CN110343611A - 一种微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微流控芯片,属于微流控技术领域，该芯片包括控制层、弹性薄膜层和流体通道层以及电磁阀门,该控制层内设置有多个控制腔和阻流磁铁，该流体通道层设置有1个主通道、多个鞘流通道以及多个筛选通道，本发明提出微流控芯片采用透光材料制成能够被检测装置直接监测，该微流控芯片采用了新型电磁阀门能够快速的改变筛选通道的状态，实现细胞的检测和分选。

Description

一种微流控芯片

技术领域

本发明属于生物微流控技术领域，具体涉及一种微流控芯片。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上， 自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。现有的微流控芯片普遍功能单一，不具备筛选功能，极个别微流控芯片增加了微阀门和微通道以实现内部通道的导通或关闭完成筛选功能，但是，上述微阀门均采用气控或热控方式，气控方式具体是指利用气压的改变实现通道状态的控制，热控方式是通过加热的方式间接改变气压，实现通道状态的控制，无论是气控或热控方式都存在结构复杂、需要外接气路或电路、需要考虑芯片密封等，特别是热控方式存在反应时间，无法快速做出反应，在细胞分选的科研应用中，受到限制。

发明内容

有鉴于此，本发明提出的微流控芯片采用透光材料制成能够被检测装置直接监测，该微流控芯片采用了新型电磁阀门能够快速的改变筛选通道的状态，实现细胞的检测和分选。

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紧密贴合的控制层、弹性薄膜层、流体通道层和电磁微阀门，其中：所述控制层位于顶部、控制层的内部设置有多个控制腔，所述控制腔内部安装有阻流磁铁；所述弹性薄膜层位于中部；所述流体通道层位于底部，流体通道层内部设置有主通道、鞘流通道和筛选通道，所述主通道用于连通细胞池，主通道的中段用于外部设备检测，所述鞘流通道设置在主通道的两侧用于推动细胞聚焦，所述筛选通道设置在主通道后端；所述阻流磁铁能够在电磁微阀门的控制下实现上、下移动，阻流磁铁的上、下移动能够带动弹性薄膜层阻塞不同的筛选通道以实现细胞筛选。

优选的，所述主通道的输入口通过柱塞泵连接细胞池，主通道的中部包括有聚焦检测通道。

优选的，所述鞘流通道包括聚焦鞘流通道和驱动鞘流通道，所述聚焦鞘流通道的一端和驱动鞘流通道的一端相连，所述焦鞘流通道的另一端设置在聚焦检测通道的前端，所述驱动鞘流通道的另一端设置在聚焦检测通道的后端。

优选的，所述聚焦鞘流通道与主通道的夹角α的范围为65-70°，所述驱动鞘流通道的两侧汇入斜边与主通道的夹角β的范围为18-20°。

优选的，所述筛选通道包括第一筛选通道、第二筛选通道、第三筛选通道、第四筛选通道、第五筛选通道和第六筛选通道，其中：所述第一筛选通道的前端和第二筛选通道的前端均通过圆角连通在聚焦检测通道的末端，所述第三筛选通道的前端和第四筛选通道的前端均通过圆角连通在第一筛选通道的末端，所述第三筛选通道的后端和第四筛选通道的后端连接不同的筛选池，所述第五筛选通道的前端和第六筛选通道的前端均通过圆角连通在第二筛选通道的末端，所述第五筛选通道的后端和第六筛选通道的后端连接不同的筛选池。

优选的，所述电磁微阀门包括第一微阀门、第二微阀门和第三微阀门，其中：所述第一微阀门跨设在第一筛选通道和第二筛选通道的前端，通过改变第一微阀门内部电磁铁的磁极能够实现第一筛选通道关闭或导通、第二筛选通道的导通或关闭，所述第一筛选通道和第二筛选通道的状态相反，即第一筛选通道关闭时，第二筛选通道导通，第一筛选通道导通时，第二筛选通道关闭；所述第二微阀门跨设在第三筛选通道和第四筛选通道的前端，通过改变第二微阀门内部电磁铁的磁极能够实现第三筛选通道关闭或导通、第四筛选通道的导通或关闭，所述第三筛选通道和第四筛选通道的状态相反，即第三筛选通道关闭时，第四筛选通道导通，第三筛选通道导通时，第四筛选通道关闭；所述第三微阀门跨设在第五筛选通道和第六筛选通道的前端，通过改变第三微阀门内部电磁铁的磁极能够实现第五筛选通道关闭或导通、第六筛选通道的导通或关闭，所述第五筛选通道和第六筛选通道的状态相反，即第五筛选通道关闭时，第六筛选通道导通，第五筛选通道导通时，第六筛选通道关闭。

优选的，相邻的两个阻流磁铁的磁极相反。

优选的，所述阻流磁铁靠近电磁微阀门的一端为圆柱结构，所述圆柱结构能够可移动的安装在圆柱状的控制腔内，阻流磁铁靠近弹性薄膜层的一端为圆头结构，所述圆头结构能够适应筛选通道的形状。

优选的，所述弹性薄膜层为PDMS薄膜层，所述PDMS薄膜层的厚度为150μm。

优选的，所述控制层和流体通道层为玻璃材料，所述控制腔、主通道、鞘流通道和筛选通道是通过光刻工艺开设在玻璃材料上。

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两面玻璃材质的设计方案，该芯片采用透明玻璃一方面便于后期加工、另一方面可以方便检测，与电子显微镜配合工作能够便捷的构成闭环自动监测、分选系统，后期也便于与与图像采集系统和计算机分析系统相结合。

（2）该微流控芯片设计了同源聚焦鞘流通道和驱动鞘流通道，聚焦鞘流通道和驱动鞘流通道在流速一致的情况下能够实现细胞快速聚焦，细胞快速分类。

（3）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10m/s即可实现较好聚焦效果。

（4）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能够实现不同检测物的归类和分选。

（5）本发明采用了新颖的电磁微阀门和阻流磁铁，由于磁路可以穿透传递，因此，简化了控制层与弹性薄膜层的密封，不在需要外接气路或电路及相关的密封，同时，该设计方案基于磁铁物理特性，具有保护功能，当某一通道打开时，另一通道必定关闭，简化了控制方案。

附图说明

图1为本发明中微流控芯片整体结构示意图；

图2为本发明中流体通道层结构示意图；

图3为本发明中流体通道层与电磁微阀门结构示意图；

图4为本发明中鞘流通道夹角结构示意图；

图5为本发明中控制腔结构示意图；

图6为本发明中电磁微流阀结构示意图；

图7为本发明中电磁微流阀工作示意图。

图中，1-控制层、 101-控制腔、102-阻流磁铁、 2-弹性薄膜层、 3-流体通道层、301-主通道、 3011-输入口、3012-聚焦检测通道、 302-鞘流通道、 3021-聚焦鞘流通道、3022-驱动鞘流通道、 303-筛选通道、 3031-第一筛选通道、3032-第二筛选通道、 3033-第三筛选通道、3034-第四筛选通道、 3035-第五筛选通道、3036-第六筛选通道、 4-电磁微阀门、 401-第一微阀门、402-第二微阀门、403-第三微阀门、 5-物镜、 6-细胞。

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1、弹性薄膜层2和流体通道层3，本实施例中弹性薄膜层2为PDMS材料，在具体应用中，弹性薄膜层2也可以采用其他材料，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，实际制作时，控制层1、弹性薄膜层2和流体通道层3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，控制层1位于顶部，弹性薄膜层2位于中部，流体通道层3位于底部。

具体的，PDMS薄膜层的厚度为150μm。控制层1和流体通道层3为玻璃材料，控制腔101、主通道301、鞘流通道302和筛选通道303是通过光刻工艺开设在玻璃材料上。

图1中，电磁微阀门4设置在控制层1的上方用于产生不同方向磁场，其实，本质上就是一个电磁铁，通过通入不同方向的电流实现。

如图2和图3以及图4所示，流体通道层3内部设置有主通道301、鞘流通道302和筛选通道303，主通道301用于连通细胞池，主通道301的中段用于外部设备检测，鞘流通道302设置在主通道301的两侧用于推动细胞聚焦，筛选通道303设置在主通道301后端；主通道301的输入口3011通过柱塞泵连接细胞池，主通道301的中部包括有聚焦检测通道3012。鞘流通道302包括聚焦鞘流通道3021和驱动鞘流通道3022，聚焦鞘流通道3021的一端和驱动鞘流通道3022的一端相连，焦鞘流通道3021的另一端设置在聚焦检测通道3012的前端，驱动鞘流通道3022的另一端设置在聚焦检测通道3012的后端。聚焦鞘流通道3021与主通道301的夹角α的范围为65-70°，驱动鞘流通道3022的两侧汇入斜边与主通道301的夹角β的范围为18-20°。

图2 和图3中，筛选通道303包括第一筛选通道3031、第二筛选通道3032、第三筛选通道3033、第四筛选通道3034、第五筛选通道3035和第六筛选通道3036，其中：第一筛选通道3031的前端和第二筛选通道3032的前端均通过圆角连通在聚焦检测通道3012的末端，第三筛选通道3033的前端和第四筛选通道3034的前端均通过圆角连通在第一筛选通道3031的末端，第三筛选通道3033的后端和第四筛选通道3034的后端连接不同的筛选池，第五筛选通道3035的前端和第六筛选通道3036的前端均通过圆角连通在第二筛选通道3032的末端，第五筛选通道3035的后端和第六筛选通道3036的后端连接不同的筛选池。

如图3和图5所示，电磁微阀门4包括第一微阀门401、第二微阀门402和第三微阀门403，其中：第一微阀门401跨设在第一筛选通道3031和第二筛选通道3032的前端，通过改变第一微阀门401内部电磁铁的磁极能够实现第一筛选通道3031关闭或导通、第二筛选通道3032的导通或关闭，第一筛选通道3031和第二筛选通道3032的状态相反，即第一筛选通道3031关闭时，第二筛选通道3032导通，第一筛选通道3031导通时，第二筛选通道3032关闭；第二微阀门402跨设在第三筛选通道3033和第四筛选通道3034的前端，通过改变第二微阀门402内部电磁铁的磁极能够实现第三筛选通道3033关闭或导通、第四筛选通道3034的导通或关闭，第三筛选通道3033和第四筛选通道3034的状态相反，即第三筛选通道3033关闭时，第四筛选通道3034导通，第三筛选通道3033导通时，第四筛选通道3034关闭；第三微阀门403跨设在第五筛选通道3035和第六筛选通道3036的前端，通过改变第三微阀门403内部电磁铁的磁极能够实现第五筛选通道3035关闭或导通、第六筛选通道3036的导通或关闭，第五筛选通道3035和第六筛选通道3036的状态相反，即第五筛选通道3035关闭时，第六筛选通道3036导通，第五筛选通道3035导通时，第六筛选通道3036关闭。

具体的，本实施例中，控制层1的内部设置有6个控制腔101，控制腔101内部安装有阻流磁铁120；阻流磁铁120能够在电磁微阀门4的控制下实现上、下移动，阻流磁铁120的上、下移动能够带动弹性薄膜层2阻塞不同的筛选通道303以实现细胞6筛选。相邻的两个阻流磁铁102的磁极相反。控制腔101采用圆形结构，圆形阀腔的半径为900-1200μm。

如图6所示，阻流磁铁102靠近电磁微阀门4的一端为圆柱结构，圆柱结构能够可移动的安装在圆柱状的控制腔101内，阻流磁铁102靠近弹性薄膜层2的一端为圆头结构，圆头结构能够适应筛选通道308的形状，具体的如图6和图7所示，圆头结构的形状没有具体限制，目的是为了贴合对应的筛选通道。

本发明的工作过程和原理如下：

首先将微流控芯片的输入口3011接入到柱塞泵上，柱塞泵的另一端连接细胞池，然后将鞘流通道的连接鞘流柱塞泵，最后，将筛选通道303的输出口通过软管连接至分选池。

上述工作完成后，启动柱塞泵，此时，如图3所示，待检测的细胞6进入到主通道，然后在聚焦鞘流通道3021的作用下，实现单排流动，当细胞6流动到聚焦检测通道3012的中部时，停止向鞘流通道302提供液体，此时，细胞6静止接收物镜5的检测，当检测完毕后，确定细胞6的类型后，继续启动驱动鞘流通道3022，同时，开启对应的电磁微阀门4。

如图5至图7所示，电磁微阀门4的通过不同方向的电流将产生不同的磁场，由于相邻的阻流磁铁102的磁极不同，因此，当磁场产生后，某一个阻流磁铁102必定受到斥力向下，另一个阻流磁铁102必定受到吸力向上，向下运动的阻流磁铁102带动弹性薄膜层2阻断对应的筛选通道303，向上运动的阻流磁铁102不会阻断对应的筛选通道303。

经过控制，对应的筛选通道打开，细胞6的在驱动鞘流通道3022的作用下进入到对应的分选池内，实现细胞6的检测和分选工作。

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 (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括紧密贴合的控制层（1）、弹性薄膜层（2）、流体通道层（3）和电磁微阀门（4），其中：

所述控制层（1）位于顶部、控制层（1）的内部设置有多个控制腔（101），所述控制腔（101）内部安装有阻流磁铁（120）；所述弹性薄膜层（2）位于中部；所述流体通道层（3）位于底部，流体通道层（3）内部设置有主通道（301）、鞘流通道（302）和筛选通道（303），所述主通道（301）用于连通细胞池，主通道（301）的中段用于外部设备检测，所述鞘流通道（302）设置在主通道（301）的两侧用于推动细胞聚焦，所述筛选通道（303）设置在主通道（301）后端；

所述阻流磁铁（120）能够在电磁微阀门（4）的控制下实现上、下移动，阻流磁铁（120）的上、下移动能够带动弹性薄膜层（2）阻塞不同的筛选通道（303）以实现细胞（6）筛选。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述主通道（301）的输入口（3011）通过柱塞泵连接细胞池，主通道（301）的中部包括有聚焦检测通道（3012）。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述鞘流通道（302）包括聚焦鞘流通道（3021）和驱动鞘流通道（3022），所述聚焦鞘流通道（3021）的一端和驱动鞘流通道（3022）的一端相连，所述焦鞘流通道（3021）的另一端设置在聚焦检测通道（3012）的前端，所述驱动鞘流通道（3022）的另一端设置在聚焦检测通道（3012）的后端。

4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述聚焦鞘流通道（3021）与主通道（301）的夹角α的范围为65-70°，所述驱动鞘流通道（3022）的两侧汇入斜边与主通道（301）的夹角β的范围为18-20°。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述筛选通道（303）包括第一筛选通道（3031）、第二筛选通道（3032）、第三筛选通道（3033）、第四筛选通道（3034）、第五筛选通道（3035）和第六筛选通道（3036），其中：所述第一筛选通道（3031）的前端和第二筛选通道（3032）的前端均通过圆角连通在聚焦检测通道（3012）的末端，所述第三筛选通道（3033）的前端和第四筛选通道（3034）的前端均通过圆角连通在第一筛选通道（3031）的末端，所述第三筛选通道（3033）的后端和第四筛选通道（3034）的后端连接不同的筛选池，所述第五筛选通道（3035）的前端和第六筛选通道（3036）的前端均通过圆角连通在第二筛选通道（3032）的末端，所述第五筛选通道（3035）的后端和第六筛选通道（3036）的后端连接不同的筛选池。

6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述电磁微阀门（4）包括第一微阀门（401）、第二微阀门（402）和第三微阀门（403），其中：

所述第一微阀门（401）跨设在第一筛选通道（3031）和第二筛选通道（3032）的前端，通过改变第一微阀门（401）内部电磁铁的磁极能够实现第一筛选通道（3031）关闭或导通、第二筛选通道（3032）的导通或关闭，所述第一筛选通道（3031）和第二筛选通道（3032）的状态相反，即第一筛选通道（3031）关闭时，第二筛选通道（3032）导通，第一筛选通道（3031）导通时，第二筛选通道（3032）关闭；

所述第二微阀门（402）跨设在第三筛选通道（3033）和第四筛选通道（3034）的前端，通过改变第二微阀门（402）内部电磁铁的磁极能够实现第三筛选通道（3033）关闭或导通、第四筛选通道（3034）的导通或关闭，所述第三筛选通道（3033）和第四筛选通道（3034）的状态相反，即第三筛选通道（3033）关闭时，第四筛选通道（3034）导通，第三筛选通道（3033）导通时，第四筛选通道（3034）关闭；

所述第三微阀门（403）跨设在第五筛选通道（3035）和第六筛选通道（3036）的前端，通过改变第三微阀门（403）内部电磁铁的磁极能够实现第五筛选通道（3035）关闭或导通、第六筛选通道（3036）的导通或关闭，所述第五筛选通道（3035）和第六筛选通道（3036）的状态相反，即第五筛选通道（3035）关闭时，第六筛选通道（3036）导通，第五筛选通道（3035）导通时，第六筛选通道（3036）关闭。

7.根据权利要求6所述的微流控芯片，其特征在于，相邻的两个阻流磁铁（102）的磁极相反。

8.根据权利要求7所述的微流控芯片，其特征在于，所述阻流磁铁（102）靠近电磁微阀门（4）的一端为圆柱结构，所述圆柱结构能够可移动的安装在圆柱状的控制腔（101）内，阻流磁铁（102）靠近弹性薄膜层（2）的一端为圆头结构，所述圆头结构能够适应筛选通道（308）的形状。

9.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述弹性薄膜层（2）为PDMS薄膜层，所述PDMS薄膜层的厚度为150μm。

10.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述控制层（1）和流体通道层（3）为玻璃材料，所述控制腔（101）、主通道（301）、鞘流通道（302）和筛选通道（303）是通过光刻工艺开设在玻璃材料上。