CN111530515A - 一种微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微流控芯片，属于微流控技术领域，包括芯片基体，在所述芯片基体上设置有样品池、液体输出口和连通所述样品池和所述液体输出口的输液管道，所述样品池具有开口用于注入液体样本；所述输液管道上连通设置有功能池，所述液体输出口外接负压装置以在所述液体输出口形成负压。液体样本从样品池到液体输出口的转移，实现了液体样本在微流控芯片上的转移操作，以方便进行后续试验。

Description

一种微流控芯片

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，具体而言，涉及一种微流控芯片。

背景技术

微流控分析芯片通过微细加工技术在芯片上构建各微功能元器件，从而构成具有微流路控制的分析系统。微流控芯片在众多领域都具有广阔的应用前景。其中，生物医学是当前微流控芯片的主要应用领域，如用于临床检验的微流控芯片在我国拥有最广泛的市场。

但是由于芯片体积小、结构复杂，对于一些液体样品的转移操作，容易出错或无法实现，从而导致后续对液体样品的检测试验失败。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微流控芯片，能够较为精确的实现芯片基体上液体样本的转移操作。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例的一方面提供一种微流控芯片，其包括芯片基体，在所述芯片基体上设置有样品池、液体输出口和连通所述样品池和所述液体输出口的输液管道，所述样品池具有开口用于注入液体样本；所述输液管道上连通设置有功能池，所述液体输出口外接负压装置以在所述液体输出口形成负压。

可选地，功能池包括计量池，所述计量池还连通有第一抽气管道，所述第一抽气管道的另一端用于连接负压。

可选地，所述功能池还包括转移池和试剂池，所述试剂池和所述转移池沿液体输出方向依次连通设置于所述计量池的输出端，所述液体输出口和所述转移池连通，所述试剂池内预埋有试剂。

可选地，所述转移池还连通有第二抽气管道，所述第二抽气管道用于连接负压。

可选地，所述功能池还包括缓存池，所述缓存池与所述计量池连通，所述缓存池设有开口，所述开口用于连通外界。

可选地，所述芯片基体上设置有废液池，所述废液池分别和所述样品池和所述计量池连通，所述废液池上设有开口用于连通外界。

可选地，所述输液管道上设有多个阀门，多个所述阀门分别连接于相邻所述功能池之间。

可选地，所述输液管道的内径在0.01mm－2mm之间。

可选地，所述输液管道、所述功能池和所述液体输出口形成了单通道的液体转移通道，所述芯片基体上的液体转移通道的数量为多个，多个所述输液转移通道分别和所述样品池连通。

可选地，多个所述液体转移通道在所述芯片基体上的排布方向相同。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的微流控芯片，包括芯片基体，芯片基体上设置有样品池，样品池具有开口用于注入液体样本；芯片基体上还设有液体输出口和连通样品池和液体输出口的输液管道，输液管道上连通设置有功能池，液体样本经开口注入样品池，再经输液管道流到功能池内，在功能池内完成特定的对液体样本的处理，处理后的液体样本再经输液管道从液体输出口流出，液体输出口外接负压装置以在液体输出口形成负压，负压低于常压，流体具有高压向低压流动的特性，负压引导液体样本从样品池流向液体输出口，以进行后续对液体样本的检测等处理。液体样本从样品池到液体输出口的转移，实现了液体样本在微流控芯片上的转移操作，以方便进行后续试验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的微流控芯片结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的微流控芯片结构示意图之二。

图标：2－芯片基体；21－样品池；22－废液池；231、232、233、234－计量池；241、242、243、244－缓存池；221、2411、2421、2431、2441－开口；251、252、253、254－试剂池；261、262、263、264－转移池；210、211、2101、2102、2103、2104、21011、21012、21013、21014、21021、21022、21023、21024、21031、21032、21033、21034、21041、21042、21043、21044、21051、21052、21053、21054、21061、21062、21063、21064－支路管道；21081、21082、21083、21084－第一抽气管道；21071、21072、21073、21074－第二抽气管道；2811、2821、2822、2823、2824、2831、2832、2833、2834、2841、2842、2843、2844、2851、2852、2853、2854－分阀门；271、272、273、274－负压口；291、292、293、294－液体输出口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

微流控芯片是通过微细加工技术在约为几平方厘米的芯片上构建储液池、微反应室、微管道、微检测元件等微功能元器件，从而构成具有微流路控制的分析系统。所以，也称为微全分析系统、芯片上的实验室(lab－on－a－chip)等。微流控芯片具有微型化、集成化、便携化、自动化、低成本和低损耗等诸多优点，这些优点也确保了其在众多领域的广阔的应用前景，譬如，生物医学、高通量药物合成筛选、农作物的优选优育、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定研究等众多领域。其中，生物医学是当前微流控芯片的主要应用领域，如用于临床检验的微流控芯片在我国拥有最广泛的市场。微流控芯片技术的主要特点是集成度高，功能齐全，但是由于芯片体积小，对于一些液体样品的复杂操作无法在芯片上实现有效操作。本实施例针对目前这一现状提出一种专门针对液体混合及定量转移的微流控芯片。

请参照图1，本实施例提供一种微流控芯片，其包括芯片基体2，在芯片基体2上设置有样品池21、液体输出口291和连通样品池21与液体输出口291的输液管道，样品池21具有开口用于注入液体样本；输液管道上连通有功能池，液体输出口291外接负压装置以在液体输出口291形成负压。

样品池21注入液体样本，液体样本从样品池21流出后，经输液管道进入功能池内，实现对液压样本的某特定功能的操作，然后从功能池流出，再经输液管道从液体输出口291流出，进行后续的操作。

这样一来，输液管道、功能池和液体输出口291就形成了一个单通道的液体转移通道。芯片基体2上还可设置多个液体转移通道，多个液体转移通道分别和样品池21连通，这样就实现了如图2所示的多通道的液体转移，具体见后述。

其中，芯片基体2的主体材料为玻璃、鬼片、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或高分子聚合物，高分子聚合物材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，环烯烃聚合物(COP)，聚酰胺(PA)或聚对苯二甲酸酯丁二醇酯等。芯片基体2的总体尺寸由每个单元(样品池21和各功能池)尺寸决定。芯片基体2的阀层、控制层等功能附件可根据需求具体功能决定，本领域技术人员可以根据需求变通，本实施例不做出进一步约束。

样品池21的体积可为0.1ml－2ml，形状可以为三角形、方形、多边形等。

输液管道根据不同的位置可分为多条支路管道，阀门也根据不同位置分为多个分阀门。具体地，样品池21底部与支路管道210连接，用于输出样品池21内的液体样本，样品池21顶部可以是开口或加装过滤装置的密封盖(图中未标示)。液体输出口291外接负压装置以在液体输出口291形成负压，负压驱动液体样本从样品池21、功能池至液体输出口291之间转移。此外，驱动液体样本在芯片基体2上转移的驱动力还可为正压。

另外，芯片基体2上还设置有废液池22，废液池22分别和样品池21和功能池(计量池231)连通，废液池22上设有开口221用于连通外界。

废液池22体积可为0.1ml－2.5ml，形状可以为三角形、方形、多边形等，样品池21与支路管道211连接，用于输入多余液体样本，废液池22顶部设置开口221，开口221作用为负压入口或正压通气口。也可将开口221通过多层气路结构与负压口271处连接，本领域专业人士可以在本实施例基础上进行气路结构变化。

本发明实施例提供的微流控芯片，在芯片基体2上设置有样品池21，样品池21具有开口用于注入液体样本；芯片基体2上还设有液体输出口291和连通样品池21和液体输出口291的输液管道，输液管道上连通设置有功能池，液体样本经开口注入样品池21，再经输液管道流到功能池内，在功能池内完成特定的对液体样本的处理，处理后的液体样本再经输液管道从液体输出口291流出，液体输出口291外接负压装置以在液体输出口291形成负压，负压低于常压，流体具有高压向低压流动的特性，负压引导液体样本从样品池21流向液体输出口291，以进行后续对液体样本的检测等处理。液体样本从样品池21到液体输出口291的转移，实现了液体样本在微流控芯片上的转移操作，以方便进行后续试验。

进一步地，功能池包括计量池231、转移池261、试剂池251和缓存池241。这些不同功能的功能池通过输液管道相互连通。输液管道上设有多个阀门，多个阀门分别连接于相邻功能池之间，用于开通或闭合输液管道，以使相邻功能池连通或断开。

输液管道为圆形中空的管道，输液管道的内径在0.01mm－2mm之间。由该内径范围可知，输液管道较窄，其内部压强大，这样液体样本在输液管道内流通时，液体样本能充满输液管道，后进入输液管道的液体样本快速挤压先进入输液管道内的液体样本，使输液管道内的液体样本流动速度能增大，加速了液体样本的转移。

计量池231作为功能池，除了与输液管道连通外，还连通有第一抽气管道21081，第一抽气管道21081的另一端(负压口271)用于连接负压。如图1所示，液体输出口291外接负压装置以使液体输出口291形成负压，输液管道内相应地也会产生一定的负压，但计量池231离液体输出口291较远，负压到计量池231出口处已减弱，通过在计量池231的出口还连通第一抽气管道21081，能增大计量池231出口处的负压，增加计量池231输入和输出液体样本的速度。

计量池231的功能是定量提取样品池21中的液体样本，提取液体样本的体积是计量池231几何体积及支路管道21011和支路管道21021几何体积的总体积。支路管道21021旁支设置第一抽气管道21081，目的是通过负压抽取液体样本。

此外，计量池231内部还可以作为试剂预埋区域，预埋试剂可以是冻干粉、凝胶状、颗粒状或液态。计量池231的外表面通过柔性材料形成鼓膜，或计量池231的双侧为硬质膜，柔性材料为聚二甲基硅氧烷膜(PDMS)、聚氯乙烯膜(PVC)、聚丙烯膜(PP)聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(PET)等，厚度为0.01mm－1mm。

试剂池251和转移池261沿液体输出方向依次连通设置于计量池231的输出端，液体输出口291和转移池261连通，试剂池251内预埋有试剂。

转移池261与试剂池251相通，并与液体输出口291相通，液体输出口291输出液体体积是转移池261几何体积与支路管道21041、支路管道21051几何体积的差。转移池261的一侧为硬质材料或膜，另一侧为柔性材料，通过柔性材料形成鼓膜，柔性材料为聚二甲基硅氧烷膜(PDMS)、聚氯乙烯膜(PVC)、聚丙烯膜(PP)聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(PET)等，厚度为0.01mm－1mm。

试剂池251的功能是预埋试剂，预埋试剂可以是冻干粉、凝胶状、颗粒状或液态。

计量池231能定量提取样品池21中的液体样本，计量池231内设(或试剂池251)内预埋试剂，使液体样本和试剂混合，通过计量池231和试剂池251的设置，实现有效混合多种样品及定量转移液体，解决现有微流控领域内无法有效混合多种样品及定量转移液体困难的不足。

转移池261还连通有第二抽气管道21071，第二抽气管道21071用于连接负压，其作用与第一抽气管道21081相同，为的是增大转移池261内的负压，通过第二抽气管道21071进行抽气处理以增大转移池261内的负压外，还可直接吸取部分液体样本进行临时检测或抽样等操作。

第一抽气管道21081和第二抽气管道21071连接负压的一端(即为负压口271)均设置透气隔水膜，负压口271的功能是对计量池231、转移池261及相通的输液管道进行抽气处理、同时吸取液体样品。第二抽气管道21071、第一抽气管道21081均为圆管，其内径为0.01mm－2mm，内径较窄，加速负压口271处的抽气速度。

缓存池241与计量池231连通，缓存池241设有开口2411，开口2411用于连通外界。

缓存池241的功能是将计量池231通过开口2411和芯片基体2外界相通，或和正压连通。这样能加速液体样本的流动速度。

芯片基体2上输液管道、功能池和液体输出口291形成了单通道的液体转移通道，当芯片基体2上的液体转移通道的数量为多个时，多个输液转移通道分别和样品池21与废液池22连通，这样就在芯片基体2上形成了多通道的液体转移通道，这样进入样品池21的液体样本能同时经多通道的液体转移通道进入后端操作，提高液体转移效率。

多个液体转移通道在芯片基体2上的排布方向相同，多个液体转移通道的液体输出口291、液体输出口292、液体输出口293、液体输出口294均位于芯片基体2的同一端。这样液体转移的流向为同一方向，在后端的接收处能统一有效操作。

具体地，多通道的液体转移通道如图2所示，芯片基体2上有样品池21，废液池22，计量池231、计量池232、计量池233、计量池234，缓存池241、缓存池242、缓存池243、缓存池244，试剂池251、试剂池252、试剂池253、试剂池254，转移池261、转移池262、转移池263、转移池264，液体输出口291、液体输出口292、液体输出口293、液体输出口294，各支路管道，第一抽气管道21081、第一抽气管道21082、第一抽气管道21083、第一抽气管道21084，第二抽气管道21071、第二抽气管道21072、第二抽气管道21073、第二抽气管道21074，各分阀门，负压口271、负压口272、负压口273、负压口274。

芯片基体2上设置多通道液体转移通道时，样品池21和废液池22的体积可增大。样品池21的体积可为0.4ml，样品池21底部与支路管道210连接，用于输出液体样本，样品池21顶部为开口，便于加入液体样本。液体样本通过输液管道转移至芯片基体2其他位置的驱动力为负压。

废液池22体积可为0.5ml，样品池21与支路管道211连接，用于收集多余液体样本，废液池22顶部设置开口221，开口221作用为负压入口，并加装透气不透水隔膜。

计量池231、计量池232、计量池233、计量池234功能是定量提取样品池21中的液体样品，提取液体样品的体积是计量池231、计量池232、计量池233、计量池234几何体积及对应的支路管道21011、支路管道21012、支路管道21013、支路管道21014和支路管道21021、支路管道21022、支路管道21023、支路管道21024几何体积的总体积。支路管道210液体样本在负压作用下，分别流入支路管道2101、支路管道2102、支路管道2103、支路管道2104。

支路管道21021、支路管道21022、支路管道21023、支路管道21024旁支分别对应设置负压第一抽气管道21081、第一抽气管道21082、第一抽气管道21083、第一抽气管道21084，目的是通过负压抽取样品。计量池231、计量池232、计量池233、计量池234内部也均可以作为试剂预埋区域，预埋试剂可以是冻干粉、凝胶状、颗粒状或液态。计量池231、计量池232、计量池233、计量池234可以预埋不同种类试剂。

计量池231、计量池232、计量池233、计量池234的双侧均为硬质膜，计量池231、计量池232、计量池233、计量池234体积相等，为0.05微升。

缓存池241、缓存池242、缓存池243、缓存池244的功能是分别将计量池231、计量池232、计量池233、计量池234通过开口2411、开口2421、开口2431、开口2441和芯片外界相通，并可容纳存可能出现的多余液体，以免流出芯片外。缓存池241、缓存池242、缓存池243、缓存池244分别通过对应的支路管道21061、支路管道21062、支路管道21063、支路管道21064与计量池231、计量池232、计量池233、计量池234相通。

试剂池251、试剂池252、试剂池253、试剂池254的功能是预埋试剂，预埋试剂可以是冻干粉，并且试剂池251、试剂池252、试剂池253、试剂池254可分别预埋不同种类的冻干粉试剂。

转移池261、转移池262、转移池263、转移池264分别通过对应的支路管道21031、支路管道21032、支路管道21033、支路管道21034与试剂池251、试剂池252、试剂池253、试剂池254相通，并分别与液体输出口291、液体输出口292、液体输出口293、液体输出口294相通，液体输出口291、液体输出口292、液体输出口293、液体输出口294分别的输出液体体积是对应的转移池261、转移池262、转移池263、转移池264几何体积分别与支路管道21041、支路管道21042、支路管道21043、支路管道21044、支路管道21051、支路管道21052、支路管道21053、支路管道21054体积的差。转移池261、转移池262、转移池263、转移池264的一侧均为硬质材料或膜，另一侧为柔性材料，通过柔性材料形成鼓膜，柔性材料为聚二甲基硅氧烷膜(PDMS)，厚度为0.02mm。

第二抽气管道21071、第二抽气管道21072、第二抽气管道21073、第二抽气管道21074与对应的第一抽气管道21081、第一抽气管道21082、第一抽气管道21083、第一抽气管道21084的端口处分别对应负压口271、负压口272、负压口273、负压口274，负压口271、负压口272、负压口273、负压口274均为抽气口，负压口271、负压口272、负压口273、负压口274分别设置透气隔水膜，功能是对计量池231、计量池232、计量池233、计量池234、转移池261、转移池262、转移池263、转移池264及相通管道进行抽气处理、同时吸取液体样品。第二抽气管道21071、第二抽气管道21072、第二抽气管道21073、第二抽气管道21074、第一抽气管道21081、第一抽气管道21082、第一抽气管道21083、第一抽气管道21084的内径均为0.02mm。所有输液管道的宽度为0.8mm，深度为0.5mm。

多通道的液体转移通道如图2所示，芯片基体2实现定量混合样品及定量转移液体的操作流程如下，但保护范围不限于如下操作流程，在本实施例的基础上进行变通的操作流程及芯片基体2核心技术变化范围仍属于本实施例保护范围。

1.负压口负压口271、负压口272、负压口273、负压口274、开口221处施加负压，分阀门2821、分阀门2822、分阀门2823、分阀门2824开启，其他分阀门关闭，样品池21中的液体样品经由支路管道210，分流至支路管道2101、2102、2103、2104，经过分阀门2821、分阀门2822、分阀门2823、分阀门2824，进入支路管道21011、支路管道21012、支路管道21013、支路管道21014，进入计量池231、计量池232、计量池233、计量池234，并充满计量池231、计量池232、计量池233、计量池234。

2.开启分阀门2811，样品池21中多余液体样品依次经由支路管道210、分阀门2811、支路管道211进入废液池22。

3.开启分阀门2831、分阀门2832、分阀门2833、分阀门2834、分阀门2841、分阀门2842、分阀门2843、分阀门2844，其他分阀门关闭，计量池231、计量池232、计量池233、计量池234中的一部分液体样本流经试剂池251、试剂池252、试剂池253、试剂池254分别流入对应的转移池261、转移池262、转移池263、转移池264，并充满样品转移池261、转移池262、转移池263、转移池264。计量池231、计量池232、计量池233、计量池234中的另一部分液体样本流入缓存池241、缓存池242、缓存池243、缓存池244。

样品混合过程：开启分阀门2831、分阀门2832、分阀门2833、分阀门2834、分阀门2841、分阀门2842、分阀门2843、分阀门2844，其他阀门关闭，对转移池261、转移池262、转移池263、转移池264的柔性膜施加压力，将转移池261、转移池262、转移池263、转移池264中的液体分别挤压至计量池231、计量池232、计量池233、计量池234中，然后再通过对转移池261、转移池262、转移池263、转移池264的柔性膜施加负压将柔性膜恢复至原来形状，实现将计量池231、计量池232、计量池233、计量池234中的液体吸取至相应的转移池261、262、263、264中，反复多次达到液体与试剂池251、试剂池252、试剂池253、试剂池254中的预埋试剂充分混合的目的。

样品定量转移出芯片基体2过程：开启分阀门2851、2852、2853、－2854，其他分阀门关闭，通过对转移池261、转移池262、转移池263、转移池264柔性膜施加压力，液体样品将依次流经支路管道21041、支路管道21042、支路管道21043、支路管道21044、分阀门2851、分阀门2852、分阀门2853、分阀门2854、支路管道21051、支路管道21052、21053、支路管道21054转移出芯片基体2，至此完成液体样品在芯片中的定量混合及定量转移的全部过程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括芯片基体，在所述芯片基体上设置有样品池、液体输出口和连通所述样品池和所述液体输出口的输液管道，所述样品池具有开口用于注入液体样本；所述输液管道上连通设置有功能池，所述液体输出口外接负压装置以在所述液体输出口形成负压。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述功能池包括计量池，所述计量池还连通有第一抽气管道，所述第一抽气管道的另一端用于连接负压。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述功能池还包括转移池和试剂池，所述试剂池和所述转移池沿液体输出方向依次连通设置于所述计量池的输出端，所述液体输出口和所述转移池连通，所述试剂池内预埋有试剂。

4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述转移池还连通有第二抽气管道，所述第二抽气管道用于连接负压。

5.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述功能池还包括缓存池，所述缓存池与所述计量池连通，所述缓存池设有开口，所述开口用于连通外界。

6.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述芯片基体上设置有废液池，所述废液池分别和所述样品池和所述计量池连通，所述废液池上设有开口用于连通外界。

7.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述输液管道上设有多个阀门，多个所述阀门分别连接于相邻所述功能池之间。

8.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述输液管道的内径在0.01mm－2mm之间。

9.根据权利要求1－8任意一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述输液管道、所述功能池和所述液体输出口形成了单通道的液体转移通道，所述芯片基体上的液体转移通道的数量为多个，多个所述输液转移通道分别和所述样品池连通。

10.根据权利要求9所述的微流控芯片，其特征在于，多个所述液体转移通道在所述芯片基体上的排布方向相同。

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