CN108956467A - 一种微流控芯片及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微流控芯片及其工作方法，其中，微流控芯片包括：微流体反应通道，待检测液滴能够在所述微流体反应通道内移动；分色光照模组，位于所述微流体通道的第一侧，所述分色光照模组准直向所述微流体反应通道射入不同波长的光；光学检测分析模组，位于所述微流体通道的第二侧，所述光学检测分析模组用于检测光信号，并根据所述光信号得出所述待检测液滴的光谱特性，所述第一侧与所述第二侧为相对的两侧。本发明提供的微流控芯片及其工作方法，能够提升了待检测液体光谱特性的检测精度。

Description

一种微流控芯片及其工作方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种微流控芯片及其工作方法。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)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。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

现有技术中的微流控芯片在检测液滴光谱特性时，不同波长之间的干扰程度高，导致液滴检测精度低。

发明内容

本发明实施例提供一种微流控芯片及其工作方法，以解决检测液滴光谱特性过程中不同波长之间的干扰的问题，提升液滴光谱特性的检测精度。

为了解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种微流控芯片，包括：

微流体反应通道，待检测液滴能够在所述微流体反应通道内移动；

分色光照模组，位于所述微流体通道的第一侧，所述分色光照模组准直向所述微流体反应通道射入不同波长的光；

光学检测分析模组，位于所述微流体通道的第二侧，所述光学检测分析模组用于检测光信号，并根据所述光信号得出所述待检测液滴的光谱特性，所述第一侧与所述第二侧为相对的两侧。

进一步地，所述分色光照模组包括：

光源；

导光结构，所述光源射出的光线在所述导光结构内部全反射传输；

取光结构，所述取光结构设置于所述导光结构上，所述取光结构用于将所述导光结构内不同波长的光准直射入所述微流体通道。

进一步地，所述分色光照模组还包括曲面反射结构，所述曲面反射结构包括曲面部、以及分别连接所述曲面部弯曲方向两端的入光面和出光面，所述光源设置在所述入光面处，所述出光面与所述导光结构连接。

进一步地，所述取光结构包括多个间隔设置的微纳体结构，从不同微纳体结构射入所述微流体通道的光的波长不同。

进一步地，所述导光结构上设有填充层，所述取光结构设置于所述填充层内并与所述导光结构接触。

进一步地，所述光学检测分析模组包括多个光学传感器，所述多个光学传感器一一对应设置于不同波长的光射在所述第二侧的位置。

进一步地，所述微流体反应通道包括第一疏水层和第二疏水层，所述待检测液滴位于所述第一疏水层和所述第二疏水层之间。

进一步地，所述微流控芯片还包括第一吸光层，所述第一吸光层位于所述分色光照模组背向所述微流体反应通道的一侧，用于吸收透过所述取光结构的光。

进一步地，所述微流控芯片还包括第二吸光层，所述第二吸光层设置于所述多个光学传感器之间，用于吸收位于所述多个光学传感器之外的光。

第二方面，本发明实施例还提供一种微流控芯片的工作方法，应用于如上所述的微流控芯片，所述方法包括：

开启所述分色光照模组和所述光学检测分析模组；

驱动所述待检测液滴在所述微流体反应通道内移动；

所述光学检测分析模组检测所述待检测液滴在移动过程中的光信号，得出所述待检测液滴的光谱特性。

本发明提供的技术方案中，通过分色光照模组准直向微流体反应通道射入不同波长的光，待检测液滴在微流体反应通道内移动，不同波长的光与待检测液滴产生不同的光学反应，从而改变光学检测分析模组检测到的光信号，光学检测分析模组根据该光信号得出待检测液滴的光谱特性。由于不同波长的光准直射入微流体反应通道，光谱检测过程中不会发生不同波长的光串扰的情况，从而提升了待检测液体光谱特性的检测精度；另外，微流控芯片结构简单，便于量产。因此，本发明提供的技术方案不仅能够提升待检测液体的光谱检测精度，还便于量产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的微流控芯片的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的微流控芯片的俯视图；

图3为本发明另一实施例提供的微流控芯片的立体图之一；

图4为本发明另一实施例提供的微流控芯片的立体图之二；

图5为本发明实施例中取光结构的具体实现方式的示意图；

图6为本发明实施例中微纳体结构厚度与选择波长的关系示意图。

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动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。

现有技术中的微流控芯片，在检测液滴光谱特性时，不同波长相互存在交涉、干扰，干扰程度高，导致液滴光谱检测精度低的问题。

本发明的实施例针对上述问题，提供一种微流控芯片及其工作方法，能够将不同波长的光分隔并共同照射在微流体反应通道，以解决检测液滴光谱特性过程中不同波长之间的干扰的问题，提升液滴光谱特性的检测精度。

请参阅图1，本发明实施例提供一种微流控芯片100，包括：

微流体反应通道110，待检测液滴能够在所述微流体反应通道110内移动；

分色光照模组120，位于所述微流体通道110的第一侧，所述分色光照模组120准直向所述微流体反应通道110射入不同波长的光；

光学检测分析模组130，位于所述微流体通道110的第二侧，所述光学检测分析模组130用于检测光信号，并根据所述光信号得出所述待检测液滴的光谱特性，所述第一侧与所述第二侧为相对的两侧。

本实施例中，通过分色光照模组120准直向微流体反应通道110射入不同波长的光，待检测液滴在微流体反应通道110内移动，不同波长的光与待检测液滴产生不同的光学反应，从而改变光学检测分析模组130检测到的光信号，光学检测分析模组130根据该光信号得出待检测液滴的光谱特性。由于不同波长的光准直射入微流体反应通道110，光谱检测过程中不会发生不同波长的光串扰的情况，从而提升了待检测液体光谱特性的检测精度；另外，微流控芯片100结构简单，便于量产。因此，本发明提供的技术方案不仅能够提升待检测液体的光谱检测精度，还便于量产。

上述微流体反应通道110的宽度和高度可以是纳米级通道，也可以比纳米级更小或更大的通道，本发明对微流体反应通道110的尺寸大小不作限定。另外，上述微流体反应通道110可以是通过光刻、刻蚀(干刻或湿刻)的方式在硅、玻璃、聚合物(聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯)等材料上形成的，本发明对具体如何形成微流体反应通道110以及微流体反应通道110的基材不作限定。

待检测液滴在微流体反应通道110中移动，可以是通过微流控芯片100外部的微流驱动装置控制进行的，也可以是微流体反应通道110包括用于驱动待检测液滴移动的电场(例如：由驱动电极和公共电极组成的电场)控制进行的，本发明对待检测液滴在微流体反应通道110中移动的具体驱动方式不作限定。

分色光照模组120向所述微流体反应通道110射入光的方向，可以垂直于微流体反应通道110的延伸方向，也可以与微流体反应通道110的延伸方向形成锐角(即倾斜射向微流体反应通道110)，本发明对此不作限定。

上述光学检测分析模组130可以包括多个光学传感器131和分析单元(未图示)，多个光学传感器131可以分别设定在预设位置(例如：多个光学传感器131一一对应设置于不同波长的光射在所述第二侧的位置)，也可以多个光学传感器131阵列排布。多个光学传感器131检测照射在第二侧的光信号，分析单元根据光信号得出待检测液滴的光谱特性。其中，光学传感器131可以为光敏探测器。

上述光学检测分析模组130可以设置在下基板上，下基板的材料可以是玻璃也可以是塑料，用于保护微流控芯片100。

可选的，所述分色光照模组120包括：

光源121；

导光结构122，所述光源121射出的光线在所述导光结构122内部全反射传输；

取光结构123，所述取光结构123设置于所述导光结构122上，所述取光结构122用于将所述导光结构122内不同波长的光准直射入所述微流体通道110。

光源121的光射向导光结构122的入光面，从而进入导光结构122并在导光结构122内部全反射传输，光线在导光结构122内全反射传输能够便于调整多个取光结构123和多个光学传感器131之间的间距，使引入的杂散衍射角度光线落在光学传感器131之间，降低对光学传感器131的影响，避免检测串扰，增大信噪比，提高光谱特性检测精度。本实施例中，光源121可以是发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)、有机发光二极管(OrganicLight Emitting Diode，简称OLED)或微型LED(micr-LED)。

本实施例中，导光结构122包括导光板，导光板的材料可以是玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯等在本发明的其他实施例中，导光结构122也可以包括其他器件，只要满足光线在其内部能够全反射传输即可。

取光结构123用于从导光结构122中将不同波长的光准直地取出并照射在微流体反应通道110。取光结构123可以设置在导光结构122的第一侧，也可以设置于导光结构123的第二侧，还可以同时设置于导光结构122的第一侧和第二侧，导光结构122的第一侧与导光结构122的第二侧为导光结构122相对的两侧。

进一步地，请结合参阅图1和图2，分色光照模组120还包括曲面反射结构124，所述曲面反射结构124包括曲面部、以及分别连接所述曲面部弯曲方向两端的入光面和出光面，所述光源121设置在该入光面处，所述出光面与所述导光结构122连接。

曲面反射结构124用于将光源发出的多角度的光线准直反射进入导光结构122的入光面。曲面反射结构124可以是抛物面反射镜，也可以是球面反射镜等。曲面反射结构124的材料可以是树脂，例如：聚甲基丙烯酸甲酯等。

在实际应用中，可以通过优化曲面反射部件124和导光部件122的相对位置关系，以使得经曲面反射部件124反射后的光线以大于导光部件122的全反射角的入射角入射到导光部件122中。另外，通过优化曲面反射部件124和导光部件122的相对位置关系还可以尽可能使得更多的光线进入导光部件122中，以提高光线的利用率。

进一步地，所述取光结构123包括多个间隔设置的微纳体结构，从不同微纳体结构射入所述微流体通道110的光的波长不同。

本实施例中，取光结构123采用微纳体结构，微纳体结构是一种对波长和角度具有选择性的三维体结构，制作材料为光致聚合物。不同的微纳体结构能够从白光中精确分色成不同波长的单色光，同时重新确定单色光的出射角度，从而多个微纳体结构能够准直向微流体反应通道110射入不同波长的光。多个微纳体结构可以位于同一行上，如图3所示；多个微纳体结构也可以分别位于多行，如图4所示。

在本发明的其他实施例中，取光结构123可以包括但不限于光栅、棱镜、透镜中的至少一种。如此，可以利用光栅的衍射现象，或者，利用棱镜和透镜的折射现象从导光结构中将光线准直地取出。例如，取光结构123可以包括光栅、棱镜和透镜中的任意一种；又例如，取光结构123可以包括光栅、棱镜和透镜中的任意两种或三种。

请参阅图5，以单色光垂直于微流体反应通道照射为例：微纳体结构i将波长λi的光线选择出后，将波长λi的光线的出射方向改为垂直向下传输，其余波长的光线从微纳体结构i透射出去，微纳体结构i为多个微纳体结构中的任一个，波长λi为微纳体结构i对应选择的波长值。

该微纳体结构包括多个呈周期性分布的光栅条纹，每个光栅条纹内的折射率是沿宽度方向呈规律渐变的。为了选择出不同波长的光，需要制作相对应的微纳体结构，其中，光栅条纹的周期Λ、光栅条纹的倾斜角度α和微纳体结构的厚度d对于微纳体结构的制作至关重要。

关于光栅条纹的周期Λ：

在确定选择的光线的波长λi后，通过第一预设公式确定光栅条纹的周期Λ，该第一预设公式：

其中，λ为选择的光线的波长；n₀为微纳体结构的平均折射率；θ₀为出射角度。

借助折射定律：n₀sin(θ₀)＝n₁sin(θ)

其中，n₁为导光结构的折射率，θ为入射光线在导光结构内的传输角度。在θ和n₁已知的情况下，可以求得n₀sin(θ₀)，进而求得n₀sin(θ₀/2)，最后求得光栅条纹的周期Λ。

关于光栅条纹的倾斜角度α：

如图5所示，入射光线和重定向光线的角平分线为光栅条纹长度方向的垂线，因此根据几何关系，可以求得α＝θ/2。

关于微纳体结构的厚度d：

根据衍射效率公式确定微纳体结构的厚度d，该衍射效率公式：

其中，ψ＝(B²-σ²)/2B，B＝2πn₃/λ，

上述η为衍射效率值；sinh²为双曲函数；j为预设常数；n₂为光栅的折射率；n₃为空气的折射率；d为微纳体结构的厚度d；λ为选择的光线的波长；C_R为入射倾斜因子；C_S为衍射倾斜因子；Ψ为移相值；σ为电导率；B为传播常数；为入射矢量；为出射矢量。

通过对上述参数的设定和检测，并依据上述公式能够在已知选择的光线的波长λ的情况下确定微纳体结构的厚度d。

上述光栅条纹的周期Λ和光栅条纹的倾斜角度α能够实现微纳体结构在衍射作用下将选择的光线重定向。而微纳体结构的厚度d则能够实现对波长的选择。微纳体结构不同厚度d对波长选择的影响，如图6所示，以入射角为40°、衍射角为0°、选择波长574nm和折射率调制度为0.02为例，可以看出厚度d越厚，波长选择性越高(选择出的光谱宽度越窄)，衍射效率越高。

因此，通过多个不同厚度的微纳体结构，即可从导光结构122中取出不同波长的光准直射向微流体反应通道，光谱检测过程中不同波长的光相互间隔、互不干扰，从而提升了待检测液体光谱特性的检测精度。

另外，所述微流控芯片100还包括第一吸光层150，所述第一吸光层150位于所述分色光照模组120背向所述微流体反应通道110的一侧，用于吸收透过所述取光结构123的光。

取光结构123将特定波长的光射向微流体反应通道，而其他波长的光透过取光结构123射出，通过第一吸光层150能够将透过取光结构123的光吸收，避免这些非选择波长的光线干扰光谱特性的检测，提高光谱特性的检测精度。

进一步地，所述微流控芯片100还包括第二吸光层160，所述第二吸光层160设置于所述多个光学传感器131之间，用于吸收位于所述多个光学传感器131之外的光。

第二吸光层160与第一吸光层150作用类似，同样也是为了吸收落在光学传感器131之间的引入的杂散衍射角度光线，避免检测串扰，提高光谱特性的检测精度。

可选的，导光结构122上设有填充层130，取光结构123设置于所述填充层140内并与所述导光结构122接触。填充层140的材料可以选用树脂材料，主要用于保持微流控芯片100的平坦，取光结构123与导光结构122直接接触才能够进行取光。

可选的，微流体反应通道110包括第一疏水层111和第二疏水层112，所述待检测液滴位于所述第一疏水层111和所述第二疏水层112之间。

待检测液滴设置于第一疏水层111和第二疏水层112之间，检测液滴直接与第一疏水层111和第二疏水层112接触，使得液滴移动受到的阻力较小，使得液滴更容易被驱动而移动。在微流体反应通道110包括由驱动电极和公共电极组成的用于驱动待检测液滴移动的电场的情况下，第一疏水层111和第二疏水层112可以分别设置于公共电极和驱动电极上。

本发明实施例还提供一种微流控芯片的工作方法，应用于如上所述的微流控芯片，所述方法包括：

开启所述分色光照模组和所述光学检测分析模组；

驱动所述待检测液滴在所述微流体反应通道内移动；

所述光学检测分析模组检测所述待检测液滴在移动过程中的光信号，得出所述待检测液滴的光谱特性。

本实施例中，开启分色光照模组后分色光照模组将不同波长的光准直射向微流体反应通道，同时开启光学检测分析模组，从而开始检测微流体反应通道内的光信号；之后，驱动待检测液滴在微流体反应通道内移动，待检测液滴在移动过程中会依次与不同波长的光分别发生反应；光学检测分析模组检测到待检测液体与不同波长反应的光信号，并根据该光信号分析得出待检测液滴的光谱特性。由于不同波长的光准直射入微流体反应通道，光谱检测过程中不同波长的光相互间隔、互不干扰，从而提升了待检测液体光谱特性的检测精度。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括：

微流体反应通道，待检测液滴能够在所述微流体反应通道内移动；

分色光照模组，位于所述微流体通道的第一侧，所述分色光照模组准直向所述微流体反应通道射入不同波长的光；

光学检测分析模组，位于所述微流体通道的第二侧，所述光学检测分析模组用于检测光信号，并根据所述光信号得出所述待检测液滴的光谱特性，所述第一侧与所述第二侧为相对的两侧。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述分色光照模组包括：

光源；

导光结构，所述光源射出的光线在所述导光结构内部全反射传输；

取光结构，所述取光结构设置于所述导光结构上，所述取光结构用于将所述导光结构内不同波长的光准直射入所述微流体通道。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述分色光照模组还包括曲面反射结构，所述曲面反射结构包括曲面部、以及分别连接所述曲面部弯曲方向两端的入光面和出光面，所述光源设置在所述入光面处，所述出光面与所述导光结构连接。

4.根据权利要求2或3所述的微流控芯片，其特征在于，所述取光结构包括多个间隔设置的微纳体结构，从不同微纳体结构射入所述微流体通道的光的波长不同。

5.根据权利要求2或3所述的微流控芯片，其特征在于，所述导光结构上设有填充层，所述取光结构设置于所述填充层内并与所述导光结构接触。

6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述光学检测分析模组包括多个光学传感器，所述多个光学传感器一一对应设置于不同波长的光射在所述第二侧的位置。

7.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流体反应通道包括第一疏水层和第二疏水层，所述待检测液滴位于所述第一疏水层和所述第二疏水层之间。

8.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括第一吸光层，所述第一吸光层位于所述分色光照模组背向所述微流体反应通道的一侧，用于吸收透过所述取光结构的光。

9.根据权利要求6所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括第二吸光层，所述第二吸光层设置于所述多个光学传感器之间，用于吸收位于所述多个光学传感器之外的光。

10.一种微流控芯片的工作方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9中任一项所述的微流控芯片，所述方法包括：

开启所述分色光照模组和所述光学检测分析模组；

驱动所述待检测液滴在所述微流体反应通道内移动；

所述光学检测分析模组检测所述待检测液滴在移动过程中的光信号，得出所述待检测液滴的光谱特性。