CN109030368B - 一种与比色皿联用的微流控芯片使用方法 - Google Patents

一种与比色皿联用的微流控芯片使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种与比色皿联用的微流控芯片使用方法，其特征在于：开启进样系统样品液通过主通道，分液口，分样通道后进入阀体。开启混合系统，样液在阀体中初步混合，旋转阀体使方孔对齐聚液口，混合液通过聚液口形成水滴，滴落在均液室的半球体上发生溅射，产生更细小的水滴，顺着内壁滴入收集池，在收集池中充分静止混合。最后，将比色皿取下放入分光光度计中检测。本发明的有益效果是操作方便，样品混合效果好，操作流程适合现场检测。

Description

一种与比色皿联用的微流控芯片使用方法
技术领域
本发明涉及一种多通道微流控芯片的使用方法，具体说是一种用于重金属离子检测的，能够与多种规格的比色皿直接联用的多通道微流控芯片的使用方法。
技术背景
目前，随着各种工业、制造业的快速发展，农药及化肥的广泛使用，农田及河流中的重金属污染日益严重，重金属污染因其具有毒性、易通过食物链在植物，动物和人体内累积，对生态环境和人体健康构成严重威胁，已经越来越受到人们的关注。因此为了使重金属的检测简单廉价，一个简单的，切实可行的，耗试剂量少的测试装置成为迫切的需要。
微流控芯片又称芯片实验室或微全分析系统，通过微加工技术将化学中所涉及的样品预处理、反应、分离、检测，生命科学中所涉及的细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成在一块几平方厘米大小的芯片上，利用微通道网络灵活的操控整个实验系统，从而实现传统化学或生物实验室的各项功能。自从20世纪90年代初被首次提出以来，由于具有分析速度快、试剂消耗少、微型化、集成化和自动化的优点，微流控芯片已广泛应用于分析化学、合成化学、药物筛选、临床诊断、生物技术、环境检测等等领域。
目前，重金属离子的检测器具普遍以大型装置为主，有着诸多的限制。如果能用微流控技术，开发一种检测芯片及其使用方法，结合单色小型分光光度计装置，以实现重金属离子的检测，将会使重金属的低成本检测成为现实。
发明内容
本发明为解决重金属样品预处理的进样、分流、加试剂、混合和收集操作的困难，存在定量分析等方面的不足，提供了一种用于重金属离子检测的多通道微流控芯片及其使用方法，实现一种功能集成的组件，与小型分光光度计配套使用。
本发明的技术方案为，一种与比色皿联用的微流控芯片使用方法，由分流区、混合区、出液区三部分组成。其特征在于：所述芯片整体为长方体的厚片形状。按长方体的最长边竖直摆放，从顶端开始依次加工有分流区、混合区、出液区的各个功能部件。
所述分流区包括顶端的进样口、进样口下面的圆柱形储样池、和储样池下面连通的主通道，还包括分液口和分样通道。所述主通道通过分液口连接3个分样通道，3个分样通道在分液口分液后呈平行垂直等距离排布。所述分液口的宽度尺寸与主通道宽度一致，分液口的通道深度尺寸小于主通道深度尺寸。在分液口的通道里加工有用于分流的1个分流栏和2个小分流栏，或1个分流岛。所述分液口的3个分样通道口之间，即2个两侧分样通道口与1个中分样通道口之间加工有两个三角形分液尖角。
所述混合区包括每一个分样通道在同一水平面上水平加工的圆柱形阀门腔，阀门腔下底出口的聚液口，和在聚液口下面的均液室。所述阀门腔是与阀体配合加工的。所述阀体为圆柱体，能够在阀门腔内密闭旋转。所述阀体内部为中空瓶子状结构，阀体内部壁上加工有溶液刻度线，顶部密封盖加工成固定的旋钮，在旋钮的圆心加工有试剂开闭口。在阀体中部侧壁上加工有一个贯通的方孔，方孔的尺寸同分样通道与阀门腔的接口尺寸一致，并和阀门腔与聚液口的尺寸相对应一致，大小相同。所述聚液口为上大下小的圆台形贯通通道，下面连通的是均液室。所述均液室由一个空腔和一个半球体构成，半球体由支撑架架空在均液室的下部。均液室半球体的正上方是聚液口的加工位置，聚液口的下部出口尺寸大小可调，能够保证阀体内流出的液体以液滴形态滴在均液室半球体上。
所述出液区是由收集池和一个可伸缩的出液接口组成。所述收集池是在均液室的下面，与均液室相联通，收集存储经过均液室半球体的混合液滴。所述出液接口是一个能够伸缩的接口，在出液接口两侧端加工有滑轨，用于同比色皿的连接。在芯片下部的出液区还加工有控制伸缩出液接口的把手。在芯片的底部配套加工有密封整个芯片底部表面的密封底盖。其特征在于，使用方法包含如下步骤。
第一种细胞毒性实验：
（1）使用前，依据实验方案，计算试剂加入量和细胞试液的加入总量，根据芯片的阀体的容量大小，选择不同的芯片规格。将选好的已清洗干净备用的芯片，取下阀体和密封底盖，在紫外灯下灭菌消毒。然后用把手将出液接口推出，每个出液接口插上比色皿，竖直放置在芯片支架上。
（2）根据实验设计要求，将实验用的同种或不同种的一定浓度的重金属离子试剂溶液，通过阀体的试剂开闭口，分别加入到竖直放置的不同阀体的内部，要求试剂加入量不能超过阀体内部的溶液最高刻度线，保证试剂溶液在放平阀体后不能够从阀体轴中心的试剂开闭口溢出。用塞子封闭试剂开闭口，放平阀体并插入阀门腔，用旋钮旋转阀体的方孔呈水平方向，不与分样通道的下端口对齐；堵住试剂开闭口。
（3）从进样口，加入全部的实验用细胞悬浮液到储样池中，再用旋钮旋转全部阀体的方孔呈竖直朝上方向，与分样通道的下端口对齐。按“先两边、后中间”的原则，先同时取下芯片两边的对称阀体的试剂开闭口的封堵塞子，等到细胞悬浮液到达分样通道竖直段同中间的分样通道内的细胞悬浮液在同一水平面时，再取下中间阀体的试剂开闭口的封堵塞子，将储样池中的实验用细胞悬浮液分流到各个阀体内部。
（4）分流完成后，用旋钮旋转全部阀体的方孔呈竖直朝下方向，与聚液口对齐，放液。初步混合的液体由聚液口滴落在均液室的半球体上发生溅射，最后被收集池收集，并充分静止混合。
（5）混合液接收完后，按实验要求，再静止一段时间。随后，打开收集池11出口，将混合好的试液流入比色皿；最后取下比色皿放入分光光度计中检测。
（6）使用结束后，从芯片支架取下芯片，取出阀体，同比色皿三者一起清洗。待全部干燥后，用把手将出液接口推进去，密封底盖将底部盖上，保存备用。
第二种重金属测定实验：
操作步骤同前（1）、（4）至（6）；只是在（2）步骤中，3个阀体内，加入3种重金属的特定检测的试剂；在（3）步骤中，从进样口加入待测定重金属离子的样品液体。
上述技术方案优选的，所述每个分样通道能够与分液口结合，继续再分个为三个分样通道，即一个芯片能够分9条分样通道，连接分样通道以下的功能部件均一一对应地增加，能够形成9种混合液，接9个比色皿均。所述主通道和分样通道均采用等离子处理进行疏水表面处理。所述混合区的空腔及半球体均采用疏水表面处理。
上述技术方案优选的，所述分流栏在分液口通道的中心线上；2个小分流栏分列在其后部两侧。所述分流岛呈梭形，其前头的分流岛尖头和尾部的岛尾尖都在分液口通道的中心线上。分流岛的中后部，在对着两侧分样通道的开口处加工成中部凹面。
上述技术方案优选的，所述聚液口的下部出口尺寸大小，能够用直径尺寸不同的放入聚液口内的滴液珠来调整，每个聚液口内的滴液珠用防护网板来防止掉出和更换。
本发明以上技术方案主要有以下有益效果。
（1）均匀分流。分液口的设计，通过两个三角形的顶点，将通过主管道的试剂均匀分成3份，分别进入三个进样通道。
（2）溶液快速混合。聚液口的设计，可以将阀门内的混合液以水滴的形式滴落，控制了整个装置反应速率。将混合液以水滴的形态，有间隔滴落在半球体上，可以确保混合液形成无数更加细小的水滴，这些水滴混合后即得充分混合的溶液。并且整个混合区采用疏水材料涂层，避免表面溶液黏附。
（3）独特的出液接口。将出液接口设计成与当前手机常用的Type-C接口相似，使出液接口可以直接接入比色皿中，不同的试剂经过芯片混合后直接流入比色皿，省去了转移的步骤，最大化的减少试剂的浪费。并且在出液接口两端加入了滑轨的设计，在闲置时将出液接口缩入芯片内，并用盖子盖上，可以有效避免与外界接触产生污染。
附图说明
图1为本发明的一种主视结构示意图。
图2为本发明的一种右视结构示意图。
图3为本发明的一种阀体的主视和右视结构示意图。
图4为本发明的一种与比色皿装配使用的示意图。
图5为本发明的一种均液室的俯视结构示意图。
图6为本发明的一种分液口的结构示意图。
图 7为本发明的一种分液口的剖视示意图。
图8为本发明的一种分流岛的俯视结构示意图。
图9为本发明的一种聚液口的主视结构示意图。
图中：1.进样口；2.储样池；3.主通道；4.分液口；5.分样通道；6.阀门腔；7.聚液口；8.均液室；9.支撑架；10.滑轨；11.收集池；12.把手；13.出液接口；14.方孔；15.阀体；16.试剂开闭口；17.旋钮；18.密封底盖；19.比色皿；20.凸型液体头；21.分流栏；22.小分流栏；23.分液尖角；24.中分样通道；25.两侧分样通道；26.分流岛尖头；27.分流岛；28.（分流岛）中部凹面；29.岛尾尖；30.芯片支架；31.滴液珠；32.防护网板。
具体实施例
参照图1与图9的形状结构，一种与比色皿联用的微流控芯片使用方法，由分流区、混合区、出液区三部分组成。其特征在于：所述芯片整体为长方体的厚片形状。按长方体的最长边竖直摆放，从顶端开始依次加工有分流区、混合区、出液区的各个功能部件。
所述分流区包括顶端的进样口1、进样口1下面的圆柱形储样池2、和储样池2下面连通的主通道3，还包括分液口4和分样通道5。所述主通道3通过分液口4连接3个分样通道5，3个分样通道5在分液口4分液后呈平行垂直等距离排布。所述分液口4的宽度尺寸与主通道3宽度一致，分液口4的通道深度尺寸小于主通道3深度尺寸，此设计在于是液体在分液口4变速，利于分流。在分液口4的通道里加工有用于分流的1个分流栏21和2个小分流栏22，或1个分流岛27。所述分液口4的3个分样通道5口之间，即2个两侧分样通道25口与1个中分样通道24口之间加工有两个三角形分液尖角23。分液口4的分流功能部件的设计，在于根据计算机模拟出的最优尺寸参数，在恒定进样流速下或稳定加速状态下，精确均匀分流主通道3的样品液体。样品液体通过两个三角形的分流尖角23，将通过主通道3的样品液体分成3份，分别进入三个分样通道5。
所述混合区包括每一个分样通道5在同一水平面上水平加工的圆柱形阀门腔6，阀门腔6下底出口的聚液口7，和在聚液口7下面的均液室8。所述阀门腔6是与阀体15配合加工的；所述阀体15为圆柱体，能够在阀门腔6内密闭旋转。所述阀体15内部为中空瓶子状结构，阀体15内部壁上加工有溶液刻度线，能够观察加入到阀体15的溶液的多少，以方便精确计算，保证水平放置阀体15后，加入的液体不能够溢出。阀体15顶部密封盖加工成固定的旋钮17，在旋钮17的圆心加工有试剂开闭口16。在阀体15中部侧壁上加工有一个贯通的方孔14，方孔14的尺寸同分样通道5与阀门腔6的接口尺寸一致，并和阀门腔6与聚液口7的尺寸相对应一致，大小相同。试剂开闭口16位于整个阀体的顶部，主要用于加入重金属离子溶液，根据检测需求，也可以改加其它的试剂溶液。方孔14是开在阀体15侧面的一个正方形孔洞，主要作用是将阀体15内部与分样通道5和聚液口7相连接。因为整个阀体15只有一个方孔，所以当方孔没有对准分样通道5时，分样通道5的一段就会封闭，会存在一部分气体，溶液不能流下。整个阀体15的内部是一个中空结构，所以有一定的容积，可以暂时存储通过进样口2和分样通道5进入阀体15的溶液。所述聚液口7为上大下小的圆台形贯通通道，下面连通的是均液室8。所述均液室8由一个空腔和一个半球体构成，半球体由支撑架9架空在均液室8的下部。均液室8半球体的正上方是聚液口7的加工位置，聚液口7的下部出口尺寸大小可调，能够保证阀体15内流出的液体以液滴形态滴在均液室8半球体上。均液室8的主要构成就是半球体和支撑架9以及一个长方体的空腔，其中半球体的作用为使液滴溅射，支撑架9的作用为支撑半球体。聚液口7的设计，可以将阀体15内的混合液以水滴的形式滴落，控制了整个装置反应速率。将混合液以水滴的形态，有间隔滴落在均液室8的半球体上，可以确保混合液形成无数更加细小的水滴，这些水滴混合后即得充分混合的溶液。并且整个混合区采用疏水材料涂层，避免表面溶液黏附。混合区的位置在整个芯片的中下部，收集池11和出液接口13的上面一段。
所述出液区是由收集池11和一个可伸缩的出液接口13组成。所述收集池11是在均液室8下面，与均液室8相联通，收集和存储经过均液室8半球体的混合液滴。所述出液接口13是一个能够伸缩的接口，在出液接口13两侧端加工有滑轨10，用于同比色皿18连接。在芯片下部的出液区还加工有控制伸缩出液接口13的把手12；在芯片的底部配套加工有密封整个芯片底部表面的密封底盖18。将出液接口13设计成与当前电子产品常用的Type-C接口相似，使出液接口13能够直接接入比色皿中，经过芯片混合好不同的试剂，反应后直接流入比色皿，省去了转移的步骤，最大化的减少试剂的浪费。并且在出液接口13两端加入了滑轨的设计，在闲置时将出液口缩入芯片内，并用盖子盖上，可以有效避免与外界接触产生污染。密封底盖18作用为盖住芯片的底部，避免污染出液接口13。因为出液接口13为能够伸缩设计，在使用后需要将出液接口13缩入，然后将盖子盖上，即可将芯片混合区密封。本发明解决了重金属样品预处理装置在进样、分流、加试剂、混合的功能集成，提供了一种用于重金属离子检测的多通道微流控芯片。其特征在于，使用方法包含如下步骤。
第一种细胞毒性实验：
（1）使用前，依据实验方案，计算试剂加入量和细胞试液的加入总量，根据芯片的阀体15的容量大小，选择不同的芯片规格。将选好的已清洗干净备用的芯片，取下阀体15和密封底盖18，在紫外灯下灭菌消毒。然后用把手12将出液接口13推出，每个出液接口13插上比色皿19，竖直放置在芯片支架30上。
（2）根据实验设计要求，将实验用的同种或不同种的一定浓度的重金属离子试剂溶液，通过阀体15的试剂开闭口16，分别加入到竖直放置的不同阀体15的内部，要求试剂加入量不能超过阀体15内部的溶液最高刻度线，保证试剂溶液在放平阀体15后不能够从阀体15轴中心的试剂开闭口16溢出。用塞子封闭试剂开闭口16，放平阀体15并插入阀门腔6，用旋钮17旋转阀体15的方孔14呈水平方向，不与分样通道5的下端口对齐。堵住试剂开闭口16。
（3）从进样口1，加入全部的实验用细胞悬浮液到储样池2中，再用旋钮17旋转全部阀体15的方孔14呈竖直朝上方向，与分样通道5的下端口对齐。按“先两边、后中间”的原则，先同时取下芯片两边的对称阀体15的试剂开闭口16的封堵塞子，等到细胞悬浮液到达分样通道5竖直段同中间的分样通道5内的细胞悬浮液在同一水平面时，再取下中间阀体15的试剂开闭口16的封堵塞子，将储样池2中的实验用细胞悬浮液分流到各个阀体15内部。
（4）分流完成后，用旋钮17旋转全部阀体15的方孔14呈竖直朝下方向，与聚液口7对齐，放液。初步混合的液体由聚液口7滴落在均液室8的半球体上发生溅射，最后被收集池11收集，并充分静止混合。红细胞悬浮液通过主通道3，分液口4，分样通道5后进入阀体15，在阀体15中初步混合；阀体15旋转使方孔14对齐聚液口7。混合液通过聚液口7形成水滴，滴落在均液室8的半球体上发生溅射，产生更细小的水滴，顺着内壁滴入收集池11，在收集池11中充分静止混合。
（5）混合液接收完后，按实验要求，再静止一段时间。随后，打开收集池11出口，将混合好的试液流入比色皿19。最后取下比色皿19放入分光光度计中检测。
（6）使用结束后，从芯片支架30上取下芯片，取出阀体15，然后同比色皿19三者一同清洗。待全部干燥后，用把手12将出液接口13推进去，密封底盖18将底部盖上，保存备用。
说明：细胞毒性实验，更适合重金属离子毒性高或浓度含量高的活细胞毒性实验。
第二种重金属测定实验：
操作步骤同前（1）、（4）至（6）；只是在（2）步骤中，3个阀体内15，加入3种重金属的特定检测的试剂；在（3）步骤中，从进样口1加入待测定重金属离子的样品液体。
上述技术方案中，所述每个分样通道5能够与分液口4结合，继续再分个为三个分样通道5，即一个芯片能够分9条分样通道5，连接分样通道5以下的功能部件均一一对应地增加，能够混合9种试剂，接9个比色皿。所述主通道3和分样通道5均采用等离子处理进行疏水表面处理。所述混合区的空腔及半球体均采用疏水表面处理。例如：聚四氟乙烯（PTFE）涂层。
上述技术方案中，所述分流栏21在分液口4通道的中心线上，迎面将凸型液体头20分成2部分。2个小分流栏22分列在其后部两侧。所述分流岛27呈梭形，其前头的分流岛尖头26和尾部的岛尾尖29都在分液口4通道的中心线上。分流岛27的中后部，在对着两侧分样通道25的开口处加工成中部凹面28。中部凹面28作用是将分后的液体导入中分样通道24。
上述技术方案中，所述聚液口7的下部出口尺寸大小，能够用直径尺寸不同的放入聚液口7内的滴液珠31来调整，每个聚液口7内的滴液珠31用防护网板32来防止掉出和更换。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种与比色皿联用的微流控芯片使用方法，使用的芯片由分流区、混合区、出液区三部分组成；所述芯片整体为长方体的厚片形状；按长方体的最长边竖直摆放，从顶端开始依次加工有分流区、混合区、出液区的各个功能部件；
所述分流区包括顶端的进样口、进样口下面的圆柱形储样池、和储样池下面连通的主通道，还包括分液口和分样通道；所述主通道通过分液口连接3个分样通道，3个分样通道在分液口分液后呈平行垂直等距离排布；所述分液口的宽度尺寸与主通道宽度一致，分液口的通道深度尺寸小于主通道深度尺寸；在分液口的通道里加工有用于分流的1个分流栏和2个小分流栏，或1个分流岛；所述分液口的3个分样通道口之间，即2个两侧分样通道口与1个中分样通道口之间加工有两个三角形分液尖角；
所述混合区包括每一个分样通道在同一水平面上水平加工的圆柱形阀门腔，阀门腔下底出口的聚液口，和在聚液口下面的均液室；所述阀门腔是与阀体配合加工的；所述阀体为圆柱体，能够在阀门腔内密闭旋转；所述阀体内部为中空瓶子状结构，阀体内部壁上加工有溶液刻度线，顶部密封盖加工成固定的旋钮，在旋钮的圆心加工有试剂开闭口；在阀体中部侧壁上加工有一个贯通的方孔，方孔的尺寸同分样通道与阀门腔的接口尺寸一致，并和阀门腔与聚液口的尺寸相对应一致，大小相同；所述聚液口为上大下小的圆台形贯通通道，下面连通的是均液室；所述均液室由一个空腔和一个半球体构成，半球体由支撑架架空在均液室的下部；均液室半球体的正上方是聚液口的加工位置，聚液口的下部出口尺寸大小可调，能够保证阀体内流出的液体以液滴形态滴在均液室半球体上；
所述出液区是由收集池和一个可伸缩的出液接口组成；所述收集池是在均液室的下面，与均液室相联通，收集存储经过均液室半球体的混合液滴；所述出液接口是一个能够伸缩的接口，在出液接口两侧端加工有滑轨，用于同比色皿的连接；在芯片下部的出液区还加工有控制伸缩出液接口的把手；在芯片的底部配套加工有密封整个芯片底部表面的密封底盖；其特征在于，使用方法包含如下步骤；
第一种细胞毒性实验：
（1）使用前，依据实验方案，计算试剂加入量和细胞试液的加入总量，根据芯片的阀体的容量大小，选择不同的芯片规格；将选好的已清洗干净备用的芯片，取下阀体和密封底盖，在紫外灯下灭菌消毒；然后用把手将出液接口推出，每个出液接口插上比色皿，竖直放置在芯片支架上；
（2）根据实验设计要求，将实验用的同一种、或不是同一种的一定浓度的重金属离子试剂溶液，通过阀体的试剂开闭口，分别加入到竖直放置的不同阀体的内部，要求试剂加入量不能超过阀体内部的溶液最高刻度线，保证试剂溶液在放平阀体后不能够从阀体轴中心的试剂开闭口溢出；用塞子封闭试剂开闭口，放平阀体并插入阀门腔，用旋钮旋转阀体的方孔呈水平方向，不与分样通道的下端口对齐；堵住试剂开闭口；
（3）从进样口，加入全部的实验用细胞悬浮液到储样池中，再用旋钮旋转全部阀体的方孔呈竖直朝上方向，与分样通道的下端口对齐；按“先两边、后中间”的原则，先同时取下芯片两边的对称阀体的试剂开闭口的封堵塞子，等到细胞悬浮液到达分样通道竖直段同中间的分样通道内的细胞悬浮液在同一水平面时，再取下中间阀体的试剂开闭口的封堵塞子，将储样池中的实验用细胞悬浮液分流到各个阀体内部；
（4）分流完成后，用旋钮旋转全部阀体的方孔呈竖直朝下方向，与聚液口对齐，放液；初步混合的液体从聚液口滴落在均液室的半球体上，发生溅射，最后被收集池收集，并充分静止混合；
（5）混合液接收完后，按实验要求，再静止一段时间；随后，打开收集池11出口，将混合好的试液流入比色皿；最后取下比色皿放入分光光度计中检测；
（6）使用结束后，从芯片支架取下芯片，取出阀体，同比色皿三者一起清洗；待全部干燥后，用把手将出液接口推进去，密封底盖将底部盖上，保存备用；
第二种重金属测定实验：
操作步骤同前（1）、（4）至（6）；只是在（2）步骤中，3个阀体内，加入3种重金属的特定检测的试剂；在（3）步骤中，从进样口加入待测定重金属离子的样品液体。
2.根据权利要求1所述的一种与比色皿联用的微流控芯片使用方法，其特征在于：所述每个分样通道能够与分液口结合，继续再分个为三个分样通道，即一个芯片能够分9条分样通道，连接分样通道以下的功能部件均一一对应地增加，能够形成9种混合液，接9个比色皿；所述主通道和分样通道均采用等离子处理进行疏水表面处理；所述混合区的空腔及半球体均采用疏水表面处理。
3.根据权利要求1所述的一种与比色皿联用的微流控芯片使用方法，其特征在于：所述分流栏在分液口通道的中心线上；2个小分流栏分列在其后部两侧；所述分流岛呈梭形，其前头的分流岛尖头和尾部的岛尾尖都在分液口通道的中心线上；分流岛的中后部，在对着两侧分样通道的开口处加工成中部凹面。
4.根据权利要求1所述的一种与比色皿联用的微流控芯片使用方法，其特征在于：所述聚液口的下部出口尺寸大小，能够用直径尺寸不同的放入聚液口内的滴液珠来调整，每个聚液口内的滴液珠用防护网板来防止掉出和更换。
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