CN109647550B - 一种用于精准控制液滴融合的磁性液体液滴实验芯片 - Google Patents

一种用于精准控制液滴融合的磁性液体液滴实验芯片 Download PDF

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Abstract

一种用于精准控制液滴融合的磁性液体液滴实验芯片，适用于稀有生物检材的测定分析。该实验芯片包括：连续相溶液(1)，第一Y型通道(2)，第二Y型通道(3)，第三Y型通道(4)，待测溶液(5‑1)，第一磁性液体(5‑2)，检测溶液(6‑1)，第二磁性液体(6‑2)，第一复合液滴(7)，第二复合液滴(8)，T型通道(9)，控制线圈(10)，融合腔室(11)，第一十字通道(12)，第一反应腔室(13‑1)，第二反应腔室(13‑2)，第三反应腔室(13‑3)，第四反应腔室(13‑4)，第二十字通道(14)，第一电磁线圈(15‑1)，第二电磁线圈(15‑2)，第一铁芯(16‑1)，第二铁芯(16‑2)，微型刀片(17)，产物通道(18)。用于对液滴的运动和融合实现精准控制。

Description

一种用于精准控制液滴融合的磁性液体液滴实验芯片
技术领域
本发明属于生物测试领域，适用于对稀有生物检材进行测定分析。
背景技术
目前随着生物测试技术的发展，对测试的精度、速度、准确度提出了更高的要求。传统的生物测试往往是将生物检材粉末或者将其溶解后制备的溶液在试管中与相关溶液进行滴定，产生化学反应，进而确定生物检材的成分。
然而很多生物检材是极其稀有的，宏观的滴定方式对生物检材的消耗量过大，因此不允许采用这种方式进行测定分析，由此产生了提出了实验芯片的概念。国内对实验芯片的研究尚处于起步阶段，例如专利《用于碱度分析的芯片上实验室》(专利申请号：201180044579.6)，专利《一种用于生物实验室检测化学成分的实验芯片》(专利申请号：201410812276.X)，专利《实验芯片系统》(专利申请号：201490000623.2)等，都提出了不同的实验芯片结构，但是已有的各类实验芯片结构均缺乏对生物检材的流向控制，由于实验芯片的结构尺寸都在几百微米量级，不可能采用宏观的控制手段对生物检材的流向进行控制，因此需要引入新的技术应用于实验芯片中，以实现对生物检材的流向控制，流向控制的缺乏将造成实验芯片中生物检材流动方向的失控，尤其是当需要同时测定的样本较多时，对生物检材的流向控制就显得更为重要。目前在微流控芯片领域，对液滴的控制通常采用电场、温度场、机械振动和激光等方式，此类控制方式需要的支持系统庞大，费用高昂，不利于大规模使用。
此外，在待测溶液与检测溶液的液滴融合方面，目前常见的方法可以分为被动控制方法和主动控制方法，其中被动控制方法包括控制管道的几何尺寸或通过表面活性剂等方式；主动控制方法包括利用电场、磁场、表面声波、激光聚焦等方式，以上方式很难对空间分布的特定两个液滴实现精准的可控融合。
发明内容
本发明需要解决的技术问题：现有的实验芯片不能够对空间分布的特定两个液滴的运动轨迹实现精准控制并实现精准可控融合的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于精准控制液滴融合的磁性液体液滴实验芯片，该实验芯片包括：连续相溶液，第一Y型通道，第二Y型通道，第三Y型通道，待测溶液，第一磁性液体，检测溶液，第二磁性液体，第一复合液滴，第二复合液滴，T型通道，控制线圈，融合腔室，第一十字通道，第一反应腔室，第二反应腔室，第三反应腔室，第四反应腔室，第二十字通道，第一电磁线圈，第二电磁线圈，第一铁芯，第二铁芯，微型刀片，产物通道。
该实验芯片各部分之间的连接：
第一Y型通道、第二Y型通道、第三Y型通道通过闭合回路与T型通道相连，T型通道的出口连接融合腔室，融合腔室通过第一十字通道和第二十字通道分别与第一反应腔室、第二反应腔室、第三反应腔室、第四反应腔室相连，在融合腔室、第一十字通道、第二十字通道、第一反应腔室、第二反应腔室、第三反应腔室、第四反应腔室内部均分布有控制线圈。第二十字通道经微型刀片后与产物通道相连，在微型刀片的两端对称布置第一铁芯和第二铁芯，在第一铁芯的外部缠绕第一电磁线圈，在第二铁芯的外部缠绕第二电磁线圈，其中第一电磁线圈与第二电磁线圈参数完全相同，第一铁芯与第二铁芯参数完全相同。
连续相溶液经过第一Y型通道后，分别进入第一Y型通道的两条对称管路中。通过调节连续相溶液、待测溶液、第一磁性液体、检测溶液、第二磁性液体的流动速度比，使得待测溶液与第一磁性液体经过第二Y型通道后形成由第一磁性液体包裹待测溶液的第一复合液滴，第一复合液滴的内部为待测溶液，外部为第一磁性液体；使得检测溶液与第二磁性液体经过第三Y型通道后形成由第二磁性液体包裹检测溶液的第二复合液滴，第二复合液滴的内部为检测溶液，外部为第二磁性液体。形成的第一复合液滴和第二复合液滴在连续相溶液的作用下沿着芯片通道流动。当第一复合液滴和第二复合液滴流经T型通道后进入融合腔室，由于通道截面变大，使得第一复合液滴和第二复合液滴的流动速度降低，第一复合液滴和第二复合液滴逐渐靠近，在控制线圈所形成的磁场作用下，由于第一磁性液体、第二磁性液体对磁场的响应特性，使得第一复合液滴和第二复合液滴迅速在融合腔室内发生融合，融合后待测溶液、检测溶液在第一磁性液体、第二磁性液体形成的薄膜内部发生融合，在控制线圈所形成的磁场的作用下，待测溶液、检测溶液的融合充分而迅速。融合后的液滴在连续相溶液的作用下继续沿着芯片通道流动，经过第一十字通道、第二十字通道的过程中，能够根据需要控制融合后的液滴进入第一反应腔室、第二反应腔室、第三反应腔室、第四反应腔室中的任何一个，待待测溶液、检测溶液充分反应后，在控制线圈和连续相溶液的作用下继续沿着芯片通道流动，流经微型刀片时，第一磁性液体、第二磁性液体形成的薄膜被切开，第一电磁线圈与第二电磁线圈形成的磁场将第一磁性液体、第二磁性液体吸附到第一铁芯与第二铁芯上面，收集的第一磁性液体和第二磁性液体能够重复利用，而待测溶液、检测溶液的反应产物在连续相溶液的作用下进入产物通道以备检验。
连续相溶液、待测溶液、第一磁性液体、检测溶液、第二磁性液体互不相溶，通过调节连续相溶液、待测溶液、第一磁性液体、检测溶液、第二磁性液体之间的流动速度比，能够调整最终形成的第一复合液滴和第二复合液滴的大小及第一磁性液体和第二磁性液体的包覆厚度。
本发明的有益效果：
待测溶液被第一磁性液体包覆，检测溶液被第二磁性液体包覆，利用控制线圈对第一磁性液体和第二磁性液体的控制，间接对待测溶液和检测溶液的运动轨迹实现了精准控制，保证了待测溶液和检测溶液的迅速融合，融合后在微型刀片的作用下，实现了待测溶液、检测溶液的反应产物与第一磁性液体和第二磁性液体的分离，便于后期对产物的检测。这样就解决了对空间分布的特定两个液滴实现运动轨迹精准控制和可控融合的问题。
附图说明
图1一种用于精准控制液滴融合的磁性液体液滴实验芯片。
图中：连续相溶液1，第一Y型通道2，第二Y型通道3，第三Y型通道4，待测溶液5-1，第一磁性液体5-2，检测溶液6-1，第二磁性液体6-2，第一复合液滴7，第二复合液滴8，T型通道9，控制线圈10，融合腔室11，第一十字通道12，第一反应腔室13-1，第二反应腔室13-2，第三反应腔室13-3，第四反应腔室13-4，第二十字通道14，第一电磁线圈15-1，第二电磁线圈15-2，第一铁芯16-1，第二铁芯16-2，微型刀片17，产物通道18。
具体实施方式
以附图1为具体实施方式对本发明作进一步说明：
一种用于精准控制液滴融合的磁性液体液滴实验芯片，该实验芯片包括：连续相溶液1，第一Y型通道2，第二Y型通道3，第三Y型通道4，待测溶液5-1，第一磁性液体5-2，检测溶液6-1，第二磁性液体6-2，第一复合液滴7，第二复合液滴8，T型通道9，控制线圈10，融合腔室11，第一十字通道12，第一反应腔室13-1，第二反应腔室13-2，第三反应腔室13-3，第四反应腔室13-4，第二十字通道14，第一电磁线圈15-1，第二电磁线圈15-2，第一铁芯16-1，第二铁芯16-2，微型刀片17，产物通道18。
该实验芯片各部分之间的连接：
第一Y型通道2、第二Y型通道3、第三Y型通道4通过闭合回路与T型通道9相连，T型通道9的出口连接融合腔室11，融合腔室11通过第一十字通道12和第二十字通道14分别与第一反应腔室13-1、第二反应腔室13-2、第三反应腔室13-3、第四反应腔室13-4相连，在融合腔室11、第一十字通道12、第二十字通道14、第一反应腔室13-1、第二反应腔室13-2、第三反应腔室13-3、第四反应腔室13-4内部均分布有控制线圈10，如图1中螺旋线所示。第二十字通道14经微型刀片17后与产物通道18相连，在微型刀片17的两端对称布置第一铁芯16-1和第二铁芯16-2，在第一铁芯16-1的外部缠绕第一电磁线圈15-1，在第二铁芯16-2的外部缠绕第二电磁线圈15-2，其中第一电磁线圈15-1与第二电磁线圈15-2参数完全相同，第一铁芯16-1与第二铁芯16-2参数完全相同。
连续相溶液1经过第一Y型通道2后，分别进入第一Y型通道2的两条对称管路中，流动方向如图1所示。通过调节连续相溶液1、待测溶液5-1、第一磁性液体5-2、检测溶液6-1、第二磁性液体6-2的流动速度比，使得待测溶液5-1与第一磁性液体5-2经过第二Y型通道3后形成由第一磁性液体5-2包裹待测溶液5-1的第一复合液滴7，第一复合液滴7的内部为待测溶液5-1，外部为第一磁性液体5-2；使得检测溶液6-1与第二磁性液体6-2经过第三Y型通道4后形成由第二磁性液体6-2包裹检测溶液6-1的第二复合液滴8，第二复合液滴8的内部为检测溶液6-1，外部为第二磁性液体6-2，如图1所示。形成的第一复合液滴7和第二复合液滴8在连续相溶液1的作用下沿着芯片通道流动，流动方向如图1所示。当第一复合液滴7和第二复合液滴8流经T型通道9后进入融合腔室11，由于通道截面变大，使得第一复合液滴7和第二复合液滴8的流动速度降低，第一复合液滴7和第二复合液滴8逐渐靠近，在控制线圈10所形成的磁场作用下，由于第一磁性液体5-2、第二磁性液体6-2对磁场的响应特性，使得第一复合液滴7和第二复合液滴8迅速在融合腔室11内发生融合，融合后待测溶液5-1、检测溶液6-1在第一磁性液体5-2、第二磁性液体6-2形成的薄膜内部发生融合，在控制线圈10所形成的磁场的作用下，待测溶液5-1、检测溶液6-1的融合充分而迅速。融合后的液滴在连续相溶液1的作用下继续沿着芯片通道流动，经过第一十字通道12、第二十字通道14的过程中，能够根据需要控制融合后的液滴进入第一反应腔室13-1、第二反应腔室13-2、第三反应腔室13-3、第四反应腔室13-4中的任何一个，待待测溶液5-1、检测溶液6-1充分反应后，在控制线圈10和连续相溶液1的作用下继续沿着芯片通道流动，流经微型刀片17时，第一磁性液体5-2、第二磁性液体6-2形成的薄膜被切开，第一电磁线圈15-1与第二电磁线圈15-2形成的磁场将第一磁性液体5-2、第二磁性液体6-2吸附到第一铁芯16-1与第二铁芯16-2上面，收集的第一磁性液体5-2和第二磁性液体6-2能够重复利用，而待测溶液5-1、检测溶液6-1的反应产物在连续相溶液1的作用下进入产物通道18以备检验。
连续相溶液1、待测溶液5-1、第一磁性液体5-2、检测溶液6-1、第二磁性液体6-2互不相溶，通过调节连续相溶液1、待测溶液5-1、第一磁性液体5-2、检测溶液6-1、第二磁性液体6-2之间的流动速度比，能够调整最终形成的第一复合液滴7和第二复合液滴8的大小及第一磁性液体5-2和第二磁性液体6-2的包覆厚度。
待测溶液5-1被第一磁性液体5-2包覆，检测溶液6-1被第二磁性液体6-2包覆，利用控制线圈10对第一磁性液体5-2和第二磁性液体6-2的控制，间接对待测溶液5-1和检测溶液6-1的运动轨迹实现了精准控制，保证了待测溶液5-1和检测溶液6-1的迅速融合，融合后在微型刀片17的作用下，实现了待测溶液5-1、检测溶液6-1的反应产物与第一磁性液体5-2和第二磁性液体6-2的分离，便于后期对产物的检测，这样就解决了对空间分布的特定两个液滴实现运动轨迹精准控制和可控融合的问题。

Claims (1)

1.一种用于精准控制液滴融合的磁性液体液滴实验芯片，其特征在于：
该实验芯片包括：连续相溶液(1)，第一Y型通道(2)，第二Y型通道(3)，第三Y型通道(4)，待测溶液(5-1)，第一磁性液体(5-2)，检测溶液(6-1)，第二磁性液体(6-2)，第一复合液滴(7)，第二复合液滴(8)，T型通道(9)，控制线圈(10)，融合腔室(11)，第一十字通道(12)，第一反应腔室(13-1)，第二反应腔室(13-2)，第三反应腔室(13-3)，第四反应腔室(13-4)，第二十字通道(14)，第一电磁线圈(15-1)，第二电磁线圈(15-2)，第一铁芯(16-1)，第二铁芯(16-2)，微型刀片(17)，产物通道(18)；
第一Y型通道(2)、第二Y型通道(3)、第三Y型通道(4)通过闭合回路与T型通道(9)相连，T型通道(9)的出口连接融合腔室(11)，融合腔室(11)通过第一十字通道(12)和第二十字通道(14)分别与第一反应腔室(13-1)、第二反应腔室(13-2)、第三反应腔室(13-3)、第四反应腔室(13-4)相连，在融合腔室(11)、第一十字通道(12)、第二十字通道(14)、第一反应腔室(13-1)、第二反应腔室(13-2)、第三反应腔室(13-3)、第四反应腔室(13-4)内部均分布有控制线圈(10)，第二十字通道(14)经微型刀片(17)后与产物通道(18)相连，在微型刀片(17)的两端对称布置第一铁芯(16-1)和第二铁芯(16-2)，在第一铁芯(16-1)的外部缠绕第一电磁线圈(15-1)，在第二铁芯(16-2)的外部缠绕第二电磁线圈(15-2)，其中第一电磁线圈(15-1)与第二电磁线圈(15-2)参数完全相同，第一铁芯(16-1)与第二铁芯(16-2)参数完全相同。
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