CN109012768A - 微流控液体单向流动控制结构、芯片及方法 - Google Patents

微流控液体单向流动控制结构、芯片及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微流控液体控制结构、其芯片及使用方法。该发明通过设计空腔、弹性片等结构，利用弹性材料的伸缩产生的压力及吸力作为驱动力，利用弹性片在压力及吸力作用下产生的形变形成阀门，驱动液体在微流通道内单向流动。本发明提供的微流控液体控制结构制作简单、操作简便，可用于微流控芯片的蛋白、核酸或小分子检测，混和液体，运送细胞等。

Description

微流控液体单向流动控制结构、芯片及方法
技术领域
本发明属于微流控结构设计领域。具体地，本发明涉及一种微流控液体控制结构、其芯片及使用方法。
背景技术
微流控是一项跨学科的新技术，以分析化学为主，综合生物化学、物理化学、免疫学等相关学科的成果，通过设备的微型化与集成化，将分析实验室的各项功能集中于分析芯片中，实现检测分析的微型化，在疾病诊断、环境检测、生命科学等领域具有重要的应用价值。
分析物及试剂在芯片通道内的流动及控制是实现微流控芯片全集成操作的前提和基础，泵和阀是微流控芯片上对微流体控制的重要部件，泵提供液体流动的动力并控制流动的速度，阀控制流路的开和关以及流动的方向。目前，用于微流控芯片操作的泵和阀有很多种。外接泵和阀稳定性好，但配套设备复杂、体积大。内置泵和阀可以将系统集成化，但一般制作繁琐、结构复杂，操作较难控制。
发明内容
基于现有技术中的缺陷，本发明的目的在于，提供一种微流控液体控制结构，及其芯片和使用方法。
针对上述发明目的，本发明以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种微流控液体单向流动控制结构，所述结构包括两层结构以及弹性片，其中，所述两层结构中：上层为微流控管道层，包括微流通道、限定弹性片的结构和空腔，下层为具有弹性的软质材料。
优选地，作为微流控管道层的上层为硬质或软质材料。
更优选地，所述硬质材料选自以下一种或多种：塑料、石英和玻璃；和/或
所述软质材料选自以下一种或多种：丁苯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶。
优选地，所述弹性片是发生形变后可恢复原状的软质材料，由弹性片限定结构限定在微流通道内；
更优选地，所述弹性片限定结构为半圆柱形或圆柱形。
进一步优选地，所述弹性片两侧的微流通道横截面面积不同，当液体流通时，该弹性片在压力及吸力作用下产生的形变形成阀门。
优选地，所述微流通道全部在作为微流控管道层的上层内分布。
第二方面，本发明提供了一种多空腔或流路布局的微流控液体单向流动控制结构，所述结构为两个或多个根据本发明第一方面所述的微流控液体单向流动控制结构进行串联或并联而形成。
第三方面，本发明提供了一种微流控芯片，所述芯片包含本发明第一方面或第二方面所述的微流控液体单向流动控制结构，优选地，所述微流控液体单向流动控制结构在芯片内部形成泵阀。
第四方面，本发明提供了一种控制通道开关和/或驱动液体流动的方法，所述方法包括：使用根据本发明第一方面或第二方面所述的微流控液体单向流动控制结构。
优选地，所述方法包括：通过控制所述空腔下部的下层弹性材料受到挤压或拉伸的频率可以控制液体的流速。
根据本发明的一个具体实施方案，本发明提供了一种用于微流控芯片的液体驱动及单向流动控制装置，通过微流控通道内压力的变化引起材料的形变，控制通道的开关并驱动液体的流动。实现了微流控通道内液体的单向流动和流速的有效控制。该装置体型小，容易加工，操作简便，是一项具有创新性的微流控液体控制发明。
根据本发明的另一个具体实施方案，本发明提供的控制装置包括两层结构：一层为塑料或橡胶，一层为橡胶；弹性片位于一个通道上，弹性片左右两侧的横截面积不同；其微流通道全部在微流控管道层内分布；利用弹性片作为阀；泵阀结构在芯片内部；结构简单。
根据本发明的一个具体实施方案，本发明提供的微流控液体控制结构具有两层结构以及弹性片。上层为微流控管道层，包括微流通道、限定弹性片的结构和空腔，材质可以是塑料、石英、玻璃等硬质材料，也可以是橡胶等软质材料；下层为具有弹性的软质材料。弹性片是可发生形变也可恢复原状的软质材料，由弹性片限定结构限定在微流通道内，弹性片一侧的微流通道横截面面积小于另一侧结构的横截面积，如图1、2所示。
根据本发明的另一个具体实施方案，本发明提供的控制装置可以驱动微流控管道内液体的单向流动。当空腔下部的下层弹性材料受到挤压时，在微流通道内产生压力，空腔右侧弹性片在压力作用下与横截面积较小的微流通道紧密贴合，防止或最大程度上限制液体流动，而空腔左侧弹性片在压力作用下发生形变，与横截面积较小的微流通道产生间隙，微流通道流路开通，在压力作用下，液体从横截面积较小一侧流向横截面积较大一侧。当空腔下部的下层弹性材料恢复原状或受到拉伸时在微流通道内产生吸力，空腔左侧弹性片在吸力作用下与横截面积较小的微流通道紧密贴合，防止或最大程度上限制液体流动，而空腔右侧弹性片在吸力作用下发生形变，与横截面积较小的微流通道产生间隙，微流通道流路开通，在吸力作用下，液体从横截面积较小一侧流向横截面积较大一侧。重复这一过程，微流控管道内液体可以形成单向流动。通过控制空腔下部的下层弹性材料受到挤压或拉伸的频率可以控制液体的流速。
根据本发明的另一个具体实施方案，本发明提供的微流控液体控制结构中不同的结构可以进行串联或并联，形成多个空腔或多个流路的布局。
本发明提供的微流控液体控制结构可以具有但不限于以下有益效果：
1、本发明通过设计空腔、弹性片等结构，利用弹性材料的伸缩产生的压力及吸力作为驱动力，利用弹性片在压力及吸力作用下产生的形变形成阀门，驱动液体在微流通道内单向流动。
2、本发明提供的微流控液体控制结构制作简单、操作简便，可用于微流控芯片的蛋白、核酸或小分子检测，混和液体，运送细胞等。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了本发明实施例1提供的微流控液体控制结构的装置横切面图。
图2示出了本发明实施例1提供的微流控液体控制结构的装置俯视图。
图3示出了本发明实施例4提供的微流控液体控制结构的具有单向流动控制装置的微流控免疫检测芯片俯视图。
图4示出了本发明试验例1免疫检测实验结果照片，其中，从左向右第一列为胰岛素检测结果，第二列为细胞白介素6检测结果，第三列为C反应蛋白检测结果。
图5示出了本发明实施例3提供的微流控液体控制结构的具有单向流动控制装置的微流控核酸检测芯片俯视图。
图6示出了本发明实施例2提供的微流控液体控制结构的串联结构俯视图。
图7示出了本发明实施例3提供的微流控液体控制结构的并联结构俯视图。
图8示出了本发明试验例2浊度变化检测结果图。
附图标记说明：
1、微流控管道层；2、微流通道；3、软质材料；4、空腔；5、左侧弹性片限定结构；6、右侧弹性片限定结构；7、左侧弹性片；8、右侧弹性片；9、单向流动控制装置1；10、单向流动控制装置2；11、单向流动控制装置3；12、单向流动控制装置4；13、单向流动控制装置5；14、单向流动控制装置6；15、封闭液储存室；16、清洗液储存室1；17、清洗液储存室2；18、样品储存室；19、标记抗体储存室；20、发光液(显色液)储存室；21、捕获抗体1条带；22、捕获抗体2条带；23、捕获抗体3条带；24、废液室；25、S型微流通道反应区；26、单向流动控制装置7；27、单向流动控制装置8；28、试剂储存室；29、样品储存室；30、反应区。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
以下实施例中使用的试剂和仪器如下：
试剂：
胰岛素、胰岛素捕获抗体、辣根过氧化物酶标记的胰岛素抗体、细胞白介素6、细胞白介素6捕获抗体、辣根过氧化物酶标记的细胞白介素6抗体、C反应蛋白、C反应蛋白捕获抗体、辣根过氧化物酶标记的C反应蛋白抗体、小牛血清白蛋白溶液、磷酸盐缓冲液、吐温，购自北京沫之东生物技术有限公司；
化学发光液，购自美国millipore公司；
猪流感病毒DNA模版及引物，购自生工生物工程(上海)股份有限公司。
仪器：
伸缩式电磁铁，购自乐清兴达(兴昊)电气有限公司，型号：XDA-1564；
压电装置，购自北京纳迅科技股份有限公司；
免疫检测成像分析装置，购自北京纳迅科技股份有限公司，型号：NanoAce 1010P；
恒温箱，购自上海圣欣科学仪器有限公司，型号：DHG-9030A；
光纤阅读器，购自日本基恩士公司，型号：FS-V31M；
精雕机，购自东莞市东城阿莫电子经营部，型号AMCNC-01。
实施例1
本实施例用于说明本发明微流控液体控制结构的详细结构及制备。
本结构具有两层结构以及弹性片，如图1、图2所示，上层为微流控管道层(1)，包括微流通道(2)、弹性片限定结构(5、6)和空腔(4)，材质为聚碳酸酯(PC)，通过精雕机加工而成；下层结构及弹性片材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
工作原理为：当挤压空腔(4)下部的弹性材料时，在微流通道(2)内产生一定的正压，空腔右侧的弹性片(8)在正压作用下与其右侧的微流通道口紧密贴合，阻止液体流动，而空腔左侧的弹性片(7)在正压作用下与其右侧的微流通道口产生间隙，液体从右侧流向左侧；当去掉外力作用，空腔(4)下部的下层弹性材料恢复原状，在微流通道内产生负压，空腔左侧弹性片(7)在负压作用下与其右侧的微流通道口紧密贴合，防止液体流动，而空腔右侧弹性片(8)在负压作用下与其右侧的微流通道口产生间隙，液体从右侧流向左侧。重复循环这一过程，微流控管道内液体形成单向流动。
由于弹性片(7、8)左右两侧的横截面积不同，弹性片限定结构(5、6)的横截面积大于微流通道的横截面积；当挤压空腔(4)下部的弹性材料时，利用弹性片作为阀当弹性片在正压作用下与其右侧的微流通道口紧密贴合时，该通道为关闭状态；当去掉外力作用，空腔(4)下部的下层弹性材料恢复原状，弹性片在负压作用下与其右侧的微流通道口产生间隙时，该通道为开启状态，由此弹性片可以作为阀；泵阀结构在芯片内部空腔结构在外力的作用下产生动力，成为泵，弹性片结构在泵的作用下与通道紧密贴合或产生间隙，控制流路的开和关，成为阀。
实施例2
本实施例用于说明包含多个微流控液体控制结构的串联结构的详细结构说明。
本结构具有2个重复的微流控液体控制结构单元，通过串联方式联结，工作原理与实施例1相同，串联方式可以增大液体流动的速度，本实施例结构如图6所示。
实施例3
本实施例用于说明包含多个微流控液体控制结构的并联结构的详细结构说明。
本结构具有4个重复的微流控液体控制结构单元，通过并联方式联结，工作原理与实施例1相同，并联方式可以实现多个液路中液体的混合，也可以实现多个液路中的液体按照一定顺序流经微流通道，本实施例结构如图7所示。
实施例4
本实施例用于说明包含本发明微流控液体控制结构的微流控芯片的详细结构说明及制备。
如图3所示的芯片结构，9、10、11、12、13及14为相同的微流控液体控制结构单元，并联在一起，12、13、14、15、16、17为试剂储存室，25为S型微流通道，是芯片的试剂反应区，24为废液池。
以免疫检测试验为例，在微流控管道层下方的PDMS上，预先固定待检测物质的捕获抗体，形成捕获抗体条带。将PDMS通过夹具紧密贴合于微流控管道层，通过伸缩式电磁铁依次对多个空腔下方的PDMS循环推压，驱动多个试剂储存室中的液体依次流经微流通道S型微流通道反应区，进行反应，反应结束后，将液体驱动至废液室(24)内。
试验例1、免疫检测
检测血液样本中的胰岛素、细胞白介素6、C反应蛋白含量。
在微流控管道层下方的软质材料上，预先固定胰岛素、细胞白介素6、C反应蛋白的捕获抗体，形成捕获抗体1条带(21)，捕获抗体2条带(22)，捕获抗体3条带(23)。将软质材料通过粘贴或使用夹具紧密贴合于微流控管道层，在封闭液储存室(15)中注入小牛血清白蛋白溶液，在清洗液储存室1(16)和清洗液储存室2(17)中注入含有吐温的磷酸盐缓冲液，在样品储存室(18)中注入血清样本；在标记抗体储存室(19)中注入胰岛素、细胞白介素6、C反应蛋白的标记有辣根过氧化物酶(或其他氧化还原酶)的抗体混合液，在发光液储存室(20)中注入化学发光液(显色液)。(见图3)
检测操作依次如下，使用伸缩式电磁铁、压电装置等机械装置或手动操作，使单向流动控制装置1(9)中空腔下部的弹性材料做往复式运动，驱动封闭液储存室(15)中的液体通过微流通道(2)流入S型微流通道反应区(25)，进行封闭。封闭30分钟后，使用伸缩式电磁铁、压电装置等机械装置或手动操作，使单向流动控制装置4(12)中空腔下部的弹性材料做往复式运动，驱动样品储存室(18)中的样品溶液通过微流通道(2)流入S型微流通道反应区(25)，进行孵育。孵育30分钟后，使用伸缩式电磁铁、压电装置等机械装置或手动操作，使单向流动控制装置2(10)中空腔下部的弹性材料做往复式运动，驱动清洗液储存室(16)中的清洗液液通过微流通道(2)流入S型微流通道反应区(25)，进行清洗。使用伸缩式电磁铁、压电装置等机械装置或手动操作，使单向流动控制装置5(13)中空腔下部的弹性材料做往复式运动，驱动标记抗体储存室(19)中的标记抗体溶液通过微流通道(2)流入S型微流通道反应区(25)，进行孵育。孵育30分钟后，使用伸缩式电磁铁、压电装置等机械装置或手动操作，使单向流动控制装置3(11)中空腔下部的弹性材料做往复式运动，驱动清洗液储存室2(17)中的清洗液通过微流通道(2)流入S型微流通道反应区(25)，进行清洗。使用伸缩式电磁铁、压电装置等机械装置或手动操作，使单向流动控制装置6(14)中空腔下部的弹性材料做往复式运动，驱动发光液(显色液)储存室(20)中的化学发光液通过微流通道流(2)入S型微流通道反应区(25)，随即进行成像、分析。结果照片如图4所示，从左向右第一列为胰岛素检测结果，第二列为细胞白介素6检测结果，第三列为C反应蛋白检测结果，图像中信号点的灰度值代表检测物的浓度，浓度越高灰度值越高，使用标准曲线法进行定量分析，得到胰岛素检测结果为0.57ng/mL，细胞白介素6检测结果为0.37ng/mL，C反应蛋白检测结果为3.6μg/mL。
试验例2、核酸检测
利用环介导等温扩增方法，检测猪流感病毒(Swine influence virus，SIV)。
查找出检测猪流感病毒(Swine influence virus,SIV)的NP蛋白基因片段并设计出引物。将软质材料通过粘贴或使用夹具紧密贴合于微流控管道层，在试剂储存室(28)中注入混合液。在样品储存室(29)中注入模板核酸片段，如图5所示。
检测操作依次如下，使用伸缩式电磁铁、压电装置等机械装置或手动操作，使单向流动控制装置7(26)中空腔下部的弹性材料做往复式运动，驱动试剂储存室(28)中的液体通过微流通道流入反应区(30)。使用伸缩式电磁铁、压电装置等机械装置或手动操作，使单向流动控制装置8(27)中空腔下部的弹性材料做往复式运动，驱动样品储存室(29)中的样品溶液通过微流通道流入反应区(30)，将其置于65℃恒温箱中进行反应。反应一段时间后，通过光纤阅读器对浊度变化进行分析。试验中，样品1，样品2，样品3、样品4的溶液中依次加入模板核酸片段0.5、1、1.5和2μL，然后将样品1，样品2，样品3，样品4，空白1，空白2依次加入样品储存室内进行反应，实验证明模板的量越多，产生的沉淀越多，浊度变化越大。检测结果如图8所示。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (10)

1.一种微流控液体单向流动控制结构，其特征在于，所述结构包括两层结构以及弹性片，其中，所述两层结构中：上层为微流控管道层，包括微流通道、限定弹性片的结构和空腔，下层为具有弹性的软质材料。
2.根据权利要求1所述的微流控液体单向流动控制结构，其特征在于，作为微流控管道层的上层为硬质或软质材料。
3.根据权利要求2所述的微流控液体单向流动控制结构，其特征在于，所述硬质材料选自以下一种或多种：塑料、石英和玻璃；和/或
所述软质材料选自以下一种或多种：丁苯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的微流控液体单向流动控制结构，其特征在于，所述弹性片是发生形变后可恢复原状的软质材料，由弹性片限定结构限定在微流通道内；
优选地，所述弹性片限定结构为半圆柱形或圆柱形。
5.根据权利要求4所述的微流控液体单向流动控制结构，其特征在于，所述弹性片两侧的微流通道横截面面积不同，当液体流通时，该弹性片在压力及吸力作用下产生的形变形成阀门。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的微流控液体单向流动控制结构，其特征在于，所述微流通道全部在作为微流控管道层的上层内分布。
7.一种多空腔或流路布局的微流控液体单向流动控制结构，其特征在于，所述结构为两个或多个根据权利要求1-6中任一项所述的微流控液体单向流动控制结构进行串联或并联而形成。
8.一种微流控芯片，其特征在于，所述芯片包含权利要求1-7中任一项所述的微流控液体单向流动控制结构，优选地，所述微流控液体单向流动控制结构在芯片内部形成泵阀。
9.一种控制通道开关和/或驱动液体流动的方法，其特征在于，所述方法包括：使用根据权利要求1-7中任一项所述的微流控液体单向流动控制结构。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括：通过控制所述空腔下部的下层弹性材料受到挤压或拉伸的频率可以控制液体的流速。
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