CN110180612B - 一种微流控芯片及其微流驱动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微流控芯片及其微流驱动控制系统，属于微机电技术领域，该芯片包括控制层、PDMS薄膜层、流体通道层和玻璃基底,流体通道层设置有1个主通道和3个分选通道，分选通道的开关由控制层的热膨胀微阀门控制，该微流驱动控制系统包括观测装置和液流控制装置，本发明提出的微流控系统完整性的解决了微流聚焦、微流驱动和微流检测等技术问题，设计的分选系统能够针对不同检测物实现自动归类，设计的液流控制装置能够替代现有多个微流驱动泵，该方案推进了微流控芯片和微流驱动技术的科学研究。
Description
技术领域
本发明属于生物微机电技术领域，具体涉及一种微流控芯片及其微流驱动控制系统。
背景技术
微流控是一种精确控制和操控微尺度流体技术，微流控利用对于微尺度下流体的控制，是一个包括了工程学，物理学，化学，微加工和生物工程的多交叉学科。微流控芯片作为微流控技术的核心工具属于生物微机电技术领域重要技术分支，微流控检测芯片具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点，可以广泛的应用于生物、医学、化工等技术领域，现有技术中，微流控芯片的结构和功能单一，不具备自动检测、分选等功能，导致应用场景受限，制约了其发展，特别是，微流驱动控制系统多采用国外进口设备，缺少自主研发的微流驱动系统。
发明内容
有鉴于此，本发明提出的微流控系统完整性的解决了微流聚焦、微流驱动和微流检测等技术问题，设计的分选系统能够针对不同检测物实现自动归类，设计的液流控制装置能够替代现有多个微流驱动泵，该方案推进了微流控芯片和微流驱动技术的科学研究。
为了实现本发明的目的，本发明的微流控芯片采用如下技术方案：
一种微流控芯片包括控制层、PDMS薄膜层、流体通道层和玻璃基底，其中：所述控制层内设置有多个用于开、闭流体通道的微阀门，所述微阀门为热膨胀阀门；所述流体通道层内设置有1个主通道，主通道的输入端连通样品池，主通道的中部设置有观测段，主通道的输出端分别连接三个分选通道，所述分选通道的上方设置有所述微阀门；在所述输入端和观测段之间对称设置有聚焦鞘流组；在观测段和分选通道之间对称设置有驱动鞘流组；所述聚焦鞘流组用于控制检测物单行排列和运动、且包括第一鞘流通道和第二鞘流通道，在第一鞘流通道和第二鞘流通道的推动下，检测物能够依次进入观测段；所述驱动鞘流组用于驱动检测物前进、且包括第三鞘流通道和第四鞘流通道，在第三鞘流通道和第四鞘流通道的推动下，检测物按照设定进入不同的分选通道；所述分选通道包括第一分选通道、第二分选通道和第三分选通道，所述第一分选通道、第二分选通道和第三分选通道分别连通不同的分选池；所述微阀门包括第一微阀门、第二微阀门和第三微阀门，其中：所述第一微阀门设置在第一分选通道的上方，第一微阀门的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层形变以实现第一分选通道的导通或关闭，第二微阀门的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层形变以实现第二分选通道的导通或关闭，第三微阀门的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层形变以实现第三分选通道的导通或关闭；所述鞘流通道与主通道的夹角为72°，所述鞘流通道的两侧汇入斜边与主通道的夹角为16°。
优选的，所述微阀门的内部设置有加热片，所述加热片由铂材料制成，加热片采用相互盘绕且非交错的双螺旋曲线型结构，所述双螺旋曲线型结构的外轮廓宽度为700μm。
优选的，所述热膨胀阀门的阀腔采用圆形结构，圆形阀腔的半径为850μm，紧邻所述圆形阀腔的PDMS薄膜层的厚度为120μm。
优选的，所述控制层为玻璃材料，所述阀腔通过光刻工艺开设在所述控制层上，所述加热片通过溅射工艺设置在阀腔底部。
本发明的一种微流控芯片具有以下有益效果：
（1）该微流控芯片采用了新颖的聚焦角度和交口设计，鞘流通道与主通道存在一定的夹角，同时，鞘流通道汇入主通道时存在一个缓冲斜边，鞘流通道的过渡处均为圆角过渡，这种设计方案能够有效提升聚焦效果，实现低速下的良好聚焦，本发明方案中聚焦鞘流组中的液体流速仅为8-12m/s即可实现较好聚焦效果。
（2）本发明中包含有3个分选通道以及对应的微阀门，通过控制不同的微阀门关闭或打开实现不同检测物的归类和分选。
（3）本发明的方案能够与图像采集系统和计算机分析系统相结合，基于检测物的图像和视频，实现自动分析和分选。
（4）本发明采用的是新设计的热膨胀阀门，阀腔的直径、弹性PDMS薄膜层的厚度、加热片的材料、加热片的形状布局等都做了针对性的设计和优化，与气控阀门相比，一方面不再需要气泵和气路能够降低芯片的体积，另一方面可以降低阀门控制难度，只需要控制通电时间和通电电压即可，在10-20V电压的驱动下，该热膨胀阀门的延迟时间只有1.5-2s。
一种针对上述微流控芯片的微流驱动控制系统包括观测装置和液流控制装置，其中：
所述观测装置分为检测分析装置和分选观测装置，所述检测分析装置设置在观测段的一侧，检测分析装置用于获取检测物的物理形态或光谱信息，所述分选观测装置设置在输出端的一侧，分选观测装置用于反馈检测物的筛选运动轨迹，所述物理形态包括检测物的尺寸、轮廓和透明度信息，所述光谱信息包括拉曼光谱或荧光信息；
所述液流控制装置包括箱体、样品柱塞泵、第一鞘流柱塞泵、第二鞘流柱塞泵和传动组，其中：所述箱体内部设置有电源及控制板、电机、安装电机用的固定座、多个固定轴承座、两组滑动轴承座、安装滑动轴承座用的滑槽、以及驱动滑动轴承座运动的电磁铁和复位弹簧；所述样品柱塞泵包括样品管、样品推杆、样品塞头、样品齿条、样品进液管和样品出液管，所述样品管用于容放样品，所述样品推杆的一端可移动的安装在箱体上，样品推杆的另一端安装在样品管内，所述样品塞头用于密封样品管且安装在样品推杆的另一端，所述样品塞头和样品管内壁形成样品腔，所述样品进液管和样品出液管分别连通样品腔，样品进液管通过软管连通样品池，样品出液管通过软管连通主通道，所述样品齿条设置在样品推杆上，样品齿条由传动组驱动；所述第一鞘流柱塞泵包括第一鞘流管、第一鞘流推杆、第一鞘流塞头、第一鞘流齿条、第一鞘流进液管和第一鞘流出液管，所述第一鞘流管用于容放鞘流液，所述第一鞘流推杆的一端可移动的安装在箱体上，第一鞘流推杆的另一端安装在第一鞘流管内，所述第一鞘流塞头用于密封第一鞘流管且安装在第一鞘流推杆的另一端，所述第一鞘流塞头和第一鞘流管内壁形成第一鞘流腔，所述第一鞘流进液管和第一鞘流出液管分别连通第一鞘流腔，第一鞘流进液管连通鞘液池，第一鞘流出液管通过软管一分为二连通第一鞘流通道和第二鞘流通道，所述第一鞘流齿条设置在第一鞘流推杆上，第一鞘流齿条由传动组（驱动；所述第二鞘流柱塞泵包括第二鞘流管、第二鞘流推杆、第二鞘流塞头、第二鞘流齿条、第二鞘流进液管和第二鞘流出液管，所述第二鞘流管用于容放鞘流液，所述第二鞘流推杆的一端可移动的安装在箱体上，第二鞘流推杆的另一端安装在第二鞘流管内，所述第二鞘流塞头用于密封第二鞘流管且安装在第二鞘流推杆的另一端，所述第二鞘流塞头和第二鞘流管内壁形成第二鞘流腔，所述第二鞘流进液管和第二鞘流出液管分别连通第二鞘流腔，第二鞘流进液管连通鞘液池，第二鞘流出液管通过软管一分为二连通第三鞘流通道和第四鞘流通道；所述样品进液管、样品出液管、第一鞘流进液管、第一鞘流出液管、第二鞘流进液管和第二鞘流出液管上分别设置有手动阀门或电磁阀；所述传动组用于驱动第一鞘流柱塞泵、第二鞘流柱塞泵和样品柱塞泵工作。
优选的，所述传动组包括电机齿轮、样品减速齿轮、鞘流减速齿轮、第一鞘流传动锥轮、第一鞘离合锥轮、第一鞘流驱动锥轮、第一鞘流驱动齿轮、第二鞘流传动锥轮、第二鞘离合锥轮、第二鞘流驱动锥轮和第二鞘流驱动齿轮，其中：所述电机齿轮套设在电机转轴上，所述样品减速齿轮的一侧啮合电机齿轮；样品减速齿轮的一侧啮合样品齿条，所述鞘流减速齿轮、第一鞘流传动锥轮和第二鞘流传动锥轮同轴布置，鞘流减速齿轮啮合电机齿轮，第一鞘流传动锥轮和第二鞘流传动锥轮布置在鞘流减速齿轮的两侧；所述第一鞘离合锥轮安装在滑动轴承座上，所述第一鞘流驱动锥轮安装在第一鞘离合锥轮一侧，通过移动滑动轴承座能够实现第一鞘流传动锥轮、第一鞘离合锥轮和第一鞘流驱动锥轮之间的啮合或分离，所述第一鞘流驱动齿轮与第一鞘流驱动锥轮同轴设置，所述第一鞘流驱动齿轮啮合第一鞘流齿条；所述第二鞘离合锥轮安装在滑动轴承座上，所述第二鞘流驱动锥轮安装在第二鞘离合锥轮一侧，通过移动滑动轴承座能够实现第二鞘流传动锥轮、第二鞘离合锥轮和第二鞘流驱动锥轮之间的啮合或分离，所述第二鞘流驱动齿轮与第二鞘流驱动锥轮同轴设置，所述第二鞘流驱动齿轮啮合第二鞘流齿条。
优选的，所述第一鞘流传动锥轮和第一鞘流驱动锥轮的顶部、以及第二鞘流传动锥轮和第二鞘流驱动锥轮的底部分别开设有连接凹纹，所述第一鞘离合锥轮的底部以及第二鞘离合锥轮的顶部分别开设有对应的连接凸纹。
优选的，所述第一鞘流传动锥轮、第一鞘流驱动锥轮、第一鞘离合锥轮、第二鞘流传动锥轮、第二鞘流驱动锥轮和第二鞘离合锥轮均为台阶锥轮，所述台阶锥轮包括中部的连接台面以及两端的前锥面和后锥面，所述连接台面上设置有防滑纹。
优选的，所述复位弹簧为压簧，在电磁铁未通电时，复位弹簧驱动第一鞘离合锥轮或第二鞘离合锥轮远离传动锥轮组，当电磁铁通电时，电磁铁产生的磁场与设置在滑动轴承座的永磁铁磁场相同产生斥力推动第一鞘离合锥轮或第二鞘离合锥轮啮合传动锥轮组。
优选的，所述复位弹簧为拉簧，在电磁铁未通电时，复位弹簧驱动第一鞘离合锥轮或第二鞘离合锥轮啮合传动锥轮组，当电磁铁通电时，电磁铁产生的磁场与设置在滑动轴承座的永磁铁磁场相反产生吸力推动第一鞘离合锥轮或第二鞘离合锥轮远离传动锥轮组。
本发明的微流驱动控制系统具有以下有益效果：
（1）液流控制装置采用一个电机即可实现样品柱塞泵、第一鞘流柱塞泵和第二鞘流柱塞泵的驱动，特别是，能够实现第一鞘流柱塞泵和第二鞘流柱塞泵的分时驱动，在不同时段实现聚焦鞘流组或驱动鞘流组工作。
（2）通过设置不同的减速齿轮可以实现样品柱塞泵、第一鞘流柱塞泵和第二鞘流柱塞泵的不同推动速度，同时，由于采用的是齿轮连接方案能够实现同时启动、同时停止。
（3）设计的齿轮离合方案能够满足低功率的传输要求，结构简单、制作成本低，该齿轮离合系统可以使用磁力推动，磁力具有弹性，在弹性力和防滑纹路的作用下，可以实现齿轮的啮合和同步传动。
（4）该方法通过与观测装置结合，实现待检测物的分析和归类，观测装置可以包括CCD、摄像机、拉曼光谱检测装置或荧光检测装置中的一种或几种，基于检测物的图像和视频，由计算机自动进行自动检测、信号收集、数据处理，当分析结果判定出结构后，计算机控制微阀门开闭，从而使其进入相应管道，实现分选。
附图说明
图1为本发明中微流控芯片的流体通道层结构示意图；
图2为本发明中PDMS热控微阀的导通状态示意图；
图3为本发明中PDMS热控微阀的关闭结构示意图；
图4为本发明中PDMS热控微阀的加热片结构示意图；
图5为本发明中液流控制装置的柱塞泵结构示意图；
图6为本发明中液流控制装置的传动组结构示意图；
图7为本发明中离合锥轮工作示意图；
图8为本发明中传动离合装置的连接纹示意图；
图9为本发明中台阶锥轮结构示意图。
图中，1-微流控芯片、101-控制层、1011-第一微阀门、1012-第二微阀门、1013-第三微阀门、102-PDMS薄膜层、103-流体通道层、1031-主通道、10311-输入端、10312-观测段、10313-输出端、1032-第一鞘流通道、1033-第二鞘流通道、1034-第三鞘流通道、1035-第四鞘流通道、1036-第一分选通道、1037-第二分选通道、1038-第三分选通道、104-玻璃基底、2-观测装置、201-检测分析装置、202-分选观测装置、3-加热片、4-液流控制装置、41-箱体、42-样品柱塞泵、43-第一鞘流柱塞泵、44-第二鞘流柱塞泵、45-传动组、411-电源及控制板、412-电机、413-固定座、414-固定轴承座、415-滑动轴承座、416-滑槽、417-电磁铁、418-复位弹簧、421-样品管、422-样品推杆、423-样品塞头、424-样品齿条、425-样品进液管、426-样品出液管、431-第一鞘流管、432-第一鞘流推杆、433-第一鞘流塞头、434-第一鞘流齿条、435-第一鞘流进液管、436-第一鞘流出液管、441-第二鞘流管、442-第二鞘流推杆、443-第二鞘流塞头、444-第二鞘流齿条、445-第二鞘流进液管、446-第二鞘流出液管、451-电机齿轮、452-样品减速齿轮、453-鞘流减速齿轮、454-第一鞘流传动锥轮、455-第一鞘离合锥轮、456-第一鞘流驱动锥轮、457-第一鞘流驱动齿轮、458-第二鞘流传动锥轮、459-第二鞘离合锥轮、4510-第二鞘流驱动锥轮、4511-第二鞘流驱动齿轮、4512-连接凹纹、4513-连接凸纹、4514-连接台面、4515-前锥面、4516-后锥面。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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。术语“第一”、“第二”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”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。
如图1所示，微流控芯片1包括控制层101、PDMS薄膜层102、流体通道层103和玻璃基底104，其中，PDMS为polydimethylsiloxane的缩写，中文为聚二甲基硅氧烷，该材料是有机硅的一种，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料，微流控芯片1在计算机的控制下能够实现检测物的自动检测、聚焦、前进、静止、分选等功能。
实际操作时，控制层101、PDMS薄膜层102、流体通道层103和玻璃基底104是通过现有玻璃雕刻技术与聚合物转移粘合技术相结合进行制作的。
图1中，控制层101内设置有3个用于开、闭流体通道的微阀门；流体通道层103内设置有主通道1031，主通道1031的输入端10311连通样品池，主通道1031的中部设置有观测段10312，主通道1031的输出端10313分别连接3个分选通道，分选通道的上方设置有微阀门；在输入端10311和观测段10312之间对称设置有聚焦鞘流组；在观测段10312和分选通道之间对称设置有驱动鞘流组。
需要说明的是，聚焦鞘流组用于控制检测物单行排列和运动、且包括第一鞘流通道1032和第二鞘流通道1033，在第一鞘流通道1032和第二鞘流通道1033的推动下，检测物能够依次进入观测段10312；驱动鞘流组用于驱动检测物前进、且包括第三鞘流通道1034和第四鞘流通道1035，在第三鞘流通道1034和第四鞘流通道1035的推动下，检测物按照设定进入不同的分选通道。
具体的，图1中分选通道包括第一分选通道1036、第二分选通道1037和第三分选通道1038，第一分选通道1036、第二分选通道1037和第三分选通道1038分别连通不同的分选池。
需要说明的是，该方案的鞘流通道与主通道1031的夹角范围为72°，鞘流通道的汇入斜边与主通道的夹角为16°，聚焦鞘流组中的液体流速设定为8-12m/s，驱动鞘流组中的液体流速设定为6-10m/s。
具体的，微阀门和分选通道的数量可以灵活设置。
微阀门包括第一微阀门1011、第二微阀门1012和第三微阀门1013，其中：第一微阀门1011设置在第一分选通道1036的上方，第一微阀门1011的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层102形变以实现第一分选通道1036的导通或关闭，第二微阀门1012的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层102形变以实现第二分选通道1037的导通或关闭，第三微阀门1013的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层102形变以实现第三分选通道1038的导通或关闭。
如图2和图3所示，薄膜微阀结构是一种常用的微阀门，其采用聚二甲基硅氧烷制作，具体分上中下三层结构：上层为控制层101，中层为PDMS薄膜层102，下层为流体流动通道。上述微阀门为热膨胀阀门，热膨胀型微阀的原理是，通过对置于腔体内部的金属加热器加热，使封闭的腔体膨胀，从而产生弹性膜的向上形变，进而堵塞通道，完成流体通道的通断控制。
需要说明的是，微阀门的内部设置有加热片3，加热片3由铂材料制成，加热片3采用相互盘绕且非交错的双螺旋曲线型结构，双螺旋曲线型结构的外轮廓宽度为700μm，如图4所示。热膨胀阀门的阀腔采用圆形结构，圆形阀腔的半径为850μm，紧邻圆形阀腔的PDMS薄膜层102的厚度为120μm。控制层101为玻璃材料，阀腔通过光刻工艺开设在控制层101上，加热片3通过溅射工艺设置在阀腔底部。
具体的，采用光刻工艺在玻璃表面加工出阀腔，先在干净的玻璃表面旋涂光刻胶，光刻后，溅射15nm的Cr作为粘附层，接着溅射80nm的铂作为加热器，将溅射好的玻璃置于丙酮溶液中超声脱模，得到加热器。
本实施例中，为了实现芯片的自动控制，还包括观测装置2和液流控制装置4，其中：图2中，观测装置2分为检测分析装置201和分选观测装置202，检测分析装置201设置在观测段10312的一侧，检测分析装置201用于获取检测物的物理形态或光谱信息，分选观测装置202设置在输出端10313的一侧，分选观测装置202用于反馈检测物的筛选运动轨迹，物理形态包括检测物的尺寸、轮廓和透明度信息，光谱信息包括拉曼光谱或荧光信息。
具体的，检测分析装置201可以为高清CCD、高清摄像机、拉曼光谱检测装置或荧光检测装置中的一种，分选观测装置202可以为高清CCD或高清摄像机。
如图5、图6和图7所示，液流控制装置4包括箱体41、样品柱塞泵42、第一鞘流柱塞泵43、第二鞘流柱塞泵44和传动组45，其中：
箱体41内部设置有电源及控制板411、电机412、安装电机412用的固定座413、多个固定轴承座414、两组滑动轴承座415、安装滑动轴承座415用的滑槽416、以及驱动滑动轴承座415运动的电磁铁417和复位弹簧418，电源及控制板411用于为电机412供电，同时用于控制滑动轴承座415工作，电源及控制板411可以直接与上位机连接，电源及控制板411也可以设置有外部按钮，接收用户的手动控制，两组滑动轴承座415安装在滑槽416内，电磁铁417和复位弹簧418可以控制滑动轴承座415的位置，具体的如下：
情况一：复位弹簧418为拉簧，在电磁铁417未通电时，复位弹簧418驱动第一鞘离合锥轮455或第二鞘离合锥轮459啮合传动锥轮组，当电磁铁417通电时，电磁铁417产生的磁场与设置在滑动轴承座415的永磁铁磁场相反产生吸力推动第一鞘离合锥轮455或第二鞘离合锥轮459远离传动锥轮组。
情况二：复位弹簧418为压簧，在电磁铁417未通电时，复位弹簧418驱动第一鞘离合锥轮455或第二鞘离合锥轮459远离传动锥轮组，当电磁铁417通电时，电磁铁417产生的磁场与设置在滑动轴承座415的永磁铁磁场相同产生斥力推动第一鞘离合锥轮455或第二鞘离合锥轮459啮合传动锥轮组。
图中，样品柱塞泵42包括样品管421、样品推杆422、样品塞头423、样品齿条424、样品进液管425和样品出液管426，样品管421用于容放样品，样品推杆422的一端可移动的安装在箱体41上，样品推杆422的另一端安装在样品管421内，样品塞头423用于密封样品管421且安装在样品推杆422的另一端，样品塞头423和样品管421内壁形成样品腔，样品进液管425和样品出液管426分别连通样品腔，样品进液管425通过软管连通样品池，样品出液管426通过软管连通主通道1031，样品齿条424设置在样品推杆422上，样品齿条424由传动组45驱动，第一鞘流柱塞泵43包括第一鞘流管431、第一鞘流推杆432、第一鞘流塞头433、第一鞘流齿条434、第一鞘流进液管435和第一鞘流出液管436，第一鞘流管431用于容放鞘流液，第一鞘流推杆432的一端可移动的安装在箱体41上，第一鞘流推杆432的另一端安装在第一鞘流管431内，第一鞘流塞头433用于密封第一鞘流管431且安装在第一鞘流推杆432的另一端，第一鞘流塞头433和第一鞘流管431内壁形成第一鞘流腔，第一鞘流进液管435和第一鞘流出液管436分别连通第一鞘流腔，第一鞘流进液管435连通鞘液池，第一鞘流出液管436通过软管一分为二连通第一鞘流通道1032和第二鞘流通道1033，第一鞘流齿条434设置在第一鞘流推杆432上，第一鞘流齿条434由传动组45驱动；第二鞘流柱塞泵44包括第二鞘流管441、第二鞘流推杆442、第二鞘流塞头443、第二鞘流齿条444、第二鞘流进液管445和第二鞘流出液管446，第二鞘流管441用于容放鞘流液，第二鞘流推杆442的一端可移动的安装在箱体41上，第二鞘流推杆442的另一端安装在第二鞘流管441内，第二鞘流塞头443用于密封第二鞘流管441且安装在第二鞘流推杆442的另一端，第二鞘流塞头443和第二鞘流管441内壁形成第二鞘流腔，第二鞘流进液管445和第二鞘流出液管446分别连通第二鞘流腔，第二鞘流进液管445连通鞘液池，第二鞘流出液管446通过软管一分为二连通第三鞘流通道1034和第四鞘流通道1035；样品进液管425、样品出液管426、第一鞘流进液管435、第一鞘流出液管436、第二鞘流进液管445和第二鞘流出液管446上分别设置有手动阀门或电磁阀。
具体的，箱体41上设置有3个通孔，通孔上安装有滑动轴承以保证样品推杆422、第一鞘流推杆432、第二鞘流推杆442灵活移动。
具体工作时，只需要控制电机412的正反转以及电磁阀的通断，即可实现样品柱塞泵42、第一鞘流柱塞泵43、第二鞘流柱塞泵44的自动吸液和推液体，真正意义上实现自动上液。
图中，传动组45用于驱动第一鞘流柱塞泵43、第二鞘流柱塞泵44和样品柱塞泵42工作，具体的，传动组45包括电机齿轮451、样品减速齿轮452、鞘流减速齿轮453、第一鞘流传动锥轮454、第一鞘离合锥轮455、第一鞘流驱动锥轮456、第一鞘流驱动齿轮457、第二鞘流传动锥轮458、第二鞘离合锥轮459、第二鞘流驱动锥轮4510和第二鞘流驱动齿轮4511，其中：电机齿轮451套设在电机412转轴上，样品减速齿轮452的一侧啮合电机齿轮451；样品减速齿轮452的一侧啮合样品齿条424，鞘流减速齿轮453、第一鞘流传动锥轮454和第二鞘流传动锥轮458同轴布置，鞘流减速齿轮453啮合电机齿轮451，第一鞘流传动锥轮454和第二鞘流传动锥轮458布置在鞘流减速齿轮453的两侧；第一鞘离合锥轮455安装在滑动轴承座415上，第一鞘流驱动锥轮456安装在第一鞘离合锥轮455一侧，通过移动滑动轴承座415能够实现第一鞘流传动锥轮454、第一鞘离合锥轮455和第一鞘流驱动锥轮456之间的啮合或分离，第一鞘流驱动齿轮457与第一鞘流驱动锥轮456同轴设置，第一鞘流驱动齿轮457啮合第一鞘流齿条434；第二鞘离合锥轮459安装在滑动轴承座415上，第二鞘流驱动锥轮4510安装在第二鞘离合锥轮459一侧，通过移动滑动轴承座415能够实现第二鞘流传动锥轮458、第二鞘离合锥轮459和第二鞘流驱动锥轮4510之间的啮合或分离，第二鞘流驱动齿轮4511与第二鞘流驱动锥轮4510同轴设置，第二鞘流驱动齿轮4511啮合第二鞘流齿条434。
具体的工作时，电机412的输出扭矩通过电机齿轮451一分为二，一部分传递给样品减速齿轮452，另一部分传递给鞘流减速齿轮453，样品减速齿轮452通过样品齿条424带动样品推杆422移动实现样品柱塞泵42工作；鞘流减速齿轮453带动同轴设置的第一鞘流传动锥轮454和第二鞘流传动锥轮458，如果第一鞘离合锥轮455和第二鞘离合锥轮459没有介入传动组，第一鞘流传动锥轮454和第二鞘流传动锥轮458在空转，当第一鞘离合锥轮455或第二鞘离合锥轮459介入传动组时，对应的第一鞘流驱动锥轮456或第二鞘流驱动锥轮4510开始工作，以驱动对应的齿轮齿条工作。
需要说明的是，离合锥轮采用弹性材料制成、表面可以设置纹理等增加摩擦力，本实施例中可以使用尼龙或橡胶材料，在第一鞘流传动锥轮454和第一鞘流驱动锥轮456的顶部、以及第二鞘流传动锥轮458和第二鞘流驱动锥轮4510的底部分别开设有连接凹纹4512，第一鞘离合锥轮455的底部以及第二鞘离合锥轮459的顶部分别开设有对应的连接凸纹4513，这种设计方案，在第一鞘流传动锥轮454和第二鞘流传动锥轮458高速空转时，离合锥轮可以逐步与其接触，通过摩擦力逐步同步，当连接凹纹4512和连接凸纹4513啮合在一起时，实现同步转动，避免打滑。
需要进一步说明的是，第一鞘流传动锥轮454、第一鞘流驱动锥轮456、第一鞘离合锥轮455、第二鞘流传动锥轮458、第二鞘流驱动锥轮4510和第二鞘离合锥轮459也可以采用台阶锥轮方案，台阶锥轮包括中部的连接台面4514以及两端的前锥面4515和后锥面4516，所述连接台面4514上设置有防滑纹，防滑纹可以为直齿、波浪纹等。
本实施例中，上述微流控芯片的具体使用方法包括如下步骤：
步骤1芯片安装：微流控芯片中主通道1031的输入端10311通过样品柱塞泵42连通样品池，微流控芯片的第一分选通道1036、第二分选通道1037和第三分选通道1038分别连通第一分选池、第二分选池和第三分选池，微流控芯片的第一鞘流通道1032和第二鞘流通道1033通过软管连接第一鞘流柱塞泵43，第三鞘流通道1034和第四鞘流通道1035通过软管连通第二鞘流柱塞泵44，第一微阀门1011、第二微阀门1012和第三微阀门1013内部的加热片5通过线路连接电源控制器；
步骤2检测物聚焦：聚焦鞘流组以8-12m/s的液体流速开始工作，聚焦鞘流组工作5-10s后，样品柱塞泵开始工作、并带动样品池中的检测物进入主通道1031，检测物在聚焦鞘流组的作用下逐步聚焦成单行排列，直到检测物进入观测段10312内，聚焦鞘流组停止工作；
具体的，聚焦鞘流组通过第一鞘流柱塞泵43控制。
步骤3检测物分析：聚焦鞘流组停止工作后，检测物停止在观测段10312内，检测分析装置201获取检测物的物理形态或光谱信息，基于物理形态或光谱信息确定检测物的分类；
具体的，检测分析装置201为高清CCD、高清摄像机、拉曼光谱检测装置或荧光检测装置中的一种，检测分析装置201的采集结果上传至上位机，上位机基于物理形态或光谱信息进行进一步的分析和比对，以确定检测物特性，物理形态包括检测物的尺寸、轮廓和透明度信息，光谱信息包括拉曼光谱或荧光信息，检测物可以是细胞、蛋白质、荧光标记的化学物质等等。
步骤4分选准备：检测分析装置201确定检测物的分类信息后，聚焦鞘流组以8-12m/s的液体流速开始工作，驱动鞘流组以8-12m/s的液体流速开始工作，同时，第一微阀门1011、第二微阀门1012或第三微阀门1013中对应的微阀门处于未加热状态、阀腔未膨胀，对应的分选通道打开，其他微阀门的加热片5加热使其对应通道关闭，分选观测装置202采集驱动鞘流组和微阀门以及分选通道的工作状态，确定正确的分选通道打开；
具体的，分选观测装置202为高清CCD或高清摄像机，具体的确定工作可以根据微阀门的形态确定，也可以人工通过肉眼观测放大的采集图像或视频信息确定。
步骤5检测物分选：检测物在驱动鞘流组的推动下进入确定的分选通道，分选观测装置202确定检测物通过对应的微阀门后，微阀门的加热片5开始工作，阀腔开始膨胀并关闭对应阀门，通过微阀门后的检测物在间隙微流的推动下进入确定的分选池；
具体的，检测物可以是细胞、蛋白质、化工微物质等。
步骤6执行步骤2。
具体的，间隙微流是由微阀门和分选通道之间的间隙产生的，在设计时，微阀门即使完全充气，也会在微阀门和对应分选通道之间留一部分间隙以便产生间隙微流推动检测物落入分选池。
需要说明的是，整个控制过程需要结合计算机编程实现，也可以基于人工操作实现，例如，微阀门、微流泵和柱塞泵的控制均由人工操作，检测分析装置201和分选观测装置202的采集放大结果由人工判断，随着数据库的扩充和完善，再逐步过渡到完全的计算机自动化控制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种微流控芯片系统，其特征在于，微流控芯片（1）包括控制层（101）、PDMS薄膜层（102）、流体通道层（103）和玻璃基底（104），其中：所述控制层（101）内设置有多个用于开、闭流体通道的微阀门，所述微阀门为热膨胀阀门；所述流体通道层（103）内设置有1个主通道（1031），主通道（1031）的输入端（10311）连通样品池，主通道（1031）的中部设置有观测段（10312），主通道（1031）的输出端（10313）分别连接三个分选通道，所述分选通道的上方设置有所述微阀门；在所述输入端（10311）和观测段（10312）之间对称设置有聚焦鞘流组；在观测段（10312）和分选通道之间对称设置有驱动鞘流组；所述聚焦鞘流组用于控制检测物单行排列和运动、且包括第一鞘流通道（1032）和第二鞘流通道（1033），在第一鞘流通道（1032）和第二鞘流通道（1033）的推动下，检测物能够依次进入观测段（10312）；所述驱动鞘流组用于驱动检测物前进、且包括第三鞘流通道（1034）和第四鞘流通道（1035），在第三鞘流通道（1034）和第四鞘流通道（1035）的推动下，检测物按照设定进入不同的分选通道；所述分选通道包括第一分选通道（1036）、第二分选通道（1037）和第三分选通道（1038），所述第一分选通道（1036）、第二分选通道（1037）和第三分选通道（1038）分别连通不同的分选池；所述微阀门包括第一微阀门（1011）、第二微阀门（1012）和第三微阀门（1013），其中：所述第一微阀门（1011）设置在第一分选通道（1036）的上方，第一微阀门（1011）的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层（102）形变以实现第一分选通道（1036）的导通或关闭，第二微阀门（1012）的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层（102）形变以实现第二分选通道（1037）的导通或关闭，第三微阀门（1013）的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层（102）形变以实现第三分选通道（1038）的导通或关闭；所述鞘流通道与主通道（1031）的夹角为72°，所述鞘流通道的两侧汇入斜边与主通道的夹角为16°；所述微阀门的内部设置有加热片（3），所述加热片（3）由铂材料制成，加热片（3）采用相互盘绕且非交错的双螺旋曲线型结构，所述双螺旋曲线型结构的外轮廓宽度为700μm；所述热膨胀阀门的阀腔采用圆形结构，圆形阀腔的半径为850μm，紧邻所述圆形阀腔的PDMS薄膜层（102）的厚度为120μm；所述控制层（101）为玻璃材料，所述阀腔通过光刻工艺开设在所述控制层（101）上，所述加热片（3）通过溅射工艺设置在阀腔底部;
还包括微流控芯片的微流驱动控制系统，所述微流驱动控制系统包括观测装置（2）和液流控制装置（4），其中：所述观测装置（2）分为检测分析装置（201）和分选观测装置（202），所述检测分析装置（201）设置在观测段（10312）的一侧，检测分析装置（201）用于获取检测物的物理形态或光谱信息，所述分选观测装置（202）设置在输出端（10313）的一侧，分选观测装置（202）用于反馈检测物的筛选运动轨迹，所述物理形态包括检测物的尺寸、轮廓和透明度信息，所述光谱信息包括拉曼光谱或荧光信息；所述液流控制装置（4）包括箱体（41）、样品柱塞泵（42）、第一鞘流柱塞泵（43）、第二鞘流柱塞泵（44）和传动组（45），其中：所述箱体（41）内部设置有电源及控制板（411）、电机（412）、安装电机（412）用的固定座（413）、多个固定轴承座（414）、两组滑动轴承座（415）、安装滑动轴承座（415）用的滑槽（416）、以及驱动滑动轴承座（415）运动的电磁铁（417）和复位弹簧（418）；所述样品柱塞泵（42）包括样品管（421）、样品推杆（422）、样品塞头（423）、样品齿条（424）、样品进液管（425）和样品出液管（426），所述样品管（421）用于容放样品，所述样品推杆（422）的一端可移动的安装在箱体（41）上，样品推杆（422）的另一端安装在样品管（421）内，所述样品塞头（423）用于密封样品管（421）且安装在样品推杆（422）的另一端，所述样品塞头（423）和样品管（421）内壁形成样品腔，所述样品进液管（425）和样品出液管（426）分别连通样品腔，样品进液管（425）通过软管连通样品池，样品出液管（426）通过软管连通主通道（1031），所述样品齿条（424）设置在样品推杆（422）上，样品齿条（424）由传动组（45）驱动；所述第一鞘流柱塞泵（43）包括第一鞘流管（431）、第一鞘流推杆（432）、第一鞘流塞头（433）、第一鞘流齿条（434）、第一鞘流进液管（435）和第一鞘流出液管（436），所述第一鞘流管（431）用于容放鞘流液，所述第一鞘流推杆（432）的一端可移动的安装在箱体（41）上，第一鞘流推杆（432）的另一端安装在第一鞘流管（431）内，所述第一鞘流塞头（433）用于密封第一鞘流管（431）且安装在第一鞘流推杆（432）的另一端，所述第一鞘流塞头（433）和第一鞘流管（431）内壁形成第一鞘流腔，所述第一鞘流进液管（435）和第一鞘流出液管（436）分别连通第一鞘流腔，第一鞘流进液管（435）连通鞘液池，第一鞘流出液管（436）通过软管一分为二连通第一鞘流通道（1032）和第二鞘流通道（1033），所述第一鞘流齿条（434）设置在第一鞘流推杆（432）上，第一鞘流齿条（434）由传动组（45）驱动；所述第二鞘流柱塞泵（44）包括第二鞘流管（441）、第二鞘流推杆（442）、第二鞘流塞头（443）、第二鞘流齿条（444）、第二鞘流进液管（445）和第二鞘流出液管（446），所述第二鞘流管（441）用于容放鞘流液，所述第二鞘流推杆（442）的一端可移动的安装在箱体（41）上，第二鞘流推杆（442）的另一端安装在第二鞘流管（441）内，所述第二鞘流塞头（443）用于密封第二鞘流管（441）且安装在第二鞘流推杆（442）的另一端，所述第二鞘流塞头（443）和第二鞘流管（441）内壁形成第二鞘流腔，所述第二鞘流进液管（445）和第二鞘流出液管（446）分别连通第二鞘流腔，第二鞘流进液管（445）连通鞘液池，第二鞘流出液管（446）通过软管一分为二连通第三鞘流通道（1034）和第四鞘流通道（1035）；所述样品进液管（425）、样品出液管（426）、第一鞘流进液管（435）、第一鞘流出液管（436）、第二鞘流进液管（445）和第二鞘流出液管（446）上分别设置有手动阀门或电磁阀；所述传动组（45）用于驱动第一鞘流柱塞泵（43）、第二鞘流柱塞泵（44）和样品柱塞泵（42）工作；所述传动组（45）包括电机齿轮（451）、样品减速齿轮（452）、鞘流减速齿轮（453）、第一鞘流传动锥轮（454）、第一鞘离合锥轮（455）、第一鞘流驱动锥轮（456）、第一鞘流驱动齿轮（457）、第二鞘流传动锥轮（458）、第二鞘离合锥轮（459）、第二鞘流驱动锥轮（4510）和第二鞘流驱动齿轮（4511），其中：所述电机齿轮（451）套设在电机（412）转轴上，所述样品减速齿轮（452）的一侧啮合电机齿轮（451）；样品减速齿轮（452）的一侧啮合样品齿条（424），所述鞘流减速齿轮（453）、第一鞘流传动锥轮（454）和第二鞘流传动锥轮（458）同轴布置，鞘流减速齿轮（453）啮合电机齿轮（451），第一鞘流传动锥轮（454）和第二鞘流传动锥轮（458）布置在鞘流减速齿轮（453）的两侧；所述第一鞘离合锥轮（455）安装在滑动轴承座（415）上，所述第一鞘流驱动锥轮（456）安装在第一鞘离合锥轮（455）一侧，通过移动滑动轴承座（415）能够实现第一鞘流传动锥轮（454）、第一鞘离合锥轮（455）和第一鞘流驱动锥轮（456）之间的啮合或分离，所述第一鞘流驱动齿轮（457）与第一鞘流驱动锥轮（456）同轴设置，所述第一鞘流驱动齿轮（457）啮合第一鞘流齿条（434）；所述第二鞘离合锥轮（459）安装在滑动轴承座（415）上，所述第二鞘流驱动锥轮（4510）安装在第二鞘离合锥轮（459）一侧，通过移动滑动轴承座（415）能够实现第二鞘流传动锥轮（458）、第二鞘离合锥轮（459）和第二鞘流驱动锥轮（4510）之间的啮合或分离，所述第二鞘流驱动齿轮（4511）与第二鞘流驱动锥轮（4510）同轴设置，所述第二鞘流驱动齿轮（4511）啮合第二鞘流齿条（434）。
2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片系统，其特征在于，所述第一鞘流传动锥轮（454）和第一鞘流驱动锥轮（456）的顶部、以及第二鞘流传动锥轮（458）和第二鞘流驱动锥轮（4510）的底部分别开设有连接凹纹（4512），所述第一鞘离合锥轮（455）的底部以及第二鞘离合锥轮（459）的顶部分别开设有对应的连接凸纹（4513）。
3.根据权利要求1所述的一种微流控芯片系统，其特征在于，所述第一鞘流传动锥轮（454）、第一鞘流驱动锥轮（456）、第一鞘离合锥轮（455）、第二鞘流传动锥轮（458）、第二鞘流驱动锥轮（4510）和第二鞘离合锥轮（459）均为台阶锥轮，所述台阶锥轮包括中部的连接台面（4514）以及两端的前锥面（4515）和后锥面（4516），所述连接台面（4514）上设置有防滑纹。
4.根据权利要求1所述的一种微流控芯片系统，其特征在于，所述复位弹簧（418）为压簧，在电磁铁（417）未通电时，复位弹簧（418）驱动第一鞘离合锥轮（455）或第二鞘离合锥轮（459）远离传动锥轮组，当电磁铁（417）通电时，电磁铁（417）产生的磁场与设置在滑动轴承座（415）的永磁铁磁场相同产生斥力推动第一鞘离合锥轮（455）或第二鞘离合锥轮（459）啮合传动锥轮组。
5.根据权利要求1所述的一种微流控芯片系统，其特征在于，所述复位弹簧（418）为拉簧，在电磁铁（417）未通电时，复位弹簧（418）驱动第一鞘离合锥轮（455）或第二鞘离合锥轮（459）啮合传动锥轮组，当电磁铁（417）通电时，电磁铁（417）产生的磁场与设置在滑动轴承座（415）的永磁铁磁场相反产生吸力推动第一鞘离合锥轮（455）或第二鞘离合锥轮（459）远离传动锥轮组。
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