CN112058324A - 微流控芯片、样本加载装置以及气压控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控芯片、样本加载装置以及气压控制装置，属于微流控芯片技术领域。包括：顶层、封盖层以及检测层，封盖层设置于顶层与检测层之间，其中：检测层上设置样本加载模块和样品处理模块，样本加载模块包括依次连接的进样口、样本池、结构腔，结构腔通过微通道与样品处理模块相连接；封盖层上设置有进样通孔、透气通孔，透气通孔上覆盖或内设阻水透气膜，进液通孔与进样口连通，透气通孔与结构腔连通；顶层上第一通孔与进液通孔连通，第一通孔用于与样本加载装置相连接，顶层上第二通孔与透气通孔相对设置，第二通孔用于与样本加载的驱动装置装置相连接；解决了相关技术中微流控芯片的样本检测结果的准确性低的问题。

Description

微流控芯片、样本加载装置以及气压控制装置

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，特别涉及一种微流控芯片、样本加载装置以及气压控制装置。

背景技术

微流控芯片是将生物和化学领域所涉及的基本操作单位集成在一块小型芯片上，其一般是由各种储液池和相互连接的微通道网络组成，能很大程度缩短样本处理时间，并通过精密控制液体流动(通过微流控技术，微量流体的精确操控的技术手段，尤其是指在亚毫米尺寸级别上)，实现试剂耗材的最大利用效率，实现诸如采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等化验室的功能。

目前，市场中微流控芯片的液体样本加载方式一般采用移液枪等设备进行手动加样，驱动方式则通过手动加样过程中产生的压力、或芯片结构产生的毛细力实现液体样本在微流控芯片腔体内的填充以及分布。

然而，手动加样在流程上削弱了微流控自动化程度，加大了对操作人员的专业技术要求，同时在液体转移过程中人为因素造成的干扰容易造成样本的损失、污染。同时，由于个体化差异，手动加样产生的压力不同，造成被测样本测试时流动的速度、样本量、反应时间等不可控，会进一步加大样本检测结果的偏差。

发明内容

为了解决现有技术中微流控芯片的样本检测结果的准确性低的问题，本发明实施例提供了一种微流控芯片、样本加载装置以及气压控制装置。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种微流控芯片，包括：顶层、封盖层以及检测层，所述封盖层设置于所述顶层与所述检测层之间、封盖于所述检测层之上，其中：

所述检测层上设置样本加载模块和样品处理模块，所述样本加载模块包括依次连接的进样口、样本池、结构腔，所述结构腔通过微通道与所述样品处理模块相连接；

所述封盖层上设置有进样通孔以及透气通孔，所述透气通孔上覆盖或内设阻水透气膜，所述进液通孔与所述进样口连通，所述透气通孔与所述结构腔连通；

所述顶层上设置有第一通孔、第二通孔，所述第一通孔与所述进液通孔连通，所述第一通孔用于与样本加载装置相连接，所述第二通孔与所述透气通孔相对设置，所述第二通孔用于与样本加载的驱动装置装置相连接。

第二方面，提供了一种样本加载装置，所述样本加载装置用于向如第一方面所涉及的微流控芯片加载样本，包括：样本收集管、收集管适配接口、导管、样本加载接口，其中：所述样本收集管通过所述收集管适配接口与所述导管的一端相连通；所述导管的另一端通过所述样本加载接口与所述第一通孔相连通。

可选的，所述样本收集管的顶端设置有开口，所述样本收集管的底部采用柔性材料；所述收集管适配接口包括底座和连接在所述底座上的侧壁，所述侧壁与所述底座形成用于容纳所述样本收集管的容纳腔，所述底座上设置有锥形中空刺凸结构，所述锥形中空刺凸结构的中空部分插入或连接所述导管。

可选的，所述样本收集管的管身外壁设置有第一限位机构，所述侧壁上设置有第二限位机构，所述第一限位机构与所述第二限位机构配合实现样本收集管的限位。

可选的，所述第二限位机构包括上下设置的第一凸起、第二凸起，所述第一限位机构为卡槽；所述第一限位机构卡接于所述第一凸起时，所述样本收集管的底部高于所述锥形中空刺凸结构；所述样本收集管在外力作用下所述第一限位机构可脱离第一凸起，下降至卡接与第二凸起，下降过程中所述锥形中空刺凸结构刺破所述样本收集管的底部，使得所述样本收集管内样本可通过所述导管进入所述进样口。

可选的，所述第二限位机构为限位孔，所述第一限位机构为卡槽，所述卡槽用于容纳横向设置的限位件，所述限位件可穿入限位孔上下移动，其中：所述限位件横向插入所述卡槽的情况下，所述限位件由所述限位孔的顶端被下压至底端的过程中，所述锥形中空刺凸结构刺破所述样本收集管的底部，使得所述样本收集管内样本可通过所述导管进入所述进样口。

可选的，所述锥形中空刺凸结构为中空锥形体，所述中空锥形结构半锥角为α，5°≤α≤20°，中空孔径0.5mm-0.1mm。

可选的，所述锥形中空刺凸结构的中空部分的上端呈锥形且内设螺纹，所述中空部分的上端与所述导管的锥形接口适配。

第三方面，提供了一种样本加载的驱动装置，所述样本加载的驱动装置用于驱动向第一方面所涉及的微流控芯片内样本加载，包括真空泵、气体导管以及气体接口和控制器，所述气体接口通过所述气体导管与所述真空泵的气口相连接，所述控制器与所述真空泵电连接，所述气体接口用于与所述第二通孔相连接，其中：所述控制器控制所述真空泵工作，使得所述气体接口处处于负压状态。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过提供一种微流控芯片，当样本充满样本池后样品会进入结构腔，在结构腔533内样本增加至液面与阻水透气膜完全接触后，负压作用被液体阻断，样品加载停止，实现微流控芯片内样品的自动化加载，避免人工手动加样个体化存在差异，加样产生的压力不同而导致的样本检测结果的存在偏差，达到了提高样本检测结果的准确性的效果，还提高了微流控芯片加载的自动化程度。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例中提供的微流控芯片的示意图；

图2是本发明一个实施例中提供的样本加载装置的示意图；

图3是本发明一个实施例中提供的收集管适配接口的示意图；

图4是本发明一个实施例中提供的微流控芯片与其样本加载装置以及驱动装置的连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为解决现有技术中存在的微流控芯片的样本检测结果偏差大的问题，本申请提供了一种微流控芯片、用于向此类微流控芯片中加载样品的样本加载装置以及用于驱动样本加载装置向微流控芯片中加载样品的驱动装置，以提高微流控芯片的样本检测结果准确性以及提高微流控芯片样本加载的自动化。

请参考图1，其示出了本发明一个实施例提供的微流控芯片的示意图。如图1所示，该微流控芯片可以包括：顶层51、封盖层52以及检测层53，封盖层52设置于顶层51与检测层53之间、封盖于检测层53之上其中：检测层53上设置样本加载模块531和样品处理模块534，样本加载模块531包括依次连接的进样口531、样本池532、结构腔533，结构腔533通过微通道与样品处理模块534相连接；封盖层52上设置有进样通孔(图中未示出)以及透气通孔(图中未示出)，透气通孔上覆盖或内设阻水透气膜521，进液通孔与检测层53上进样口531连通，透气通孔与检测层53上结构腔533连通；顶层51上设置有第一通孔511、第二通孔512，第一通孔511与进液通孔连通，第一通孔511用于与样本加载装置相连接，第二通孔512与透气通孔相对设置，第二通孔512用于与样本加载的驱动装置相连接。

其中，顶层51、封盖层52以及检测层53的形状及大小相同或相似，检测层53、封盖层52、顶层51按照由下至上的顺序依次叠放；在样本加载装置于微流控芯片的第一通孔511连通后，样本加载的驱动装置与第二通孔512连通后，该驱动装置可向结构腔533内提供负压，使得样本加载装置内样品在负压的作用下自动通过第一通孔511、进样通孔、进样口531进入微流控芯片的样本池532；当样本充满样本池532后样品会进入结构腔533，在结构腔533内样本增加至液面与阻水透气膜完全接触后，负压作用被液体阻断，样品加载停止，实现微流控芯片内样品的自动化加载，避免人工手动加样个体化存在差异，加样产生的压力不同而导致的样本检测结果的存在偏差，达到了提高样本检测结果的准确性的效果，还提高了微流控芯片加载的自动化程度。

本申请中通过对样本池532的尺寸设计精确控制加载样本体积。

可选的，微流控芯片的材料可选用有机玻璃(Polymethyl methacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)等硬质或软质材料，三层材料(也即，顶层51、封盖层52以及检测层53)的键合可选用超声键合、热压键合、表面粒子轰击键合或者胶层粘合。芯片结构生成可通过精密机械加工、3D打印、热塑成型等工艺实现。

本申请还提供了用于向如图1所示的向微流控芯片加载样本的样本加载装置。如图2所示，样本加载装置包括：样本收集管1、收集管适配接口2、导管3、芯片样本加载接口4，其中：样本收集管1通过收集管适配接口2与导管3的一端相连通；导管3的另一端通过样本加载接口4与第一通孔511相连通。

可选的，样本加载接口4以不可逆方式与第一通孔511连接，以保证样本加载接口4与芯片连接的良好密闭性。

在一个示例中，如图2所示，样本收集管1的顶端设置有开口11，样本收集管1的底部13采用柔性材料；收集管适配接口2包括底座和连接在底座上的侧壁，侧壁与底座形成用于容纳样本收集管1的容纳腔，底座上设置有锥形中空刺凸结构，锥形中空刺凸结构的中空部分插入或连接导管3。在将样本加载装置于微流控芯片的第一通孔511连通后，样本加载的驱动装置与第二通孔512连通后，下压样本收集管1使收集管适配接口2上的锥形中空刺凸结构刺破样本收集管1的底部13，再启动驱动装置向结构腔533内提供负压，样本收集管1内样本可经导管3自动加载至微流控芯片中。

可选的，由于样本收集管1、收集管适配接口2、导管3、微流控芯片均会与样本直接接触，可采用一次性使用无菌耗材，连接方式可以为不可逆一体化连接。可选的，微流控芯片的第一通孔511上设置有加载接口，该加载接口与导管3相连接；由于加载接口也会与样本直接接触，也可采用一次性使用无菌耗材，与导管3、微流控芯片的顶层51的连接方式可以为不可逆一体化连接。

可选的，样本收集管1中可含有用于样本收集的收集液体，也可为经特殊处理(如抗凝血处理)的空常压或负压管。样本收集管1可收集包含气体中气溶胶、血液、咽拭子、唾液、体液、尿液、灌洗液等人源或非人源样本。采集完毕后将样本收集管1放入收集管适配接口2中。

可选的，收集管适配接口2的锥形中空刺凸结构可通过热塑或3D打印工艺实现，材料可为金属或硬质高分子材料；在一个示例中，如图2所示，锥形中空刺凸结构为中空锥形体，中空锥形结构半锥角为α，5°≤α≤20°，中空231孔径0.5mm-0.1mm。

锥形中空刺凸结构的中空下方设置有导管3连接结构233；在一个示例中，导管3连接结构233内设置有上端与锥形中空刺凸结构的中空连通的通道，该通道的顶部可设置于内螺纹与导管3的标准锥形接口匹配；在另一个示例中，通过3D打印或混合注塑工艺直接将导管3连接结构233、锥形中空刺凸结构做成一体化结构，保证密封相连。

可选的，样本收集管1的管身外壁设置有第一限位机构，侧壁上设置有第二限位机构，第一限位机构与所述第二限位机构配合实现样本收集管1的限位。

在一个示例中，第二限位机构包括上下设置的第一凸起、第二凸起，所述第一限位机构为卡槽12；所述第一限位机构卡接于所述第一凸起时，所述样本收集管1的底部高于所述锥形中空刺凸结构；所述样本收集管1在外力作用下所述第一限位机构可脱离第一凸起，下降至卡接与第二凸起，下降过程中所述锥形中空刺凸结构刺破所述样本收集管1的底部，使得所述样本收集管1内样本可通过所述导管3进入所述进样口531。可选的，如图2所示，第一凸起、第二凸起可以为凸点，卡槽12可以为环绕收集管一周的卡槽12。或者，第一凸起、第二凸起凸环，卡槽12可以为环绕收集管一周的卡槽12。

在另一个示例中，所述第二限位机构为限位孔，所述第一限位机构为卡槽12，所述卡槽12用于容纳横向设置的限位件，所述限位件可穿入限位孔上下移动，其中：限位件横向插入卡槽12的情况下，限位件由限位孔的顶端被下压至底端的过程中，锥形中空刺凸结构刺破样本收集管1的底部，使得样本收集管1内样本可通过导管3进入进样口531。

本申请提供了一种样本加载的驱动装置6，该样本加载的驱动装置6用于驱动上述实施例所涉及的微流控芯片内样本加载，包括真空泵、气体导管以及气体接口61和控制器，该气体接口61通过气体导管与真空泵的气口相连接，控制器与真空泵电连接，该气体接口61用于与第二通孔512相连接，其中：控制器控制真空泵工作，使得气体接口61处处于负压状态。

在一个示例中，真空泵内置了气压传感器，用于检测真空泵内的气压装置；控制器根据气压传感器检测到的气压数值，控制真空泵内处于负压，进而控制气体接口61以及结构腔533处于负压状态，实现样本的加载驱动。

在另一个示例中，在检测层53设置液体流量传感器，例如设置于检测层53的进样口531；根据液体流量传感器检测的液体流量信息控制真空泵。例如，在液体流量传感器检测的液体流量为0时，控制真空泵工作进入负压状态，进而控制气体接口61以及结构腔533处于负压状态，实现样本的加载驱动。

可选的，气体接口61与第二通孔512的连接方式为可逆封装，以实现芯片拆解和后续使用。

可选的，为实现样本加载的驱动装置6为可重复利用模块，因此气压接口61与芯片为可逆封装，以实现芯片拆解和后续使用。为保证气密性，气压接口可使用夹持装置施加压力并通过弹性垫圈实现可靠可逆气密连接。

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隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或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。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括：顶层、封盖层以及检测层，所述封盖层设置于所述顶层与所述检测层之间、封盖于所述检测层之上，其中：

所述检测层上设置样本加载模块和样品处理模块，所述样本加载模块包括依次连接的进样口、样本池、结构腔，所述结构腔通过微通道与所述样品处理模块相连接；

所述封盖层上设置有进样通孔以及透气通孔，所述透气通孔上覆盖或内设阻水透气膜，所述进液通孔与所述进样口连通，所述透气通孔与所述结构腔连通；

所述顶层上设置有第一通孔、第二通孔，所述第一通孔与所述进液通孔连通，所述第一通孔用于与样本加载装置相连接，所述第二通孔与所述透气通孔相对设置，所述第二通孔用于与样本加载的驱动装置装置相连接。

2.一种样本加载装置，其特征在于，所述样本加载装置用于向如权利要求1所述的微流控芯片加载样本，包括：样本收集管、收集管适配接口、导管、样本加载接口，其中：

所述样本收集管通过所述收集管适配接口与所述导管的一端相连通；

所述导管的另一端通过所述样本加载接口与所述第一通孔相连通。

3.根据权利要求2所述的样本加载装置，其特征在于，

所述样本收集管的顶端设置有开口，所述样本收集管的底部采用柔性材料；

所述收集管适配接口包括底座和连接在所述底座上的侧壁，所述侧壁与所述底座形成用于容纳所述样本收集管的容纳腔，所述底座上设置有锥形中空刺凸结构，所述锥形中空刺凸结构的中空部分插入或连接所述导管。

4.根据权利要求3所述的样本加载装置，其特征在于，所述样本收集管的管身外壁设置有第一限位机构，所述侧壁上设置有第二限位机构，所述第一限位机构与所述第二限位机构配合实现样本收集管的限位。

5.根据权利要求4所述的样本加载装置，其特征在于，所述第二限位机构包括上下设置的第一凸起、第二凸起，所述第一限位机构为卡槽；

所述第一限位机构卡接于所述第一凸起时，所述样本收集管的底部高于所述锥形中空刺凸结构；

所述样本收集管在外力作用下所述第一限位机构可脱离第一凸起，下降至卡接与第二凸起，下降过程中所述锥形中空刺凸结构刺破所述样本收集管的底部，使得所述样本收集管内样本可通过所述导管进入所述进样口。

6.根据权利要求4所述的样本加载装置，其特征在于，所述第二限位机构为限位孔，所述第一限位机构为卡槽，所述卡槽用于容纳横向设置的限位件，所述限位件可穿入限位孔上下移动，其中：

所述限位件横向插入所述卡槽的情况下，所述限位件由所述限位孔的顶端被下压至底端的过程中，所述锥形中空刺凸结构刺破所述样本收集管的底部，使得所述样本收集管内样本可通过所述导管进入所述进样口。

7.根据权利要求3所述的样本加载装置，其特征在于，所述锥形中空刺凸结构为中空锥形体，所述中空锥形结构半锥角为α，5°≤α≤20°，中空孔径0.5mm-0.1mm。

8.根据权利要求3所述的样本加载装置，其特征在于，所述锥形中空刺凸结构的中空部分的上端呈锥形且内设螺纹，所述中空部分的上端与所述导管的锥形接口适配。

9.一种样本加载的驱动装置，其特征在于，所述样本加载的驱动装置用于驱动向如权利要求1所述的微流控芯片内样本加载，包括真空泵、气体导管以及气体接口和控制器，所述气体接口通过所述气体导管与所述真空泵的气口相连接，所述控制器与所述真空泵电连接，所述气体接口用于与所述第二通孔相连接，其中：所述控制器控制所述真空泵工作，使得所述气体接口处处于负压状态。

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