CN110339873B - 数字微流控平台 - Google Patents

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    • B01L2400/043—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces magnetic forces

Abstract

本发明公开了一种数字微流控平台，包括底板、固定安装于底板的升降机构、与升降机构固定连接的载物台、与底板固定连接的支撑杆、与支撑杆远离底板的一端相连的顶部电路板，设于顶部电路板且与顶部电路板电连接的导电针、以及设于载物台且用于与导电针电连接的数字微流控芯片。升降机构带动载物台上升直至数字微流控芯片与导电针紧密接触并实现与导电针的电连接，且保证导电针对数字微流控芯片施加一定的压力，此时数字微流控芯片位于导电针及载物台之间，且受到导电针与载物台配合施加的压力进而固定于导电针与载物台之间，且保持较好的压紧效果，数字微流控芯片不易松动且不会被压断，进而保证移液操作时的稳定性。

Description

数字微流控平台
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种数字微流控平台。
背景技术
随着生物学的发展，DNA(deoxyribonucleic acid，脱氧核糖核酸)已经从信息读取发展到人工合成，人工合成DNA目前已被广泛应用到科学研究、医疗检测、医药、农业、工业等领域。为了提升合成效率，公开号为CN109092380A的中国发明专利申请公开了一种数字微流控系统及液滴驱动方法，其可实现自动合成以提升合成效率。但现有的数字微流控系统中，数字微流控芯片在使用过程中容易发生碎裂的情况。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种数字微流控平台，旨在解决现有技术中，数字微流控芯片容易碎裂的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
数字微流控平台，包括底板、固定安装于所述底板的升降机构、与所述升降机构固定连接的载物台、与所述底板固定连接的支撑杆、与所述支撑杆远离所述底板的一端相连的顶部电路板，设于所述顶部电路板且与所述顶部电路板电连接的导电针、以及设于所述载物台且用于与所述导电针电连接的数字微流控芯片；所述顶部电路板位于所述载物台远离所述升降机构的一侧，所述导电针位于所述顶部电路板靠近所述载物台的一侧，所述数字微流控芯片位于所述载物台与所述导电针之间。
进一步地，所述载物台包括与所述升降机构固定连接的连接板以及设于所述连接板的两块载物块；两块所述载物块相对且间隔设置；所述数字微流控芯片位于所述载物块上。
进一步地，两块所述载物块之间的间隙形成安装间隙，所述安装间隙内设有电磁铁；所述数字微流控芯片上放置有与所述电磁铁相配合的磁珠；所述数字微流控平台还包括与所述电磁铁信号连接的Arduino(微控制器)。
进一步地，所述电磁铁上设有导向凸起，所述载物块上开设有适配于所述导向凸起的导向槽。
进一步地，所述导电针为弹簧针；所述顶部电路板开设有安装孔，所述导电针远离所述数字微流控芯片的一端位于所述安装孔内并与所述顶部电路电路板固定连接。
进一步地，所述载物台上设有定位框，所述定位框环绕所述数字微流控芯片设置。
进一步地，所述顶部电路板上设有盖板，所述盖板位于所述顶部电路板远离所述数字微流控芯片的一侧。
进一步地，所述顶部电路板开设有观察缺口，所述观察缺口位于所述数字微流控芯片的正上方；所述导电针的数量为多个，多个所述导电针分布于所述观察缺口的相对的两侧。
进一步地，所述升降机构包括与所述底板固定连接的底架、与所述载物台固定连接的顶架，以及设于所述底架与所述顶架之间的升降叉；所述升降叉包括与所述底架转动连接的第一升降板、与所述第一升降板交叉设置且与所述第一升降板转动连接的第二升降板、与所述第一升降板远离所述底架的一端转动连接的第三升降板，以及与所述第三升降板交叉设置且与所述第三升降板转动连接的第四升降板；所述第二升降板远离所述底架的一端与所述第四升降板远离所述顶架的一端转动连接；所述第三升降板远离所述第一升降板的一端与所述顶架转动连接，所述第二升降板与所述底架之间设有第一锁紧组件，所述第四升降板与所述顶架之间设有第二锁紧组件。
进一步地，所述底架上开设有第一导向长孔，所述第二升降板上开设有第一连接孔；所述第一锁紧组件包括贯穿所述第一导向长孔及所述第一连接孔的第一螺栓以及与所述第一螺栓螺纹连接的第一螺母；所述顶架开设有第二导向长孔，所述第四升降板上开设有第二连接孔，所述第二锁紧组件包括贯穿所述第二导向长孔及所述第二连接孔的第二螺栓以及与所述第二螺栓螺纹连接的第二螺母。
本发明的有益效果：将数字微流控芯片放置于载物台上，升降机构带动载物台上升并带动数字微流控芯片上升，直至数字微流控芯片与导电针紧密接触并实现与导电针的电连接，且保证导电针对数字微流控芯片施加一定的压力，此时数字微流控芯片位于导电针及载物台之间，且受到导电针与载物台配合施加的压力进而固定于导电针与载物台之间，且保持较好的压紧效果，数字微流控芯片不易松动且不会被压断，进而保证移液操作时的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例中数字微流控平台的第一视角的结构示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为本发明的实施例中数字微流控平台的第二视角的结构示意图；
图4为本发明的实施例中数字微流控平台的第三视角的结构示意图；
图5为本发明的实施例中顶部电路板的结构示意图；
图中：
1、底板；2、升降机构；201、底架；2011、第一导向长孔；202、顶架；2021、第二导向长孔；203、升降叉；2031、第一升降板；2032、第二升降板；2033、第三升降板；2034、第四升降板；3、载物台；301、连接板；302、载物块；303、安装间隙；4、支撑杆；5、顶部电路板；501、安装孔；502、观察缺口；6、导电针；7、数字微流控芯片；8、电磁铁；9、定位框；10、盖板；11、保护侧板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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”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，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
如图1-图5所示，本发明实施例提出了一种数字微流控平台，包括底板1、固定安装于底板1的升降机构2、与升降机构2固定连接的载物台3、与底板1固定连接的支撑杆4、与支撑杆4远离底板1的一端相连的顶部电路板5(顶部电路板5上设有微控制器、继电器模块、电源驱动模块或者与上述部件电连接，同时顶部电路板5还可用于与上位机电连接)，设于顶部电路板5且与顶部电路板5电连接的导电针6、以及设于载物台3且用于与导电针6电连接的数字微流控芯片7；顶部电路板5位于载物台3远离升降机构2的一侧，导电针6位于顶部电路板5靠近载物台3的一侧，数字微流控芯片7位于载物台3与导电针6之间。
在本发明的实施例中，数字微流控平台的工作过程为：将数字微流控芯片7放置于载物台3上，升降机构2带动载物台3上升并带动数字微流控芯片7上升，直至数字微流控芯片7与导电针6紧密接触并实现与导电针6的电连接，且保证导电针6对数字微流控芯片7施加一定的压力，此时数字微流控芯片7位于导电针6及载物台3之间，且受到导电针6与载物台3配合施加的压力进而固定于导电针6与载物台3之间，且保持较好的压紧效果，数字微流控芯片7不易松动且不会被压断，进而保证移液操作时的稳定性。由于导电针6与载物台3配合施加的压力将数字微流控芯片7压紧固定，因此导电针6施加的压力均传递至载物台3上，进而避免了使用夹具的情况下夹具变形导致数字微流控芯片7的碎裂，因此数字微流控芯片7的厚度可设置为足够小，实现超薄的设置，例如数字微流控芯片7的厚度可小于或等于0.5毫米。
数字微流控芯片7受到导电针6的压力后对导电针6施加反作用力传递至顶部电路板5，顶部电路板5通过支撑杆4将力传递至底板1，而升降机构2固定安装于底板1上，因此可确保数字微流控芯片7被固定于数字微流控平台的内部，且导电针6施加的压力均传递至载物台3上，而不会传递至用于固定数字微流控芯片7的外部夹具上，避免了使用夹具时夹具的变形导致数字微流控芯片7碎裂的情况发生。由于数字微流控芯片7采用升降机构2带动载物台3上升的方式实现与导电针6接触，因此数字微流控芯片7上的反应区的上方还可预留充足的空间给其他部件进行安装与布置。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的数字微流控平台的另一种具体实施方式，载物台3包括与升降机构2固定连接的连接板301以及设于连接板301的两块载物块302；两块载物块302相对且间隔设置；数字微流控芯片7位于载物块302上。数字微流控芯片7位于载物块302上，因此导电针6对数字微流控芯片7施加的压力传递至载物块302上，数字微流控芯片7被压紧于载物块302与导电针6之间。同时，两块载物块302相对且间隔设置，因此两块载物块302之间的间隙内还可放置其他部件，也即两块载物块302可配合形成具有安装夹持功能的组件。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的数字微流控平台的另一种具体实施方式，两块载物块302之间的间隙形成安装间隙303，安装间隙303内设有电磁铁8；数字微流控芯片7上放置有与电磁铁8相配合的磁珠；数字微流控平台还包括与电磁铁8信号连接的Arduino。两块载物块302之间的间隙形成安装间隙303，电磁铁8安装于安装间隙303内，使得电磁铁8定位于数字微流控芯片7的正下方并与数字微流控芯片7紧贴，安装时无需调节电磁铁8的位置即可实现将电磁铁8准确安装于数字微流控芯片7的反应区。本实施例电磁铁8采用Arduino进行控制，电磁铁8通电后即可具有磁力，且定位于数字微流控芯片7的反应区，可实现快速提供反应所需的磁力。使用永磁体时，通过改变永磁体与液滴内磁珠的距离改变磁力大小，因此需要根据需求调节永磁体的位置；而电磁铁8的方式可通过继电器控制电磁铁8的磁力大小，而无需改变电磁铁8的位置，因此设置电磁铁8相对于采用永磁体的方式，可极大缩减反应所需的准备时间(例如某些实验可从20秒的准备时间缩减至1秒的准备时间)。
由于导电针6与载物台3配合施加的压力将数字微流控芯片7压紧固定，因此导电针6施加的压力均传递至载物台3上，进而避免了使用夹具的情况下夹具变形导致数字微流控芯片7的碎裂，因此数字微流控芯片7的厚度可设置为足够小，实现超薄的设置，例如数字微流控芯片7的厚度可小于或等于0.5毫米。因此当数字微流控芯片7上放置有与电磁铁8相配合的磁珠时，由于数字微流控芯片7的厚度足够薄，因此磁珠可很好响应电磁铁8施加的磁力，电磁铁8可对磁珠进行高度的控制，避免磁珠随反应液等物质离开电磁铁8的磁力控制范围，进而避免磁珠的流失，使得磁珠在使用过程中损失较小。因此在实现数字微流控芯片7的厚度足够薄的情况下可实现具有高控制力的磁珠操作系统。
当使用永磁体时，控制改变永磁体的位置的上位机与控制数字微流控芯片7的上位机不同，因此无法保证数字微流控芯片7与永磁体位置控制的同步性，实验无法精确设计，且改变永磁体的位置的驱动结构(例如沿竖直方向驱动的机构)占据较大的空间，进而增加了数字微流控平台整体的体积。于本实施例中，电磁铁8为条形磁铁；可以理解的是，于其他实施例中电磁铁8也可为圆柱形磁铁、推拉式电磁铁8或吸盘式电磁铁8
进一步地，作为本发明提供的数字微流控平台的另一种具体实施方式，电磁铁8上设有导向凸起，载物块302上开设有适配于导向凸起的导向槽(图中未示出)。因此当电磁铁8插入两块载物块302之间的安装间隙303时，可将导向凸起伸入导向槽内，提升电磁铁8安装的便捷性，且可保证电磁铁8的位置不会松动偏移，使得实验过程中对于电磁铁8的磁力到达反应区的强度保持相对的稳定。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的数字微流控平台的另一种具体实施方式，导电针6为弹簧针；顶部电路板5开设有安装孔501，导电针6远离数字微流控芯片7的一端位于安装孔501内并与顶部电路电路板固定连接。弹簧针在提供导电作用时还具有较好的缓冲作用，因此将导电针6选为弹簧针时，可避免导电针6对数字微流控芯片7的刚性冲击，进而避免导电针6对数字微流控芯片7的刚性冲击而将数字微流控芯片7压碎。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的数字微流控平台的另一种具体实施方式，载物台3上设有定位框9，定位框9环绕数字微流控芯片7设置。定位框9可作为数字微流控芯片7的定位夹具，定位框9固定于载物台3上，因此将数字微流控芯片7放置于定位框9内即可实现将数字微流控芯片7安装于合适的位置，使得数字微流控芯片7上升至与导电针6接触时为与数字微流控芯片7上相应的电极接触。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的数字微流控平台的另一种具体实施方式，顶部电路板5上设有盖板10，盖板10位于顶部电路板5远离数字微流控芯片7的一侧。盖板10可作为导电针6的覆盖隔离物，避免导电针6受外界环境影响而影响实验的准确性。盖板10可为亚克力等透明材质组成，上述载物块302等部件也可为亚克力材质。在盖板10与顶部电路板5之间还设有与导电针6相对应的保护侧板11，保护侧板11可与盖板10接触，避免导电针6伸出顶部电路板5的位置直接与盖板10接触而影响导电针6的正常工作。
进一步地，请参阅图5，作为本发明提供的数字微流控平台的另一种具体实施方式，顶部电路板5开设有观察缺口502，观察缺口502位于数字微流控芯片7的正上方；导电针6的数量为多个，多个导电针6分布于观察缺口502的相对的两侧。观察缺口502可作为反应的观察区域，也可作为数字微流控平台的其他部件布局安装时可通过的位置。
进一步地，请参阅图1及图3，作为本发明提供的数字微流控平台的另一种具体实施方式，升降机构2包括与底板1固定连接的底架201、与载物台3固定连接的顶架202，以及设于底架201与顶架202之间的升降叉203；升降叉203包括与底架201转动连接的第一升降板2031、与第一升降板2031交叉设置且与第一升降板2031转动连接的第二升降板2032、与第一升降板2031远离底架201的一端转动连接的第三升降板2033，以及与第三升降板2033交叉设置且与第三升降板2033转动连接的第四升降板2034；第二升降板2032远离底架201的一端与第四升降板2034远离顶架202的一端转动连接；第三升降板2033远离第一升降板2031的一端与顶架202转动连接，第二升降板2032与底架201之间设有第一锁紧组件，第四升降板2034与顶架202之间设有第二锁紧组件。升降叉203可沿垂直方向伸缩，进而调节顶架202的高度，也即调节载物台3的高度，实现将载物台3上的数字微流控芯片7输送至所需的高度，当数字微流控芯片7到达所需的高度时，利用第一锁紧组件锁紧升降叉203与底架201，利用第二锁紧组件锁紧升降叉203与顶架202，使得升降叉203的高度不变。
当然，于其他实施例中升降机构2也可包括导向台及驱动组件，载物台3与导向台滑动连接，通过驱动组件带动载物台3相对导向台滑动实现载物台3的升降。驱动组件可为气缸，也可为电机及齿轮齿条结构的配合。
进一步地，请参阅图3，作为本发明提供的数字微流控平台的另一种具体实施方式，底架201上开设有第一导向长孔2011，第二升降板2032上开设有第一连接孔；第一锁紧组件包括贯穿第一导向长孔2011及第一连接孔的第一螺栓以及与第一螺栓螺纹连接的第一螺母；顶架202开设有第二导向长孔2021，第四升降板2034上开设有第二连接孔，第二锁紧组件包括贯穿第二导向长孔2021及第二连接孔的第二螺栓以及与第二螺栓螺纹连接的第二螺母。升降叉203可沿垂直方向伸缩时，第二升降板2032的其中一端沿第一导向长孔2011的长度方向移动，第四升降板2034的其中一端沿第二导向长孔2021的长度方向移动。
当数字微流控平台设置有电磁铁8时，数字微流控平台可实现DNA(deoxyribonucleic acid，脱氧核糖核酸)的合成，具体流程如下：将磁珠放置于数字微流控芯片7的磁珠区，将下一个反应溶液移至磁珠区，然后将带有磁珠的液滴充分摇匀，让磁珠充分和反应液反应(也即磁珠上的DNA链，和反应液中的酶和碱基充分反应)。然后打开控制电磁铁8的继电器开关，由上位机连接Arduino(微控制器，可精确的控制继电器开关的开启时间)控制继电器开关，使得磁珠逐渐富集在一个点上。此时反应溶液完成任务，视为废液，被拽出磁珠区，并拽至废液槽；然后再移动一个酶和碱基的混合的反应液至磁珠区，然后电磁铁8断电，实现反应液的摇匀，让磁珠充分和反应液反应；再次打开控制电磁铁8的继电器开关使得电磁铁8通电，使得磁珠逐渐富集在一个点上，依此往复。
于其他实施例中，数字微流控平台也可实现其他生物分子物质的合成，此处不再赘述。
可以理解的是，另一种具体实施方式中的方案可为在其他实施例的基础上进一步改进的可实现的实施方案。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.数字微流控平台，其特征在于，包括底板、固定安装于所述底板的升降机构、与所述升降机构固定连接的载物台、与所述底板固定连接的支撑杆、与所述支撑杆远离所述底板的一端相连的顶部电路板，设于所述顶部电路板且与所述顶部电路板电连接的导电针、以及设于所述载物台且用于与所述导电针电连接的数字微流控芯片；所述顶部电路板位于所述载物台远离所述升降机构的一侧，所述导电针位于所述顶部电路板靠近所述载物台的一侧，所述数字微流控芯片位于所述载物台与所述导电针之间。
2.根据权利要求1所述的数字微流控平台，其特征在于，所述载物台包括与所述升降机构固定连接的连接板以及设于所述连接板的两块载物块；两块所述载物块相对且间隔设置；所述数字微流控芯片位于所述载物块上。
3.根据权利要求2所述的数字微流控平台，其特征在于，两块所述载物块之间的间隙形成安装间隙，所述安装间隙内设有电磁铁；所述数字微流控芯片上放置有与所述电磁铁相配合的磁珠；所述数字微流控平台还包括与所述电磁铁信号连接的Arduino。
4.根据权利要求3所述的数字微流控平台，其特征在于，所述电磁铁上设有导向凸起，所述载物块上开设有适配于所述导向凸起的导向槽。
5.根据权利要求1所述的数字微流控平台，其特征在于，所述导电针为弹簧针；所述顶部电路板开设有安装孔，所述导电针远离所述数字微流控芯片的一端位于所述安装孔内并与所述顶部电路板固定连接。
6.根据权利要求1所述的数字微流控平台，其特征在于，所述载物台上设有定位框，所述定位框环绕所述数字微流控芯片设置。
7.根据权利要求1所述的数字微流控平台，其特征在于，所述顶部电路板上设有盖板，所述盖板位于所述顶部电路板远离所述数字微流控芯片的一侧。
8.根据权利要求1所述的数字微流控平台，其特征在于，所述顶部电路板开设有观察缺口，所述观察缺口位于所述数字微流控芯片的正上方。
9.根据权利要求1-8任一项所述的数字微流控平台，其特征在于，所述升降机构包括与所述底板固定连接的底架、与所述载物台固定连接的顶架，以及设于所述底架与所述顶架之间的升降叉；所述升降叉包括与所述底架转动连接的第一升降板、与所述第一升降板交叉设置且与所述第一升降板转动连接的第二升降板、与所述第一升降板远离所述底架的一端转动连接的第三升降板，以及与所述第三升降板交叉设置且与所述第三升降板转动连接的第四升降板；所述第二升降板远离所述底架的一端与所述第四升降板远离所述顶架的一端转动连接；所述第三升降板远离所述第一升降板的一端与所述顶架转动连接，所述第二升降板与所述底架之间设有第一锁紧组件，所述第四升降板与所述顶架之间设有第二锁紧组件。
10.根据权利要求9所述的数字微流控平台，其特征在于，所述底架上开设有第一导向长孔，所述第二升降板上开设有第一连接孔；所述第一锁紧组件包括贯穿所述第一导向长孔及所述第一连接孔的第一螺栓以及与所述第一螺栓螺纹连接的第一螺母；所述顶架开设有第二导向长孔，所述第四升降板上开设有第二连接孔，所述第二锁紧组件包括贯穿所述第二导向长孔及所述第二连接孔的第二螺栓以及与所述第二螺栓螺纹连接的第二螺母。
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