹吸阀，其特征在于：包括虹吸管道、与所述虹吸管道一端相连通的加样腔、以及与所述虹吸管道另一端相连通的收集腔；所述加样腔和收集腔上均连接有通气孔；所述虹吸管道的顶端连接有通气孔。
2.根据权利要求1所述的可中断虹吸阀，其特征在于：所述收集腔距离微流控芯片旋转中心的距离远于所述加样腔。
3.根据权利要求1所述的可中断虹吸阀，其特征在于：所述通气孔与大气相连通，或所述通气孔互相之间连通形成自通气结构。
4.权利要求1-3任一项所述用于离心式微流控芯片的可中断虹吸阀的应用方法，包括下述步骤：
1)将微流控芯片安装在离心机上，再将液体加入加样腔中，密封芯片，启动离心机并以高速旋转，液体在离心力的作用下进入虹吸管道；
2)停止离心机转动或设定为低转速，液体在毛细作用下填充满虹吸管道；
3)加速旋转，使加样腔中的液体通过虹吸管道，到达收集腔；
4)进一步提高转速，气体会从虹吸管道顶端的通气孔进入虹吸管道，切断其中的液体，从而停止液体从加样腔向收集腔的传送。
5.根据权利要求4所述的应用方法，其特征在于：
步骤1)中所述高速旋转的转速为2500-3000rpm；
步骤2)中所述低转速为0-600rpm；
步骤3)中所述加速旋转的转速为800-2000rpm；
步骤4)中所述转速为2500-6000rpm。
6.根据权利要求4或5所述的应用方法，其特征在于：所述方法还包括：重复所述步骤2)-4)的操作。
7.一种用于离心式微流控芯片的液体混合及释放结构，其特征在于：包括第一加样腔，第二加样腔，混合腔，收集腔，虹吸管道和可中断虹吸阀；所述可中断虹吸阀为顶端连接有通气孔的虹吸管道；所述第一加样腔和所述混合腔相连通，所述虹吸管道连接所述第二加样腔和所述混合腔，所述可中断虹吸阀连接所述混合腔和收集腔；所述第一加样腔，所述第二加样腔，所述混合腔和所述收集腔均设有通气孔。
8.一种用于离心式微流控芯片的反复清洗结构，其特征在于：包括加样腔、清洗腔、至少一个平行设置的收集腔、可中断虹吸阀和分配管道；所述可中断虹吸阀为顶端连接有通气孔的虹吸管道；所述可中断虹吸阀连接所述加样腔和所述清洗腔，所述分配管道连接所述清洗腔和所述收集腔；所述加样腔、清洗腔和分配管道均设有通气孔。
9.一种用于离心式微流控芯片的，其特征在于：包括加样腔、收集腔和可中断虹吸阀；所述可中断虹吸阀为顶端连接有通气孔的虹吸管道；所述加样腔和收集腔通过可中断虹吸阀相连；所述加样腔距离微流控芯片旋转中心的距离远于所述收集腔；所述可中断虹吸阀靠近收集腔一侧的管道呈折叠状；所述加样腔和收集腔均设有通气孔。
10.一种离心式微流控芯片，其特征在于：包括权利要求1所述的可中断虹吸阀和/或权利要求7所述的液体混合及释放结构和/或权利要求8所述的反复清洗结构和/或权利要求9所述的流体回泵结构。
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