CN110038655A - 一种微流体控制芯片及系统 - Google Patents
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Abstract
一种微流体控制芯片及系统，芯片：上层基体、弹性膜和下层基体依次密封连接，上层基体内部依次开设有左侧流体腔、中间控制腔和右侧流体腔，且表面开设有气口A、气口B和气口C；下层基体中分别设有微流体通道A、微流体通道B和微流体通道C，表面设置有总进液口、总出液口、进液口A、出液口A、进液口B、出液口B和进出液口C；微流体通道A的两端分别与总进液口和进液口A连通；微流体通道B的两端分别与出液口A和进液口B连通，中部与进出液口C连通；微流体通道C的两端分别与出液口B和总出液口连通。系统：气路控制器通过气路与对应的气口连接，芯片的总进液口通过进液管路与待分配液体源连接。该控制芯片和系统能有效提高分液的精度。
Description
技术领域
本发明属于液体分配技术领域，具体涉及一种微流体控制芯片及系统。
背景技术
在生物、化学应用过程中，对液体试剂的移动和分配是其中最基本的操作。自动分液器是当前使用最为广泛的一种液体分配装置，传统的自动分液器多是基于压缩瓶内空气泵出液体，在出口处采用电磁阀控制流量，来达到吸液和分液的目的。对于这种工作方式，在进行微量液体的移取时，例如当待移取的液体体积小于1微升时，误差会急剧上升，分液的精度非常难以保证。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种微流体控制芯片及系统，该控制芯片能有效提高分液的精度，降低分液的误差，该控制系统能实现对分液的精确控制，有效保证精准的分液作业。
为了实现上述目的，本发明提供一种微流体控制芯片，包括上层基体、弹性膜和下层基体，所述上层基体、弹性膜和下层基体由上到下依次密封地连接，所述上层基体的内部在横向上依次开设有左侧流体腔、中间控制腔和右侧流体腔，其中中间控制腔的数量为至少一个；上层基体的表面开设有分别与左侧流体腔、中间控制腔和右侧流体腔相连通的气口A、气口B和气口C；气口B的数量与中间控制腔的数量相对应；
所述弹性膜弹性作用于下层基体的上表面；
所述下层基体的上表面在对应左侧流体腔的位置相间隔地开设有进液口A和出液口A，在对应中间控制腔的位置开设有进出液口C，进出液口C的数量与中间控制腔的数量相对应，在对应右侧流体腔的位置相间隔地开设有进液口B和出液口B；下层基体在远离弹性膜的表面还开设有总进液口和总出液口；下层基体的内部设置有微流体通道A、微流体通道B和微流体通道C；
所述微流体通道A的两端分别连通总进液口和进液口A；所述微流体通道B的两端分别连通出液口A和进液口B，其中部与进出液口C连通；所述微流体通道C的两端分别与出液口B和总出液口连通。
作为一种优选，所述弹性膜是一个整体或是分割开的弹性膜。
作为一种优选，弹性膜的厚度为0.01至5毫米。
作为一种优选，所述弹性膜在左侧流体腔和右侧流体腔中部分的最大弹性形变后的容积小于中间控制腔中部分的最大弹性变形后的容积，中间控制腔中部分的最大弹性变形后的容积小于等于10微升。
作为一种优选，所述中间控制腔的数量为两个，且两个中间控制腔中弹性膜最大弹性形变后的容积不相同。
本发明通过中间控制腔中的弹性膜在负压或正压的作用下吸取或泵出液体，并通过左侧液体腔中的弹性膜、右侧液体腔中的弹性膜来控制通断,进而能实现微量液滴的吸取和泵出控制。本发明以弹性隔膜吸取或者泵出的液量作为最基本的单元即最小分辨率，能以数量化的方式通过累积单个液滴单元的数目来实现不同剂量的液体分发，从而达到精确控制的效果。本发明在应用中，能通过类似打印的方式分发具有高度一致性的微液滴，能按所需求的液滴数目来进行分液。本发明能将现有技术中分液器的分辨率提高两个数量级以上，对微升体系液体操控的误差可以减小一个数量级，可广泛应用于各种高精度液体的分配操作。采用该设备可以通过直接稀释获取不同浓度的试剂，能取代以往的连续稀释产生浓度梯度的方法，不仅操作过程简单，还能有效节省昂贵试剂的成本，更重要的是能避免连续稀释过程中巨大的误差累积。本发明不仅具有高分辨率和高精度的优点，相对于当前的应用电磁阀的装置还具备结构简单、体积小、重量轻、成本低等诸多特点，具备更广的适用性和推广价值。
本发明还提供了一种微流体控制系统，包括气路控制器、待分配液体承载体和微流体控制芯片，所述气路控制器分别连接有第一气路、第二气路和第三气路，第二气路的数量与中间控制腔的数量相一致，第一气路、第二气路和第三气路远离气路控制器的一端分别与气口A、气口B和气口C连接；总进液口连接有进液管路，进液管路的进液端伸入到待分配液体承载体的底部。
该系统能通过控制第一气路、第二气路和第三气路的正负气压来实现精准的分液作业，能以数量化的方式来实现不同剂量液体的分发，能通过类似打印的方式分发具有高度一致性的微液滴，能按所需求的液滴数目来进行分液作业。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的结构示意图一；
图2是本发明的第一实施例的结构示意图二；
图3是本发明的第一实施例的结构示意图三；
图4是本发明的第一实施例的结构示意图四；
图5是本发明的第一实施例的结构示意图五；
图6是本发明的第一实施例的结构示意图六；
图7是本发明的第二实施例的结构示意图一；
图8是本发明的第二实施例的结构示意图二；
图9是本发明的第二实施例的结构示意图三；
图10是本发明的第二实施例的结构示意图四；
图11是本发明的第二实施例的结构示意图五；
图12是本发明的第二实施例的结构示意图六；
图13是本发明中系统的结构示意。
图中：1、上层基体，2、左侧流体腔，3、中间控制腔，4、右侧流体腔，5、进液口A，6、出液口A，7、出液口B，8、进液口B，9、进出液口C，10、气口A，11、气口B，12、气口C，13、总进液口，14、总出液口，15、微流体通道A，16、微流体通道B，17、微流体通道C，18、弹性膜，19、待分配液体承载体，20、进液管路，21、气路控制器，22、第一气路，23、第二气路，24、第三气路，25、下层基体，26、微孔板，27、微流体控制芯片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1:
如图1至图6所示，一种微流体控制芯片，包括上层基体1、弹性膜18和下层基体22，所述上层基体1、弹性膜18和下层基体22由上到下依次密封地连接，所述上层基体1的内部在横向上依次开设有左侧流体腔2、中间控制腔3和右侧流体腔4，其中中间控制腔3的数量为至少一个；上层基体1的表面开设有分别与左侧流体腔2、中间控制腔3和右侧流体腔4相连通的气口A10、气口B11和气口C12；气口B11的数量与中间控制腔3的数量相对应；
所述弹性膜18弹性作用于下层基体25的上表面；
所述下层基体25的上表面在对应左侧流体腔2的位置相间隔地开设有进液口A5和出液口A6，在对应中间控制腔3的位置开设有进出液口C9，进出液口C9的数量与中间控制腔3的数量相对应，在对应右侧流体腔4的位置相间隔地开设有进液口B8和出液口B9；下层基体25在远离弹性膜18的表面还开设有总进液口13和总出液口14；下层基体25的内部设置有微流体通道A15、微流体通道B16和微流体通道C17；
所述微流体通道A15的两端分别连通总进液口13和进液口A5；所述微流体通道B16的两端分别连通出液口A6和进液口B7，其中部与进出液口C9连通；所述微流体通道C17的两端分别与出液口B8和总出液口14连通。
作为一种优选，所述上层基体1和下层基体25可由金属、陶瓷、玻璃、塑料等一种材料或混合材料，经微加工或机加工制成。作为一种优选，所述上层基体1、下层基体25和所述弹性膜18可通过压合、螺丝固定、粘合剂粘合等任意一种或多种方式结合在一起。
作为一种优选，所述弹性膜18可以是一个整体，当然也可以是对应各个腔单独分隔开设置的弹性膜。
作为一种优选，弹性膜18的厚度为0.01至5毫米，可由pdms、全氟橡胶等材料制成。
作为一种优选，所述弹性膜18在左侧流体腔2和右侧流体腔4中部分的最大弹性形变后的容积小于中间控制腔3中部分的最大弹性形变后的容积，在中间控制腔3中的最大弹性形变后的容积小于等于10微升。
实施例2:
如图7至图12所示，与实施例1不同，本实施例中的中间控制腔3的数量为2个，且2个中间控制腔3中弹性膜18最大弹性形变后的容积不相同，作为一种优选，左侧的中间控制腔3的形变容积可以为500纳升，右侧的的中间控制腔3的形变容积可以为100纳升。左侧的中间控制腔3工作一次分液500纳升，右侧中间控制腔3工作一次分夜100纳升，如需分液600纳升，只需左右各工作一次，既提升了分液精度，又提高了分液速度。
如图13所示，本发明还提供了一种微流体控制系统，包括气路控制器21、待分配液体承载体19和微流体控制芯片27，所述气路控制器21分别连接有第一气路22、第二气路23和第三气路24，第二气路23的数量与中间控制腔21的数量相一致，第一气路22、第二气路23和第三气路24远离气路控制器21的一端分别与气口A10、气口B11和气口C12连接；当中间控制腔3的数量为2个时，第二气路23亦为2个，并分别与两个气口B11连接；总进液口13连接有进液管路20，进液管路20的进液端伸入到待分配液体承载体19的底部。在使用过程中，将微流体控制芯片27的下方设置有微孔板26，这样，由微流体控制芯片27总出液口14排出的液体即可分配到微孔板26上。
工作原理：
S1：如图1和图7所示，初始状态时，左侧流体腔2和右侧流体腔4中的弹性膜18均处于与其底部贴合的状态，即进液口A5和出液口A6之间、进液口B7和出液口B8之间均处于不连通的状态。
S2：如图2和图8所示，通过作用于气口A10的负压，实际应用过程中可以通过气路控制器21负压作用于第一气路22来实现，使左侧流体腔2中的弹性膜18发生弹性形变并远离下层基体25的上表面，以使进液口A5和出液口A6之间形成连通通路。
S3：如图3所示，通过作用于气口B11的负压，实际应用过程中可以通过气路控制器21负压作用于第二气路23来实现，使中间控制腔3中的弹性膜18发生弹性形变并远离下层基体25的上表面，以通过进出液口C9将待分配的液体吸入；当中间控制腔3具有2个时，如图9所示，可以通过气路控制器21负压作用于靠近左侧流体腔2的中间控制腔3的第二气路23，以使左侧的中间控制腔3中的弹性膜18发生弹性形变并远离下层基体25的上表面，以通过进出液口C9将待分配的液体吸入左侧的中间控制腔3中，以实现左侧中间控制腔3对应容积液体的吸取和后续的分配；当然也可以通过气路控制器21负压作用于靠近右侧流体腔4的中间控制腔3的第二气路23，以使右侧的中间控制腔3中的弹性膜18发生弹性形变并远离下层基体25的上表面，以通过进出液口C9将待分配的液体吸入右侧的中间控制腔3中，以实现右侧中间控制腔3对应容积液体的吸取和后续的分配；
S4：如图4和图10所示，通过作用于气口A10的正压，实际应用过程中可以通过气路控制器21正压作用于第一气路22来实现，使左侧流体腔2中的弹性膜18复位贴紧下层基体25的上表面，以关闭进液口A5和出液口A6之间的连通通路；
S5：如图5和图11所示，通过作用于气口C12的负压，实际应用过程中可以通过气路控制器21负压作用于第三气路24来实现，使右侧流体腔4中的弹性膜18发生弹性形变并远离下层基体25的上表面，以使进液口B7和出液口B8之间形成连通通路；
S6：如图6和图12所示，通过作用于吸有液体的对应的中间控制腔3的气口B11的正压，实际应用过程中可以通过气路控制器21正压作用于第二气路23来实现，使中间控制腔3中的弹性膜18向靠近下层基体25的上表面的方向移动，直至贴紧下层基体25的上表面，以将吸入的液体经过右侧流体腔3从总出液口14泵出；
S7：再回到S1，如此循环下去，液体就可以从总进液口13以每次固定体积流到总出液口14，该固定体积就是中间控制腔3中弹性膜18最大弹性形变后的容积。
Claims (6)
1.一种微流体控制芯片，包括上层基体(1)、弹性膜(18)和下层基体(22)，所述上层基体(1)、弹性膜(18)和下层基体(22)由上到下依次密封地连接，其特征在于，所述上层基体(1)的内部在横向上依次开设有左侧流体腔(2)、中间控制腔(3)和右侧流体腔(4)，其中中间控制腔(3)的数量为至少一个；上层基体(1)的表面开设有分别与左侧流体腔(2)、中间控制腔(3)和右侧流体腔(4)相连通的气口A(10)、气口B(11)和气口C(12)；气口B(11)的数量与中间控制腔(3)的数量相对应；
所述弹性膜(18)弹性作用于下层基体(25)的上表面；
所述下层基体(25)的上表面在对应左侧流体腔(2)的位置相间隔地开设有进液口A(5)和出液口A(6)，在对应中间控制腔(3)的位置开设有进出液口C(9)，进出液口C(9)的数量与中间控制腔(3)的数量相对应，在对应右侧流体腔(4)的位置相间隔地开设有进液口B(8)和出液口B(9)；下层基体(25)在远离弹性膜(18)的表面还开设有总进液口(13)和总出液口(14)；下层基体(25)的内部设置有微流体通道A(15)、微流体通道B(16)和微流体通道C(17)；
所述微流体通道A(15)的两端分别连通总进液口(13)和进液口A(5)；所述微流体通道B(16)的两端分别连通出液口A(6)和进液口B(7)，其中部与进出液口C(9)连通；所述微流体通道C(17)的两端分别与出液口B(8)和总出液口(14)连通。
2.根据权利要求1所述的一种微流体控制芯片，其特征在于，所述弹性膜(18)是一个整体或是分割开的弹性膜。
3.根据权利要求1所述的一种微流体控制芯片，其特征在于，所述弹性膜(18)的厚度为0.01至5毫米。
4.根据权利要求1或2所述的一种微流体控制芯片，其特征在于，所述弹性膜(18)在左侧流体腔(2)和右侧流体腔(4)中的最大弹性形变后的容积小于中间控制腔(3)中的最大弹性形变后的容积，在中间控制腔(3)中的最大弹性形变后的容积小于等于10微升。
5.根据权利要求3所述的一种微流体控制芯片，其特征在于，所述中间控制腔(3)的数量为两个，且两个中间控制腔(3)中弹性膜(18)最大弹性形变后的容积不相同。
6.一种微流体控制系统，包括气路控制器(21)和待分配液体承载体(19)，其特征在于，还包括如权利要求1至4任一项所述的微流体控制芯片(27)，所述气路控制器(21)分别连接有第一气路(22)、第二气路(23)和第三气路(24)，第二气路(23)的数量与中间控制腔(3)的数量相一致，第一气路(22)、第二气路(23)和第三气路(24)远离气路控制器(21)的一端分别与气口A(10)、气口B(11)和气口C(12)连接；总进液口(13)连接有进液管路(20)，进液管路(20)的进液端伸入到待分配液体承载体(19)的底部。
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