CN112138735A - 微流控芯片的加热、温度检测与光学检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微流控芯片的加热装置，包括：发热体，其与所述微流控芯片的加热区域间设置预定距离；和聚焦器件，用于将所述发热体发出的热量聚焦到所述加热区。在此基础上，还提供了关于微流控芯片的加热、温度检测及光学检测装置和方法以及微流控芯片系统。本发明解决了微流控芯片在加热时存在的交叉污染与芯片结构损害的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术领域。更具体地说，本发明涉及微流控芯片的加热、温度检测及光学检测装置和方法以及微流控芯片系统。
背景技术
由于体外诊断试剂的反应过程通常对温度要求比较高，在合适的温度范围内其反应活性最强，所以温度控制的好坏直接影响到检测的结果。传统检验设备在试剂反应过程中所用的温度控制方案以恒温包为主。该方案主要采用电阻式加热、半导体加热等方式，存在着如体积大且笨重、功耗高、成本高、达到恒温范围所需要时间长、故障率高等特点或不足。也有部分设备通过将加热模块触及微流控产品实现加热，由此导致检验设备中的检测模块易与加热模块产生干涉，为了避免干涉，可能要移动微流控产品的反应区或待反应的液体或卡条、载具等，从而容易带来温度偏差，增加温控难度与设备成本；此外，加热模块与微流控产品接壤容易产生应力导致形变，产生损伤，影响温控产品的可靠性与稳定性。因此传统的加热与温度控制方式就难以满足POCT或微流控产品关于成本低、体积小、检测速度快等的要求。
发明内容
如前所述，传统的微流控芯片加热方法存在着一系列难以解决的技术缺陷。因此，本发明的目的在于，针对于这些缺陷，提出相应的技术方案，解决引发前述缺陷的一系列问题，克服这些缺陷。
具体来说，本申请通过采用将发热体与加热区分离设置的方式，解决了微流控芯片在加热时存在的交叉污染与芯片结构损害的问题。进一步地，主要是通过聚焦传热的手段实现的，由此也进一步地提升了加热作业中的热量传递效率，实现了快速加热，便于实现对加热区的温度进行快速控制。
更具体地，本申请通过以下诸方面中的技术方案实现：
<本申请的第一方面>
第一方面提供了一种微流控芯片的加热装置，在一些技术方案中，所述加热装置，包括：
发热体，其与所述微流控芯片的加热区间设置预定距离，该预定距离被设置为所述发热体能够通过辐射与对流的方式将热量传递至所述加热区；和
聚焦器件，用于将所述发热体发出的热量聚焦到所述加热区。
在本方案中，通过所述聚焦器件将所述发热体的热量聚焦传递到所述加热区，构建了一种发热体与加热区分离设置的加热装置。该加热装置不仅能够避免发热体与加热区接触加热带来的交叉污染问题，还可以提升热量的传递效率，实现快速加热，便于实现对所述加热区的温度进行控制；此外，由于发热体与所述加热区分离设置，还能够减小微流控芯片加热装置的体积以及避免发热体与加热区接触时对微流控芯片或其他结构挤压造成的损害。
需要说明的是，本方案中，“发热体”主要是用于以辐射与对流的方式为加热区提供热量，“发热体”可以是自然光源，也可以是人造光源。自然光源可以是太阳光发出的光线，人造光源可以是发光二极管(红外线二极管)、气体放电灯、霓虹灯、白炽灯、卤钨灯等。
“加热区”主要指的是所述微流控芯片中反应池所在的区域或其他需要温育控制的区域，当然此处以列举方式提出的反应池与温育控制的区域不能视为对于本方案要求保护的“加热区”的限制，本领域技术人员以适当方式对其进行的一切改进都应当视为落入本发明的保护范围。
在一些技术方案中，所述聚焦器件可以是从自聚焦透镜、微透镜阵列、凸透镜和凹面镜中选取的一种或多种。
在一些技术方案中，当所述聚焦器件包括凹面镜时，所述发热体放置在凹面镜的焦点上。可以提升对热量的聚焦与传递效果。
在一些技术方案中，当所述加热区的面积与凹面镜的直径相等时，所述聚焦器件设置为凹面镜。此时的聚焦效果最好，所以可以只用凹面镜作为所述聚焦器件就可以满足对所述加热区进行的热量传递。需要说明的是，本方案中的“相等”可以是“大致相等”，应当理解的是，关于“大致相等”的范围，本领域技术人员能够根据实际需要对所述加热区的面积与凹面镜的直径之间的关系进行设置。此外，关于“凹面镜的半径”，需要强调的是，当在凹面镜的焦点放置光源时，经过反射后形成平行光线，经由该平行光线形成的照射区面积即为凹面镜的半径，因此这里的“凹面镜的半径”不能等同于凹面镜的曲率半径。换言之，这里的“凹面镜的半径”是为了对“加热区的面积”的设置进行更形象化的描述而提出的术语，不能视为一般技术理解中的直径；在通常的技术表达中，直径被理解为表达面积的一个元素，而在本方案中，“凹面镜的半径”则应当视为与面积处于同一层次的概念。
在一些技术方案中，当所述聚焦器件包括凸透镜时，所述凸透镜设置于所述发热体与所述加热区之间，所述凸透镜的凸面朝向所述加热区，其中，所加热区位于凸透镜的焦点的内侧或外侧。本方案中，“内侧”指的是位于凸透镜的焦点与凸透镜的中心点之间，“外侧”指的是位于凸透镜的中心点到凸透镜的焦点的连接线延长线上。
进一步地，当所述加热区为圆形时，所述加热区与凸透镜的凸面之间的距离可以按照如下公式计算：
I＝f凸[(r±r′)/r] (式一)；
在(式一)中，r为凸透镜球面半径，r′为加热区的半径，l为加热区到凸透镜中心点之间的距离；其中f凸通过下述(式二)计算：
f凸＝R’/(n-1) (式二)；
在(式二)中，R’为凸面镜的球面半径，n为凸面镜的折射率。本方案中，通过(式一)与(式二)可以快速确定凸面镜的安装距离与透镜选型等。
在一些技术方案中，当所述聚焦器件包括凸透镜和凹面镜时，所述凸透镜设置于所述发热体与所述加热区之间，所述发热体设置于所述凹面镜与所述加热区之间。可以提升对热量的聚焦与传递效果。
在一些技术方案中，所述聚焦器件的聚焦光斑与所述加热区在面积上至少相等，优选为所述聚焦光斑在面积上略大于所述加热区。当然，在某些其他技术方案中，聚焦光斑在面积上也可以小于加热区。
<本申请的第二方面>
第二方面提供了一种微流控芯片加热方法，所述加热方法包括：通过聚焦传热的方式为所述微流控芯片中的加热区加热，使得用于加热的发热体与所述加热区分离设置。
在上述方案中，聚焦传热能够将发热体传递的能量集中到所述加热区中，不仅能够避免因发热体与加热区接触带来的交叉污染问题；同时还可以提升热量的传递效率，实现快速加热，便于实现对所述加热区的温度进行控制；此外，由于发热体与所述加热区分离设置，还能够减小微流控芯片加热装置的体积以及避免发热体与加热区接触时对微流控芯片或其他结构挤压造成的损害。
<本申请的第三方面>
第三方面提供了一种微流控芯片的温度检测装置，所述温度检测装置包括：
第一方面所述的加热装置；和
温度检测器件，其与所述加热区分离设置，用于检测所述加热区的温度。
本方案能够解决检测区域与加热区共用所产生冲突的问题。
<本申请的第四方面>
第四方面提供了一种微流控芯片的温度检测方法
应用第三方面所述的温度检测装置检测所述微流控芯片的加热区的温度。
本方案能够解决检测区域与加热区共用所产生冲突的问题。
<本申请的第五方面>
第五方面提供了一种基于微流控芯片的光学检测方法，包括：
设定光学检测时间并且与一预设的时间阈值比对大小；
如果所述光学检测时间在所述时间阈值内，则停止对所述微流控芯片的加热区的加热操作，如果所述光学检测时间超出所述时间阈值，则交替对所述微流控芯片的加热操作与光学检测操作；其中，
应用第一方面所述的加热装置进行所述加热操作。
本方案能够满足检测池温度控制的要求以及检测时间的需要，从而保证检测结果的有效、稳定与可靠。
<本申请的第六方面>
第六方面提供了一种基于微流控芯片的光学检测装置，包括：
第三方面所述的微流控芯片的温度检测装置；和
光电检测模块，用于执行第五方面所述的光学检测方法。
本方案能够满足检测池温度控制的要求以及检测时间的需要，从而保证检测结果的有效、稳定与可靠。
<本申请的第七方面>
第六方面提供了一种微流控芯片系统，包括：
微流控芯片；和
第一方面所述的加热装置，或者第三方面所述的温度检测装置，或者第六方面所述的光学检测装置。
本发明的实施例的技术效果至少包括：
在一些技术方案中，所述加热装置与所述加热方法通过聚焦传热能够将发热体传递的能量集中到所述加热区中，不仅能够避免因发热体与加热区接壤带来的交叉污染问题；同时还可以提升热量的传递效率，实现快速加热，便于实现对所述加热区的温度进行控制；此外，由于发热体与所述加热区分离设置，还能够减小微流控芯片加热装置的体积以及避免发热体与加热区接壤时对微流控芯片或其他结构挤压造成的损害。
在一些技术方案中，所述温度检测装置与所述温度检测方法能够解决检测区与加热区共用所产生冲突的问题。
在一些技术方案中，所述光学检测装置与所述光学检测方法能够满足检测池温度控制的要求以及检测时间的需要，从而保证检测结果的有效、稳定与可靠。
在上述各方面中所提及的关于本发明的各种特征和实施方式，视情况而定，在适当变通的情况下可以应用于其他方面。因此，一个方面中的具体特征可以与其他方面中的具体特征适当地行组合。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的一些实施例中光学检测装置的原理示意图；
图2为本发明的一些实施例中光学检测装置的结构示意图；
图3为本发明的另一些实施例中光学检测装置的原理示意图；
图4为本发明的另一些实施例中光学检测装置的结构示意图；
附图标记：
100、发热体；
200、聚焦器件；210、凹面镜；220、凸透镜
300、温度检测器件；
400、控制器；
500、光电检测模块；
600、微流控芯片；610、加热区；
700、光耦；
800、支架；810、旋转轴；820、步进电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本申请实施例中的术语“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，“上”、“下”、“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，并不是指示或暗示所指的装置或器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。再者，术语“包括”和“设置有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
除以上所述外，仍需要强调的是，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
如图1-4所示，本申请的第一方面提供了一种微流控芯片600的加热装置，所述加热装置包括：
发热体100，所述发热体100与所述微流控芯片600的加热区610间设置预定距离；和
聚焦器件200，用于将所述发热体100发出的热量聚焦到所述加热区610。
能够理解的是，所述预定距离可以根据需要进行确定，使得所述发热体100发出的热量能够通过辐射与对流的方式传递到所述加热区610即可。
在图1-4的实施例中，所述聚焦器件200包括凸透镜220和凹面镜210。应当理解的是，在其他实施方式中，所述聚焦器件200还可以是从自聚焦透镜、微透镜阵列、凸透镜220和凹面镜210中选取的一种或多种。
图1与图2中的微流控芯片600为卡片式微流控芯片600，在加热过程中，该卡片式微流控芯片600固定不动，相对于所述加热装置静止。在图3 与图4中，微流控芯片600为盘片式微流控芯片600，在加热过程中，该盘片式微流控芯片600绕着一旋转轴810旋转，其中，旋转轴810由一步进电机820驱动，该步进电机820安装在一支架800的下部，凹面镜与发热体100 安装在该支架800的上部，凸透镜220位于凹面镜210的下方，该盘式微流控芯片600位于凸透镜220的下方，当盘式微流控芯片600旋转加热时，加热区610一直位于凹面镜210、发热体100与凸透镜220的下方。
在一些实施方式中，当所述聚焦器件200包括凹面镜210时，所述发热体100设置在凹面镜210的焦点上。可以提升对热量的聚焦与传递效果。
进一步地，在某些实施例中，当所述加热区610的面积与凹面镜210直径相等时，所述聚焦器件200设置为凹面镜210。此时的聚焦效果最好，所以可以只用凹面镜210作为所述聚焦器件200就可以满足所述加热区610的热量传递。
在一些实施方式中，当所述聚焦器件200包括凸透镜220和凹面镜210 时，所述凸透镜220设置于所述发热体100与所述加热区610之间，所述发热体100设置于所述凹面镜210与所述凸透镜220之间。可以提升对热量的聚焦与传递效果。
在一些实施方式中，所述聚焦器件200的聚焦光斑与所述加热区610在面积上至少相等，优选为所述聚焦光斑在面积上略大于所述加热区610。当然，在一些其他实施方式中，聚焦光斑在面积上也可以小于加热区610。
本申请的第二方面提供了一种微流控芯片的加热方法，包括：通过聚焦传热的方式为所述微流控芯片600中的加热区610加热，使得用于加热的发热体100与所述加热区610分离设置。
具体可以如图1所示，发热体100与加热区610之间存在一定的间隙，两者之间没有相互接触的部分，在这种设置条件下，将发热体100发出的热量通过聚焦方式传递至加热区610中，即可完成对于微流控芯片600的加热操作。至于其中的聚焦方式的实现，可以在发热体100朝向加热区610的方向上设置用于聚焦热量的器件。聚焦器件200及其安装方式可以由本领域技术人员根据实际需要进行确定，也可以参见第一方面提供的微流控芯片600 的加热装置实现。
应当理解的是，对于任何与加热装置分离设置的微流控芯片，都可以通过本发明的加热方法对其进行加热，并且取得前述的有益效果。
在本申请的第三方面中，提供了一种微流控芯片的温度检测装置，如图 1至图4所示，所述温度检测装置包括：
第一方面所述的加热装置；和
温度检测器件300，其与所述加热区610分离设置，用于检测所述加热区610的温度。
在一些实施方式中，所述温度检测器件300可以是黑体式检测器件，所述黑体可以是热电堆红外传感器，或者是包含热电堆红外传感器的器件，例如额温枪。
在另一些实施方式中，所述温度检测器件300可以是非黑体式检测器件，所述非黑体式检测器件可以从热敏电阻，或者是包含热敏电阻的器件，例如电子体温计。
在一些实施方式中，所述温度检测装置还包括控制器400，所述控制器 400用于接收所述温度检测器件300发出的温度信息，并根据所述温度信息调整所述发热体100的发热量。
在一些实施方式中，所述控制器400可以是单片机。
如图1-图4所示，本申请的第四方面提供了一种微流控芯片600的温度检测方法，所述温度检测方法包括：
应用第二方面所述的加热方法或者第一方面所述的加热装置为所述微流控芯片600的加热区610加热；
通过温度检测器件300检测所述加热区610的温度。
在一些实施方式中，所述温度检测方法还包括：根据所述温度检测器件检测的温度信息调整所述发热体100的发热量，使得所述加热区610的温度达到预定的目标温度。
更具体地，在一些实施方式中，所述温度检测方法可以按照如下：
当温度检测器件300检测到加热区610的表面温度小于预定的目标温度时，所述控制器400控制发热体100以最大功率持续工作；
当温度检测器件300探测到加热区610表面温度接近所述目标温度范围时，所述控制器400通过调整发热体100工作的脉冲宽度(加热时间)与功率，逐步减缓加热速度或者停止加热以使加热区610的温度恒定在目标温度区间。
当温度检测器件300探测到加热区610表面的温度略低于目标温度区间时，所述控制器400适时提供相对较低的占空比脉宽(加热时间)让发热体 100以适当功率产生适当的热量，确保加热区610的温度维持在需要控制的温度范围内。
应当理解的是，当所述加热区610的数量为多个时，在一些实施方式中，可以设置一个发热体100依次按先后顺序对多个所述加热区610进行加热与温度监测与反馈控制；在另一些实施方式中，也可以设置多个发热体100分别同时对应多个加热区610进行加热与温度监测与反馈控制。
如图1-图4所示，本申请的第五方面提供了一种基于微流控芯片的光学检测方法，应用于所述微流控芯片600中的反应结束后，所述光学检测方法包括：
设定光学检测时间并且与一预设的时间阈值比对大小；
如果所述光学检测时间在所述时间阈值内，则停止加热操作，如果所述光学检测时间超出所述时间阈值，则交替加热操作与光学检测操作；其中，
应用第二方面的加热方法或第一方面的加热装置进行所述加热操作。
本方案能够满足检测池温度控制的要求以及检测时间的需要，从而保证检测结果的有效、稳定与可靠。
如图1至图4所示，第六方面提供了一种基于微流控芯片的光学检测装置，包括：
第三方面所述的微流控芯片600的温度检测装置；和
光电检测模块500，用于执行第五方面所述的光学检测方法。
由于某些微流控芯片在加热或者光学检测的过程中需要移动，因此需要增加定位与位置校准的装置例如光耦等，以及按芯片运动规律固定分布在芯片一侧或两侧的装置上的多个发热体100，这些发热体100可通过控制器400 按照时序对微流控芯片600进行加热及温度控制。
以图3与4所示的实施例中的盘式微流控芯片600为例，与图1-2的实施例相比，图3与4所示的实施例中的所述光学检测装置还包括光耦700,所述光耦700设置在所述盘式微流控芯片600的侧向，所述光耦700在朝向所述盘式微流控芯片600的侧部设置有凹槽，所述盘式微流控芯片600的边缘部位位于所述凹槽中。光耦700通过识别盘片式微流控芯片上的特殊结构以确定微流控芯片的位置。
在工作时，盘式微流控芯片600处于旋转状态，当控制器机400通过光耦700探测到加热区610旋转到对应的发热体100的位置时，该发热体100 即可为加热区610加热。加热区610随着旋转运动会经过多个发热体100的位置，发热体100工作便对加热区610形成脉冲式加热，当发热体100给加热区610提供的热能速度大于其散热速度时，加热区610的温度就会上升。温度检测器件300会对加热区610表面温度进行实时跟踪监测。当温度检测器件300检测到加热区610表面温度接近目标温度时，控制器400通过调整发热体100的脉冲宽度与功率来控制发热体100的工作状态，逐步减缓加热速度或者停止加热，以使加热区610的温度恒定在温度控制范围内；当温度检测器件300探测到加热区610表面的温度略低于目标温度区间时，控制器 400适时提供相对的低占空比脉宽让发热体100产生适当的热量，确保试剂与样本在相对正常的温度环境中有良好的反应效果。
当加热区610中的反应完成后，需要对检测池进行检测时，可通过所述光电检测模块500根据不同的检测方式来确定调整加热与温控方式，即：如果所述光学检测时间在所述时间阈值内，则停止加热操作，如果所述光学检测时间超出所述时间阈值，则交替加热操作与光学检测操作。
本实施方式中，光电检测模块500的检测原理在于：当检测时间短时(即所述光学检测时间在所述时间阈值内)，说明微流控芯片600的反应池在短时间内温度变化小，检测结果受温度变化影响小，此时发热体100可停止加热。当检测时间长时(所述光学检测时间超出所述时间阈值)，则说明检测结果受温度变化影响大，因此需要通过控制器400控制发热体100与光电检测模块 500对加热区610进行间断式、交替式的加热与检测，从而满足检测池温度控制的要求以及检测时间的需要，保证检测结果的有效、稳定与可靠。
如图1至图4所示，本申请在第七方面还提供了一种微流控芯片系统，包括：
微流控芯片600；和
第一方面所述的加热装置，或者第三方面所述的温度检测装置，或者第六方面所述的光学检测装置。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.微流控芯片的加热装置，其特征在于，所述加热装置包括：
发热体，其与所述微流控芯片的加热区间设置预定距离；和
聚焦器件，用于将所述发热体发出的热量聚焦到所述加热区。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述聚焦器件可以是从自聚焦透镜、微透镜阵列、凸透镜和凹面镜中选取的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述聚焦器件的聚焦光斑与所述加热区在面积上至少相等。
4.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，当所述聚焦器件包括凹面镜时，所述发热体设置在所述凹面镜的焦点上。
5.微流控芯片的加热方法，其特征在于，所述加热方法包括：通过聚焦传热的方式为所述微流控芯片中的加热区加热，使得用于加热的发热体与所述加热区分离。
6.微流控芯片的温度检测装置，所述温度检测装置包括：
权利要求1-4任一所述的加热装置；和
温度检测器件，其与所述加热区分离设置，用于检测所述加热区的温度。
7.微流控芯片的温度检测方法，其特征在于，所述温度检测方法包括：
应用权利要求6所述的检测装置检测所述加热区的温度。
8.基于微流控芯片的光学检测方法，其特征在于，应用于所述微流控芯片中的反应结束后，所述光学检测方法包括：
设定光学检测时间并且与一预设的时间阈值比对大小；
如果所述光学检测时间在所述时间阈值内，则停止对所述微流控芯片的加热区的加热操作，如果所述光学检测时间超出所述时间阈值，则交替对所述微流控芯片的加热操作与光学检测操作；其中，
应用权利要求1-4任一所述的加热装置进行所述加热操作。
9.基于微流控芯片的光学检测装置，其特征在于，包括：
权利要求6所述的微流控芯片的温度检测装置；和
光电检测模块，用于执行权利要求8所述的光学检测方法。
10.微流控芯片系统，其特征在于，包括：
微流控芯片；和
权利要求1-4任一所述的加热装置，或者权利要求6所述的温度检测装置，或者权利要求9所述的光学检测装置。
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