CN110639627A - 一种快速组装的拼接式微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速组装的拼接式微流控芯片，由可拼接的不同模块的微流控芯片组成。在芯片壳体四周分布着接头与卡扣，通过接头与卡扣的组装实现拼接。芯片的流出为公头，流入为母头。公头利用圆柱凸台与母头过渡配合实现自定位，橡胶圈放置于圆柱凸台，模块间的拼接通过挤入空腔时橡胶圈的变形保证密封性。通过不同模块的微流控芯片的拼接，便可自由灵活实现多种功能，可有效减少微流控芯片的生产成本。目前可选的模块库中已有压电泵、螺旋分选、检测、混合器、浓度梯度生成器、压电阀、液滴生成器、微柱分选等模块。通过组合，可轻易实现细胞分选、液滴生成、溶液混合等功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种微流控芯片的模块化技术,属于微流控技术领域。
背景技术
兴起于20世纪90年代的微流控技术，通过微米级别的流道精确操控微升、毫升级别的样品,具有体积小、检测速度快、试剂用量小、通量高等特点，已经广泛的应用于分析化学、细胞筛选、疾病诊断、基因分析、药物输运等领域。但是，当前微流控芯片主要通过软光刻技术进行整体制造，主要步骤包括：涂胶、曝光、显影、腐蚀和去胶。不仅需要大量的专业人工操作，还需要净室环境以及等离子体清洗机等专业设备。一方面导致了微流控芯片难以批量化生产，制造成本较高；另一方面使得非专业人员很难根据实际需求设计和使用微流控芯片。因此，目前许多微流控芯片仍然停留在实验室阶段难以实现商业化应用。
目前已有部分模块化方法，Yuen小组在同一基板上组装上不同模块，使用基板上的流路完成微流控功能；MIT提出了一种乐高式模块化的方法，将微流控芯片设计为乐高积木式；但是上述的方法均有密封性较差、组装过程繁杂、未标准化的重大问题。微流控芯片模块化的密封性和组装便携性，是微流控芯片模块化发展的瓶颈。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种快速组装的拼接式微流控芯片。
为了达到上述目的，本发明采用的方法是：一种快速组装的拼接式微流控芯片，由可拼接的不同微流控芯片模块组成；各个微流控芯片模块内部设有功能流道，各个微流控芯片模块壳体四周分布着接头与卡扣，通过接头与卡扣的组装实现拼接，接头为带有凹槽、前端光滑的圆柱；卡扣为带有小凸台的圆柱沉孔，通过固化后光敏树脂的弹性将凸台挤入凹槽，实现卡紧；各个微流控芯片模块的流出为公头，流入为母头，公头利用圆柱凸台与母头过渡配合实现自定位，各个微流控芯片模块间采用橡胶圈进行密封，将橡胶圈放置于圆柱凸台上，其内圈紧包圆柱伸出口，圆柱凸台在拼接时与母头的内壁形成密封空腔，通过挤入空腔时橡胶圈的变形保证密封性。
作为本发明的一种改进，所述的微流控芯片模块包括压电泵模块、螺旋分选模块、检测模块、混合器模块、浓度梯度生成器模块、压电阀模块、液滴生成器模块、液池模块、微柱分选模块、磁分选模块模块；
所述的压电泵为一出模块，采用压电陶瓷，通过改变电压大小及方向，使得陶瓷压电片产生形变，从而压电泵的泵室产生体积变化，通过压电泵泵室的吸入和泵出流体的循环，实现压电泵的对流体的定向输送；
所述的螺旋分选为一进二出模块，采用螺旋流道，溶液从母头流入，经过螺旋流道，溶液中的微颗粒会收到Dean曳力和惯性升力的影响聚焦于不同位置，从相应的公头流出；
所述的检测模块为一进一出模块，采用非对称弯流道，使用库尔特计数器对微颗粒计数，溶液从母头流入，经过弯流道，溶液中的微颗粒可以聚焦排列，依次通过库尔特计数器，从而采集数据；
所述的混合器模块为二进一出模块，采用正弦流道对溶液进行混合，溶液从两个母头流入，经过正弦流道缓慢混合，从公头流出；
所述的浓度梯度生成器为二进一出模块，采用蛇形通道与独立腔室，保证不同体积比例的溶液组合能够充分混合，生成的不同浓度的溶液存储于腔室中；
所述的压电阀模块为一进一出模块，采用逆压电效应的结构类桥状的压电阀片，自然状态下，阀体处于开合状态，流体自由流通；当压电阀片加压，形变导致腔体阻塞，实现流体的截止作用；
所述的液滴生成器模块为三进一出模块，采用T型通道，使用水动力法，使待分散相流体的前沿在该交叉处转弯时，在连续相剪切力推动下造成动量变化而失稳，形成液滴；
所述的液池模块为一出模块，采用圆柱形内槽存储生成的产物；
所述的微柱分选为一进二出模块，采用微型圆柱阵列，使不同尺寸的微颗粒跟随流场运动至不同的出口；
所述的磁分选为一进二出模块，采用两块磁铁，使得绑上磁珠的细胞在磁场作用下偏移向不同的出口。
作为本发明的一种改进，所述的壳体以光敏树脂为材料，通过3D打印技术制造，壳体为20×20×10mm或40×20×10mm的长方体。
有益效果：
本发明设计了一类快速组装的拼接式微流控芯片，与现有技术相比，该芯片不需要设计额外的定位和夹紧机构，降低了组装的复杂性，操作简便的同时也保证了拼接的密封性，还可以改变功能模块，实现不同功能，减少微流控芯片的制造成本与周期。另外，采用3D打印技术，可以设计制造传统技术无法实现的流道结构，添加更多功能。该发明设计有众多模块，可以通过模块间的拼接实现不同功能组合，相比一般微流控芯片具有更大灵活性。
通过增材制造手段制造微流控芯片，不仅能够实现复杂三维结构的制造，同时该技术能够实现微流控模块的自动化一体成型，避免了传统软光刻制造过程中对准键合等技术难点，设计周期和成本将大幅减小。如果利用增材制造手段设计并生产微流控通用模块，那么使用者只需通过微流控通用模块的快速组装就能实现所需的功能。将大大降低微流控芯片的使用门槛，同时微流控模块的标准化设计也利于实现批量化生产。
附图说明
图1为微流控芯片模块剖视图；M-微流控芯片、X-橡胶圈、M1-公头、M2-接头、M3-接头槽、M4-母头。
图2A为压电泵模块的结构示意图；A1-公头、A2-接头、A3-压电块、A4-引线、A5-液池。
图2B螺旋分选模块的结构示意图；B1-公头、B2-接头、B3-螺旋微流道、B4-接头槽、B5-母头。
图2C检测模块的结构示意图；C1-公头、C2-接头、C3- Ag/AgCl电极、C4-非对称弯流道、C5-接头槽、C6-母头。
图2D混合器模块的结构示意图；D1-公头、D2-接头、D3-弯流道、D4-接头槽、D5-母头。
图2E梯度生成器模块的结构示意图；E1-公头、E2-接头、E3-浓度梯度流道、E4-接头槽、E5-母头。
图2F压电阀模块的结构示意图；F1-公头、F2-接头、F3-流道、F4-压电片、F5-引线、F6-接头槽、F7-母头。
图2G液滴生成器模块的结构示意图；G1-公头、G2-接头、G3-流道、G4-接头槽、G5-母头。
图2H液池模块的结构示意图；H1-接头槽、H2-母头、H3-流道、H4-液池。
图2I微柱分选模块的结构示意图；I1-公头、I2-接头、I3-微柱、I4-接头槽、I5-母头。
图2J磁分选模块的结构示意图；J1-公头、J2-接头、J3-流道、J4-磁块、J5-接头槽、J6-母头。
图3为实现循环肿瘤细胞分选与检测的组装后微流控芯片示意图；
图4为实现药物混合的组装后微流控芯片示意图；
图5为实现溶液浓度梯度和液滴生成的组装后微流控芯片示意图；
图6为实现细胞二次分选的组装后微流控芯片示意图；
其中，图中序号如下：
1-微流控芯片模块、2-橡胶圈、A-压电泵模块、B-螺旋分选模块、C-检测模块、D-混合器模块、E-梯度生成器模块、F-压电阀模块、G-液滴生成器模块、H-液池模块H、I-微柱分选模块、J-磁分选模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明。
下面结合各个微流控芯片模块组成的不同功能的微流控芯片进行详细说明，如图1所示，模块间连接方式是通过以下步骤组装的：
步骤1、在微流控芯片模块M的公头M1处套入橡胶圈X。
步骤2、将微流控模块M的公头M1、接头M2插入下一个模块的母头M4、接头槽M3，直到接头槽M3内的小凸台卡入接头M2的凹槽。
实施例1：
本实施是对循环肿瘤细胞分选和检测的模块化微流控芯片做详细说明，如图3所示，循环肿瘤细胞分选和检测的模块化微流控芯片是通过以下步骤组装的。
步骤1、在压电泵模块A的公头A1处套入橡胶圈2。
步骤2、将压电泵模块A的公头A1、接头A2插入螺旋分选模块3的母头B5、接头槽B4，直到接头槽B4内的小凸台卡入接头A2的凹槽。
步骤3、在螺旋分选模块B的两个公头B1处套入橡胶圈2。
步骤4、将螺旋分选模块B的两个公头B1、接头B2插入两个检测模块C的母头C6、接头槽C5，直到接头槽C5内的小凸台卡入接头B2的凹槽。
步骤5、分别将两个检测模块C的Ag/AgCl电极C3插入壳体预留的腔内。
步骤6、将电极C3和微型库尔特计数器连线。
步骤7、分别在两个检测模块4的公头C1处套入橡胶圈2。
步骤8、分别将两个检测模块4的公头C1，接头C2插入两个液池模块H的母头H2、接头槽H1，直到接头槽H1内的小凸台卡入接头C2的凹槽。
步骤9、按压压电块A3，使液池A5的流体流出。流体经过微流道，进入分选模块B，通过螺旋流道B3对流体中的细胞进行分选。半径较大的循环肿瘤细胞CTCs，聚焦于螺旋流道B3的外侧，由此进入检测模块C。在检测模块的非对称弯流道C4中，循环肿瘤细胞将会自动排队通过Ag/AgCl电极C3之间，电极C3通过信号的变化，将检测到的肿瘤细胞信息反馈至微型库尔特计数器中，分离出来的液体流入相应的液池模块中。
实施例2：
本实施例是针对药物混合用微流控芯片做详细说明，如图4所示，该芯片是通过以下步骤组装的：
步骤1、分别在两个压电泵模块A的公头A1处套上橡胶圈2。
步骤2、分别将两个压电泵模块A的公头A1、接头A2插入两个压电阀模块F的母头F7、接头槽F6，直到接头槽F6内的小凸台卡入接头A2的凹槽。
步骤3、分别在两个压电阀模块F的公头F1处套上橡胶圈2。
步骤4、分别将两个压电阀模块F的公头F1、接头F2插入混合器模块D左右的两个母头D5、接头槽D4，直到接头槽D4内的小凸台卡入接头F2的凹槽。
步骤5、在混合器模块D的公头D1处套上橡胶圈2。
步骤6、将混合器模块D的公头D1、接头D2插入液池模块H的母头H2、接头槽H1，直到接头槽H1内的小凸台卡入接头D2的凹槽。
步骤7、按压两个压电泵模块A上的压电块A3，使液池A5的流体流出。通过压电阀模块F控制流体的流量。流体经过微流道，进入混合器模块4，在压力的驱动下沿微流道向前流动。缓慢的流动过程中进行混合，进入液池模块3，实现药物混合和收集。
实施例3：
本实施例是针对溶液浓度梯度和液滴生成用微流控芯片做详细说明，如图5，该芯片是通过如下步骤组装的：
步骤1、分别在四个压电泵模块A的公头A1处套上橡胶圈2。
步骤2、将其中两个压电泵模块A的公头A1、接头A2插入两个压电阀模块F的母头F7、接头槽F6，直到接头槽F6内的小凸台卡入接头A2的凹槽。将剩下两个压电泵模块A的公头A1、接头A2插入液滴生成器模块G左右的两个母头G5、接头槽G4，直到接头槽G4内的小凸台卡入接头A2的凹槽。
步骤3、分别在两个压电阀模块F的公头F1处套上橡胶圈2。
步骤4、分别将两个压电阀模块F的公头F1、接头F2插入梯度生成器模块E左右的两个母头E5、接头槽E4，直到接头槽E4内的小凸台卡入接头F2的凹槽。
步骤5、在梯度生成器模块E的公头E1处套上橡胶圈2。
步骤6、将梯度生成器模块E的公头E1、接头E2插入液滴生成器模块G中间的母头G5、接头槽G4，直到接头槽G4内的小凸台卡入接头E2的凹槽。
步骤7、在液滴生成器模块G的公头G1处套上橡胶圈2。
步骤8、将液滴生成器模块G的公头G1、接头G2插入插入液池模块H的母头H2、接头槽H1，直到接头槽H1内的小凸台卡入接头G2的凹槽。
步骤9、按压两个压电阀模块F连接的压电泵模块A上的压电块A3，使液池A5的流体流出。通过压电阀模块F控制流体的流量。溶液经过梯度生成器E，产生了浓度梯度，在压力的驱动下沿微流道向前流动。再按压剩余两个压电泵模块A的压电块A3，在两个侧向的液体流动下，由梯度生成器流来的溶液变成液滴。最终进入液池模块H。
实施例4：
本实施例是针对细胞二次分选用微流控芯片做详细说明，如图6所示，该芯片的组装步骤如下：
步骤1、在压电泵模块A的公头A1处套上橡胶圈2。
步骤2、将压电泵模块A的公头A1、接头A2插入微柱分选模块I的母头I5、接头槽I4，直到接头槽I4内的小凸台卡入接头A2的凹槽。
步骤3、分别在微柱分选模块I的两个公头I1处套上橡胶圈2。
步骤4、将微柱分选模块I的一个公头I1、接头I2插入液池模块H的母头H2、接头槽H1，直到接头槽H1内的小凸台卡入接头I2的凹槽。另一个公头I1、接头I2插入磁分选模块4的母头J6、接头槽J5，直到接头槽J5内的小凸台卡入接头I2的凹槽。
步骤3、分别在磁分选模块J的两个公头J1处套上橡胶圈2。
步骤4、分别将磁分选模块J的两个公头J1、接头J2插入液池模块H的母头H2、接头槽H1，直到接头槽H1内的小凸台卡入接头J2的凹槽。
步骤7、按压压电泵模块A上的压电块A3，使液池A5的流体流出。通过微柱分选模块3进行第一次细胞分选，分选出来的混合液一部分进入液池模块H收集，另一部分进入磁分选模块J，在磁场下进行第二磁分选。分选出来的混合液分别进入两个液池模块H进行收集。
Claims (3)
1.一种快速组装的拼接式微流控芯片，其特征在于：由可拼接的不同微流控芯片模块组成；各个微流控芯片模块内部设有功能流道，各个微流控芯片模块壳体四周分布着接头与卡扣，通过接头与卡扣的组装实现拼接，接头为带有凹槽、前端光滑的圆柱；卡扣为带有小凸台的圆柱沉孔，通过固化后光敏树脂的弹性将凸台挤入凹槽，实现卡紧；各个微流控芯片模块的流出为公头，流入为母头，公头利用圆柱凸台与母头过渡配合实现自定位，各个微流控芯片模块间采用橡胶圈进行密封，将橡胶圈放置于圆柱凸台上，其内圈紧包圆柱伸出口，圆柱凸台在拼接时与母头的内壁形成密封空腔，通过挤入空腔时橡胶圈的变形保证密封性。
2.根据权利要求1所述的一种快速组装的拼接式微流控芯片，其特征在于：所述的微流控芯片模块包括压电泵模块、螺旋分选模块、检测模块、混合器模块、浓度梯度生成器模块、压电阀模块、液滴生成器模块、液池模块、微柱分选模块、磁分选模块模块；
所述的压电泵为一出模块，采用压电陶瓷，通过改变电压大小及方向，使得陶瓷压电片产生形变，从而压电泵的泵室产生体积变化，通过压电泵泵室的吸入和泵出流体的循环，实现压电泵的对流体的定向输送；
所述的螺旋分选为一进二出模块，采用螺旋流道，溶液从母头流入，经过螺旋流道，溶液中的微颗粒会收到Dean曳力和惯性升力的影响聚焦于不同位置，从相应的公头流出；
所述的检测模块为一进一出模块，采用非对称弯流道，使用库尔特计数器对微颗粒计数，溶液从母头流入，经过弯流道，溶液中的微颗粒可以聚焦排列，依次通过库尔特计数器，从而采集数据；
所述的混合器模块为二进一出模块，采用正弦流道对溶液进行混合，溶液从两个母头流入，经过正弦流道缓慢混合，从公头流出；
所述的浓度梯度生成器为二进一出模块，采用蛇形通道与独立腔室，保证不同体积比例的溶液组合能够充分混合，生成的不同浓度的溶液存储于腔室中；
所述的压电阀模块为一进一出模块，采用逆压电效应的结构类桥状的压电阀片，自然状态下，阀体处于开合状态，流体自由流通；当压电阀片加压，形变导致腔体阻塞，实现流体的截止作用；
所述的液滴生成器模块为三进一出模块，采用T型通道，使用水动力法，使待分散相流体的前沿在该交叉处转弯时，在连续相剪切力推动下造成动量变化而失稳，形成液滴；
所述的液池模块为一出模块，采用圆柱形内槽存储生成的产物；
所述的微柱分选为一进二出模块，采用微型圆柱阵列，使不同尺寸的微颗粒跟随流场运动至不同的出口；
所述的磁分选为一进二出模块，采用两块磁铁，使得绑上磁珠的细胞在磁场作用下偏移向不同的出口。
3.根据权利要求1所述的一种快速组装的拼接式微流控芯片，其特征在于：所述的壳体以光敏树脂为材料，通过3D打印技术制造，壳体为20×20×10mm或40×20×10mm的长方体。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN111855574A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-10-30 | 山东圣剑医学研究有限公司 | 一种基于微流控芯片技术的样本分析试剂盒 |
| CN112892625A (zh) * | 2021-01-21 | 2021-06-04 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种微流控芯片 |
| CN113145185A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-07-23 | 北京理工大学 | 一种模块化的微流控核酸检测芯片及系统 |
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| CN102513169A (zh) * | 2011-12-09 | 2012-06-27 | 东南大学 | 一种微米级粒子高通量分选的微流控器件及其制作方法 |
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2019
- 2019-09-06 CN CN201910840862.8A patent/CN110639627A/zh active Pending
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