CN109847820A - 微流控芯片预封装装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了微流控芯片预封装装置及使用方法，属于生化检验设备领域，包括从上到下设置的盖板、液囊、密封膜和基板，所述基板的中部设有定位槽，所述液囊设置在所述定位槽内，所述定位槽下端的中部设有顶杆孔，所述液囊的中部设有避位孔，所述顶杆孔与所述避位孔上下对应设置，所述液囊的一端的下方设有与基板上流道连通的出口，所述密封膜与所述液囊的下端密封设置，所述密封膜上设有加长部，所述加长部在所述出口的上端折回后穿过所述避位孔固定在所述液囊远离所述出口的一端。本发明降低了液体试剂产生污染的风险，提高了开启方式的可靠性。

Description

微流控芯片预封装装置及使用方法

技术领域

本发明属于生化检验设备领域，涉及微流控芯片预封装装置及使用方法。

背景技术

微流控芯片技术是在微米尺度的流道中精确操纵和控制纳升和皮升量级流体(生物样品流体)的新技术，应用此技术可以把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测及细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米 (甚至更小)的芯片上，由微流道形成网络，以可控制流体贯穿整个系统，用以取代常规化学或生物实验室各种功能的一种技术平台。微流控芯片实验室的基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。其中，试剂预封装是微流控芯片在便携式分析领域应用的关键功能之一。

然而，在当前已有的微流控芯片系统中，试剂的预封装和长期保存方法常被忽略。在微流控系统操作之前，液体的处理多需要耗时的人工进样或体积大且不可移动的机械进样装置，步骤繁琐且费时费力，另外，除试剂进样外，可靠的试剂与封装释放(开启) 机制也很重要，在理想情况下，其应该足够可靠并能够在批量化生产线上实现，但是现有的预封装装置的封装及开启方式大多不能满足对芯片稳定性和抗振性的要求。

图1所示为现有技术提供的一种微流控芯片试剂的预封装装置的结构示意图。如图1 所示，该技术方案中的液体试剂的预封装装置由预封装液囊1-3和封接薄膜1-4两部分组成，在对液体试剂封装时，首先将液体试剂注入预封装液囊1-3中，然后将预封装液囊1-3和封接薄膜1-4进行密封处理，再将密封好的预封装装置放置于芯片中，即放置于芯片的基板1-1和盖板1-2所形成的样品槽1-6里。此结构需要在盖板1-2靠近样品槽1-6的一侧设置刺破端1-5，当需要液体试剂释放的时候，该预封装装置受到芯片下端向上的力的作用后被顶起，由刺破1-5将封接薄膜1-4刺破，从而将预封装液囊1-3内的液体试剂释放出来。

图1现有技术提供的预封装装置主要存在以下问题，为确保刺破端将封接薄膜刺破，液囊向上移动的距离必须足够大，这样就会导致刺破端有接触到也囊内封装的液体试剂的风险，从而对试剂带来污染，影响后期的检测，同时该装置也增加了对芯片盖板材质的要求。

发明内容

本发明要解决的问题是在于提供微流控芯片预封装装置及使用方法，降低了液体试剂产生污染的风险，提高了开启方式的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：微流控芯片预封装装置及使用方法，包括从上到下设置的盖板、液囊、密封膜和基板，所述基板的中部设有定位槽，所述液囊设置在所述定位槽内，所述定位槽下端的中部设有顶杆孔，所述液囊的中部设有避位孔，所述顶杆孔与所述避位孔上下对应设置，所述液囊的一端的下方设有与基板上流道连通的出口，所述密封膜与所述液囊的下端密封设置，所述密封膜上设有加长部，所述加长部在所述出口的上端折回后穿过所述避位孔固定在所述液囊远离所述出口的一端。

进一步的，所述液囊包括环形主体、固定端和流道端，所述固定端和流道端对称设置在所述环形主体的外圈且凸出所述环形主体设置，所述出口设在所述流道端的下方，所述密封膜还包括覆盖主体，所述覆盖主体与所述液囊的下端面外形一致且二者密封设置，所述加长部的一端在所述流道端的上方折回穿过所述避位孔后固锁在所述固定端上。

进一步的，所述覆盖主体的的中部设有减阻孔，所述减阻孔与所述避位孔的上下对应设置且二者直径相同，所述避位孔的直径大于所述顶杆孔的直径。

进一步的，所述加长部的宽度小于所述避位孔的直径，所述加长部的纵向方向相对所述避位孔的中心对称设置。

进一步的，所述密封膜与所述液囊采用易撕型封接结构。

进一步的，所述液囊的材质为高分子聚合物，包括但不限于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚二甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、丙烯腈-丁二烯-聚乙烯共聚合物(ABS)。

使用权利要求1所述的微流控芯片预封装装置的方法，包括以下步骤：

S1试剂注入：将液体试剂注入液囊内，注入过程中试剂不外泄，在液囊内振动，平缓；

S2液囊的密封：将密封膜覆压在所述液囊上且二者采用热压密封设置；

S3定位槽的密封：将密封好的液囊放到所述定位槽内，所述密封膜朝下设置，然后将盖板密封在所述基板上；

S4定位和液囊的打开：将上述第三步完成的结构放置到生化分析仪中，生化分析仪的顶杆通过顶杆孔向上顶密封好的液囊，顶杆行程分为两段，第一段位移为2-6mm，此段位移将液囊和基板一起顶到生化分析仪上端的限位位置；第二段位移为5-12mm，此段位移使密封膜的加长部受力，促使出口处的密封膜打开；

S5试剂的释放:基板即微流控芯片在生化分析仪的带动下高速旋转，液囊内的液体试剂从出口处飞出，通过与之对应的基板上的流道流进芯片的反应槽内。

进一步的，所述密封膜为三层铝箔复合薄膜，液囊为聚丙烯(PP)材质时，密封膜从上到下选择聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/铝(AL)/聚乙烯(PE)三层复合铝箔，热压温度为120-140度，热压时间为5-20秒；液囊为丙烯腈-丁二烯-聚乙烯共聚合物(ABS) 材质时，密封膜从上到下选择聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/铝(AL)/丙烯腈-丁二烯- 聚乙烯共聚合物(ABS)三层复合铝箔，热压温度为130-160度，热压时间为8-30秒。

进一步的，所述顶杆由凸轮组件驱动其升降，所述凸轮组件包括固定座、顶升垫片和双凸轮，所述顶升垫片相对所述固定座上下滑动连接，所述双凸轮通过电机驱动相对所述固定座转动，所述双凸轮设在所述顶升垫片的下端且驱动其上下运动，所述顶杆固设在所述顶升垫片的上端，所述双凸轮结构相同且平行设置，所述双凸轮均布在所述顶升垫片下端的两侧，所述双凸轮为平板凸轮结构，所述双凸轮包括第一上升弧段和第二上升弧段，所述第一上升弧段对应所述顶杆的第一段位移，所述第二上升弧段对应所述顶杆的第二段位置。

进一步的，基板在生化分析仪的带动下高速旋转，转速的范围为3000rpm-10000rpm，可根据液体的粘度选择初始转速，不低于3000rpm。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。

1、本发明设置开口和密封膜，通过密封膜与液囊密封撕裂的方式实现了液体试剂的打开，避免了开启结构与液体试剂直接接触的问题，降低了液体试剂产生污染的风险，为检测结果的准确性提供了可靠的保证，液囊中设置的出口结构，在开启的过程中只需要封接薄膜与开口密封处撕开即可，且封接薄膜与液囊采用常用的易撕型封接方案，提高了开启方式的可靠性；

2、设置固定端，方便对密封膜的一端进行固定，避免受力过程中，两端同时开裂，只需出口处开裂即可，提升动作的精确性，设置流道端，可固定出口的位置，保证出口与基板上的流道对应设置，而且可保证开裂位置的精确度；

3、加长部的纵向方向相对避位孔的中心对称设置，受到顶杆的作用力更加均匀，保证加长部位于顶杆的中间位置，加长部更容易带动出口上端的密封膜撕开，提升动作的精确度，保证工作效率；

4、顶杆孔可保证顶杆进入到基本的内部向上施力顶起液囊，避位孔的设置，可保证液囊到达上极限位置后，顶杆继续向上，保证顶杆对加长部施力，加长部在施力的过程中，带动出口处的密封膜撕裂，完成打开的动作，减阻孔的设置可减少顶杆向上挤压密封膜的阻力，保证快速打开密封膜，提升效率。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术的结构示意图；

图2是本发明微流控芯片预封装装置及使用方法的爆炸示意图；

图3是本发明液囊结构的俯视图；

图4是本发明密封膜的俯视图；

图5是本发明密封膜和液囊配合的结构示意图；

图6是本发明微流控芯片预封装装置及使用方法的剖视图；

图7是本发明微流控芯片预封装装置及使用方法在加长部被顶起后的剖视图；

图8是本发明微流控芯片预封装装置及使用方法不含盖板的俯视图；

图9是本发明凸轮组件的结构示意图；

图10是本发明凸轮组件初始状态的侧视图；

图11是本发明凸轮组件第一段位移状态的侧视图；

图12是本发明凸轮组件第二段位移状态的侧视图。

附图标记：

1、盖板；2、液囊；21、避位孔；22、环形主体；23、固定端；24、流道端；25、出口；3、密封膜；31、加长部；32、减阻孔；4、基板；41、顶杆孔；42、定位槽；5、顶杆；6、凸轮组件；61、固定座；62、顶升垫片；63、双凸轮；631、第一上升弧段； 632、第二上升弧段。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

如图2～图8所示，本发明为微流控芯片预封装装置及使用方法，包括从上到下设置的盖板1、液囊2、密封膜3和基板4，基板4的中部设有定位槽42，液囊2设置在定位槽42内，定位槽42下端的中部设有顶杆孔41，液囊2的中部设有避位孔21，顶杆孔41 与避位孔21上下对应设置，液囊2的一端的下方设有与基板4上流道连通的出口25，密封膜3与液囊2的下端密封设置，密封膜3上设有加长部31，加长部31在出口25的上端折回后穿过避位孔21固定在液囊2远离出口25的一端。

优选地，液囊2包括环形主体22、固定端23和流道端24，固定端23和流道端24 对称设置在环形主体22的外圈且凸出环形主体22设置，出口25设在流道端24的下方，密封膜3还包括覆盖主体，覆盖主体与液囊2的下端面外形一致且二者密封设置，加长部31的一端在流道端24的上方折回穿过避位孔21后固锁在固定端23上，设置固定端 23，方便对密封膜3的一端进行固定，避免受力过程中，两端同时开裂，只需出口25处开裂即可，提升动作的精确性，设置流道端24，可固定出口25的位置，保证出口25与基板4上的流道对应设置，而且可保证开裂位置的精确度。

优选地，覆盖主体的的中部设有减阻孔32，减阻孔32与避位孔21的上下对应设置且二者直径相同，避位孔21的直径略大于顶杆孔41的直径，顶杆孔41可保证顶杆进入到基本的内部向上施力顶起液囊2，避位孔21的设置，可保证液囊2到达上极限位置后，顶杆继续向上，保证顶杆对加长部31施力，加长部31在施力的过程中，带动出口25处的密封膜3撕裂，完成打开的动作，减阻孔32的设置可减少顶杆向上挤压密封膜3的阻力，保证快速打开密封膜3，提升效率。

优选地，加长部31的宽度小于避位孔21的直径，保证加长部31在收到顶杆作用的时候，方便加长部31快速的进入到避位孔21中，避免与避位孔21干涉，增加顶杆阻力，加长部31的纵向方向相对避位孔21的中心对称设置，受到顶杆的作用力更加均匀，保证加长部31位于顶杆的中间位置，加长部31更容易带动出口25上端的密封膜3撕开，提升动作的精确度，保证工作效率。

优选地，密封膜3与液囊2采用易撕型封接结构，保证密封的前提下，方便撕拉打开。

优选地，液囊2的材质为高分子聚合物，包括但不限于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚二甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、丙烯腈-丁二烯-聚乙烯共聚合物(ABS)，化学性能方面，采用以上材质在以下参数方面都具有良好的性能，强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、耐溶剂性以及电绝缘性、透光性、气密性。

使用权利要求1的微流控芯片预封装装置的方法，包括以下步骤：

S1试剂注入：将液体试剂注入液囊2内，注入过程中试剂不外泄，在液囊2内振动，平缓；

S2液囊2的密封：将密封膜3覆压在液囊2上且二者采用热压密封设置；

S3定位槽42的密封：将密封好的液囊2放到定位槽42内，密封膜3朝下设置，然后将盖板1密封在基板4上；

S4定位和液囊2的打开：将上述第三步完成的结构放置到生化分析仪中，生化分析仪的顶杆5通过顶杆5孔41向上顶密封好的液囊2，顶杆5行程分为两段，第一段位移为2-6mm，此段位移将液囊2和基板4一起顶到生化分析仪上端的限位位置；第二段位移为5-12mm，此段位移使密封膜3的加长部31受力，促使出口25处的密封膜3打开；

S5试剂的释放:基板4即微流控芯片在生化分析仪的带动下高速旋转，液囊2内的液体试剂从出口25处飞出，通过与之对应的基板4上的流道流进芯片的反应槽内。

严格按照以上步骤进行液囊2的密封和安装，可实现液囊2内试剂的准确释放，而且没有异物与液囊2内的试剂接触，保证试剂的纯净度，避免污染，提升测试效果的精确度，而且整个动作全部自动化完成，实现微流控芯片的自动控制，提升自动化程度，进而提升工作效率。

优选地，密封膜3为三层铝箔复合薄膜，液囊2为聚丙烯(PP)材质时，密封膜3 从上到下选择聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/铝(AL)/聚乙烯(PE)三层复合铝箔，热压温度为120-140度，热压时间为5-20秒；液囊2为丙烯腈-丁二烯-聚乙烯共聚合物(ABS) 材质时，密封膜3从上到下选择聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/铝(AL)/丙烯腈-丁二烯-聚乙烯共聚合物(ABS)三层复合铝箔，热压温度为130-160度，热压时间为8-30秒，严格按照以上参数和结构进行密封，最下层的材质与液囊2容易融合密封，密封效果好，而且热压密封过程中，严格按照设定的温度和时间去执行，提升密封效果。

优选地，如图9～图12所示，顶杆5由凸轮组件6驱动其升降，凸轮组件6包括固定座61、顶升垫片62和双凸轮63，顶升垫片62相对固定座61上下滑动连接，双凸轮 63通过电机驱动相对固定座61转动，双凸轮63设在顶升垫片62的下端且驱动其上下运动，顶杆5固设在顶升垫片62的上端，双凸轮63结构相同且平行设置，双凸轮63均布在顶升垫片62下端的两侧，双凸轮63为平板凸轮结构，双凸轮63包括第一上升弧段631 和第二上升弧段632，第一上升弧段631对应顶杆5的第一段位移，第二上升弧段632 对应顶杆5的第二段位置，采用凸轮结构进行顶杆5的升降，凸轮为机械结构，稳定性高，而且采用双凸轮63结构，使得顶升垫片62受力更加均衡，上下动作更加平稳，双凸轮63采用平板凸轮结构，在转动一周的过程中，即可实现第一段位移和第二段位移的变化，一个同时实现两段的间歇式升降，简化了升降结构，而且稳定可靠。

优选地，基板4在生化分析仪的带动下高速旋转，转速的范围为3000rpm-10000rpm，可根据液体的粘度选择初始转速，不低于3000rpm，粘度越大，转速越高，保证试剂顺利被排出，进入到基板4上的流道中。

在实际工作过程中，如图6和图7所示，首先在液囊2内注入液体试剂，液囊2下方靠近基板4的位置设置一个出口25，然后将密封膜3和液囊2采用易撕型封接结构密封在一起，密封膜3与液囊2在出口25密封处的上端设置折回结构的加长部31，当密封膜3和液囊2封接后，将加长部31折叠后固定在液囊2的固定端23，然后将封接好的液囊2放置在芯片基板4内的定位槽42内，最后将盖板1和基板4密封在一起，从而将整个机构密封在芯片内部，需要破封使用的时候，与该结构配合使用的机械装置会将顶杆通过基板4上的顶杆孔41向上顶液囊2和密封膜3，当液囊2的上端和盖板1接触后，顶杆通过顶杆孔41和避位孔21继续向上顶，加长部31由于受到顶杆向上的力的作用，密封膜3与液囊2封接的出口25处被撕开，然后基板4开始旋转，液囊2中密封的液体试剂在离心力的作用下，甩到微流控芯片的内部，即基板4上的流道中，避免了开启结构与液体试剂直接接触的问题，降低了液体试剂产生污染的风险，为检测结果的准确性提供了可靠的保证，液囊2中设置有出口25的结构，在开启的过程中只需要封接薄膜与开口密封处撕开即可，且封接薄膜与液囊2采用常用的易撕型封接方案，提高了开启方式的可靠性。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.微流控芯片预封装装置，其特征在于：包括从上到下设置的盖板、液囊、密封膜和基板，所述基板的中部设有定位槽，所述液囊设置在所述定位槽内，所述定位槽下端的中部设有顶杆孔，所述液囊的中部设有避位孔，所述顶杆孔与所述避位孔上下对应设置，所述液囊的一端的下方设有与基板上流道连通的出口，所述密封膜与所述液囊的下端密封设置，所述密封膜上设有加长部，所述加长部在所述出口的上端折回后穿过所述避位孔固定在所述液囊远离所述出口的一端。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片预封装装置，其特征在于：所述液囊包括环形主体、固定端和流道端，所述固定端和流道端对称设置在所述环形主体的外圈且凸出所述环形主体设置，所述出口设在所述流道端的下方，所述密封膜还包括覆盖主体，所述覆盖主体与所述液囊的下端面外形一致且二者密封设置，所述加长部的一端在所述流道端的上方折回穿过所述避位孔后固锁在所述固定端上。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片预封装装置，其特征在于：所述覆盖主体的的中部设有减阻孔，所述减阻孔与所述避位孔的上下对应设置且二者直径相同，所述避位孔的直径大于所述顶杆孔的直径。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片预封装装置，其特征在于：所述加长部的宽度小于所述避位孔的直径，所述加长部的纵向方向相对所述避位孔的中心对称设置。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片预封装装置，其特征在于：所述密封膜与所述液囊采用易撕型封接结构，包括但不限于超声波焊接、激光焊接、热压封接、胶黏密封。

6.根据权利要求1所述的微流控芯片预封装装置，其特征在于：所述液囊的材质为高分子聚合物，包括但不限于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚二甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、丙烯腈-丁二烯-聚乙烯共聚合物(ABS)。

7.使用权利要求1所述的微流控芯片预封装装置的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1试剂注入：将液体试剂注入液囊内，注入过程中试剂不外泄，在液囊内振动，平缓；

S2液囊的密封：将密封膜覆压在所述液囊上且二者采用热压密封设置；

S3定位槽的密封：将密封好的液囊放到所述定位槽内，所述密封膜朝下设置，然后将盖板密封在所述基板上；

S4定位和液囊的打开：将上述第三步完成的结构放置到生化分析仪中，生化分析仪的顶杆通过顶杆孔向上顶密封好的液囊，顶杆行程分为两段，第一段位移为2-6mm，此段位移将液囊和基板一起顶到生化分析仪上端的限位位置；第二段位移为5-12mm，此段位移使密封膜的加长部受力，促使出口处的密封膜打开；

S5试剂的释放:基板即微流控芯片在生化分析仪的带动下高速旋转，液囊内的液体试剂从出口处飞出，通过与之对应的基板上的流道流进芯片的反应槽内。

8.根据权利要求7所述的微流控芯片预封装装置的使用方法，其特征在于：所述密封膜为三层铝箔复合薄膜，液囊为聚丙烯(PP)材质时，密封膜从上到下选择聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/铝(AL)/聚乙烯(PE)三层复合铝箔，热压温度为120-140度，热压时间为5-20秒；液囊为丙烯腈-丁二烯-聚乙烯共聚合物(ABS)材质时，密封膜从上到下选择聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/铝(AL)/丙烯腈-丁二烯-聚乙烯共聚合物(ABS)三层复合铝箔，热压温度为130-160度，热压时间为8-30秒。

9.根据权利要求7所述的微流控芯片预封装装置的使用方法，其特征在于：所述顶杆由凸轮组件驱动其升降，所述凸轮组件包括固定座、顶升垫片和双凸轮，所述顶升垫片相对所述固定座上下滑动连接，所述双凸轮通过电机驱动相对所述固定座转动，所述双凸轮设在所述顶升垫片的下端且驱动其上下运动，所述顶杆固设在所述顶升垫片的上端，所述双凸轮结构相同且平行设置，所述双凸轮均布在所述顶升垫片下端的两侧，所述双凸轮为平板凸轮结构，所述双凸轮包括第一上升弧段和第二上升弧段，所述第一上升弧段对应所述顶杆的第一段位移，所述第二上升弧段对应所述顶杆的第二段位置。

10.根据权利要求7所述的微流控芯片预封装装置的使用方法，其特征在于：基板在生化分析仪的带动下高速旋转，转速的范围为3000rpm-10000rpm，可根据液体的粘度选择初始转速，不低于3000rpm。