CN112337516A - 气压平衡微流控芯片及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微流控技术领域,公开一种气压平衡微流控芯片,包括:流动层,所述流动层设有至少两个流体腔室,所述流体腔室通过微流道连通;气控层,覆盖所述流动层,设有气压平衡通道和气控阀膜,所述气压平衡通道贯穿所述气控层,并与所述流体腔室一一对应且连通,所述气控阀膜密封所述气压平衡通道远离所述流动层一端的端面;启阀机构,所述启阀机构朝向所述气控层,并能够靠近和远离所述气控层,当所述启阀机构靠近所述气控层时,所述启阀机构破坏所述气控阀膜。本发明提出的气压平衡微流控芯片和一次性主动式的微流控气压平衡控制方法,能解决现有技术中气压平衡控制易产生二次堵塞、对芯片材质和封装产生限制等技术问题。

Description

气压平衡微流控芯片及其控制方法
技术领域
本发明涉及微流控技术领域,特别是涉及一种气压平衡微流控芯片及其控制方法。
背景技术
现有微流控芯片中使用的气压平衡控制方法主要有被动式和主动式两种。被动式控制一般选择将流道两端直接与大气连通已保证气压一直与大气平衡,或选择使用气道将流道首尾两端连通以保证流道内气压自我平衡;在这种气压平衡控制方式中,气压影响被视为负面效应,并未产生实际作用。主动式控制分为可重复主动式控制和一次性主动式控制,可重复主动式控制一般是通过外部气控机构产生正/负压而间接影响芯片流道中的气压进而实现气压平衡控制,并进一步达到操控液体流动的作用;一次性主动式控制则是通过控制芯片内部集成的不可逆微阀实现气路通断而实现气压平衡控制,并进一步达到操控液体流动的作用。
上述三种气压平衡控制方式中,被动式控制属于克服气压作用的方式,没有真正利用气压辅助流体操控;可重复主动式控制效果最佳,性能最为稳定,但往往需要复杂、精密且昂贵的配套设备,使得微流控技术应用受限;一次性主动式控制对设备要求较低,但对芯片结构要求更高,主要应用在功能模块较少的芯片中。
发明内容
本发明的目的在于提出一种气压平衡微流控芯片及一次性主动式的微流控气压平衡控制方法,以解决现有技术中气压平衡控制易产生二次堵塞、对芯片材质和封装产生限制等技术问题。
第一方面,本发明提出一种气压平衡微流控芯片,包括:
流动层,所述流动层开设有至少两个流体腔室,所述流体腔室通过微流道连通;
气控层,覆盖所述流动层,设有气压平衡通道和气控阀膜,所述气压平衡通道在贯穿所述气控层,并与所述流体腔室一一对应且连通,所述气控阀膜密封所述气压平衡通道远离所述流动层一端的端面;
启阀机构,所述启阀机构朝向所述气控层,并能够靠近和远离所述气控层,当所述启阀机构靠近所述气控层时,所述启阀机构破坏所述气控阀膜。
进一步的,所述气控层还包括盖板,所述盖板覆盖并密封所述气控层,所述盖板与所述气控阀膜之间形成气体循环腔室。
进一步的,所述气体循环腔室与所有所述流体腔室通过所述气压平衡通道连通。
进一步的,所述盖板为柔性膜,所述启阀机构为挤压件,所述柔性膜的弹性大于所述气控阀膜的弹性,当所述启阀机构靠近所述气控层时,所述柔性膜被所述挤压件挤压发生形变,所述气控阀膜被所述挤压件挤压而破坏。
进一步的,所述气控阀膜为铝箔膜,所述柔性膜为乳胶膜。
进一步的,所述盖板上与所述气控阀膜位置相对应处设置有弹性塞,所述启阀机构为刺针件,当所述启阀机构靠近所述气控层时,所述刺针件穿过所述弹性塞,进而刺破所述气控阀膜。
进一步的,所述气控阀膜为塑料膜,所述弹性塞为丁基胶塞。
进一步的,所述流体腔室和微流道内表面经过亲水处理。
进一步的,所述气压平衡通道内表面经过疏水处理。
第二方面,本发明提出一种控制微流控芯片气压平衡的方法,使用上述的气压平衡微流控芯片。
进一步的,所述的控制微流控芯片气压平衡的方法,包括步骤:
S1:气压平衡初始状态,流体腔室和气压平衡通道中的气压与液体压力达到平衡,流体腔室内液体处于稳定状态;
S2:气压平衡阀控过程,启动启阀机构靠近气控层,直至气控阀膜被刺破,流体腔室内积累的气压被释放,启阀机构复位;
S3:微流体转移状态,在驱动力的作用下发生微流体转移,流体腔室内的液体流入下一流体腔室。
进一步的,所述的控制微流控芯片气压平衡的方法,包括步骤:
S1:气压平衡初始状态,流体腔室和气压平衡通道中的气压与液体压力达到平衡,流体腔室内液体处于稳定状态;
S2:气压平衡阀控过程,启动启阀机构靠近气控层,直至气控阀膜被刺破,气压平衡通道与气体循环腔室连通,流体腔室内积累的气压被释放至气体循环腔室,启阀机构复位;
S3:微流体转移状态,在驱动力的作用下,流体腔室内的液体流入下一流体腔室,气体通过气压平衡通道转移至前一流体腔室;
S4:新的气压平衡状态,通过气体循环腔室连通的流体腔室的气压达到新的平衡状态,液体再次处于稳定状态。
在上述技术方案中,将气压平衡微流控芯片设计为流动层和气控层两部分,在每个需要单独实现流动操控的流体腔室设置气压平衡通道,并使用密封性好、易于机械破坏且易于稳定封装的材料(如铝箔膜、塑料膜)作为气控阀膜,使用简易的外部机械启阀机构实现一次性主动式气压平衡控制。在气控阀膜结构完整时,流体腔室中气压处于平衡状态,液体无法实现流体腔室间的流动;而在气控阀膜被破坏后,气压平衡被破坏,液体可在相应的驱动力作用下流入对应的流体腔室,达到气控微阀的效果。为了防止试剂污染和气溶胶污染的发生,将所有相关联的气控阀膜集中在循环气室中,并使用盖板进行整体密封;启阀机构通过靠近盖板和气控阀膜控制,并能保证气控阀膜被刺破而盖板结构完整。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的气压平衡微流控芯片的示意图;
图2是根据本发明一个实施例的气压平衡微流控芯片的剖面图;
图3是根据本发明一个实施例的气压平衡微流控芯片的爆炸图;
图4是根据本发明一个实施例的挤压式气压平衡控制的示意图;
图5是根据本发明一个实施例的离心式气压平衡微流控芯片的示意图;
图6是根据本发明一个实施例的针刺式气压平衡控制的示意图;
图7是根据本发明一个实施例的重力式气压平衡微流控芯片的示意图。
图中:流动层1,流体腔室11,中心腔室111,二级腔室112,上级腔室113,中级腔室114,下级腔室115,微流道12;气控层2,气压平衡通道21,气控阀膜22,气体循环腔室23,盖板3,启阀机构4。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图7所示,本实施例提供的一种气压平衡微流控芯片,包括:
流动层1,所述流动层1的表面开设有至少两个流体腔室11,所述流体腔室11通过微流道12连通;
气控层2,覆盖所述流动层1,设置有气压平衡通道21、气控阀膜22,所述气压平衡通道21贯穿所述气控层2,并与所述流体腔室11一一对应且连通,所述气控阀膜22密封所述气压平衡通道远离所述流动层1一端的端面;
启阀机构4,所述启阀机构4朝向所述气控层2,并能够靠近和远离所述气控层2,当所述启阀机构4靠近所述气控层2时,所述启阀机构4能够破坏所述气控阀膜22。
微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统,将实验与分析过程转载到由彼此联系的微通道和微液相腔室组成的芯片结构上,加载生物样品和反应液后,采用微机械泵、电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动,形成微流路,并于芯片上进行一种或连续多种的反应。与宏观流路中的流体流动类似,在流道没有完全封闭且其中除液相外还存在气相时,需要使流道中的气压处于平衡状态后才能保证液体的运动状态不再变化,或需要破坏流道中的气压平衡状态才能改变液体的运动状态。
本发明的技术方案中,通过在每个需要实现流体流动操控的流体腔室11上方设置气压平衡通道21,并使用气控阀膜22密封,在外部机械启阀机构挤压下实现一次性主动式气压平衡控制。在气控阀膜22结构完整时,流体腔室11中气压处于平衡状态,液体无法实现流体腔室11间的流动;而在气控阀膜22被破坏后,气压平衡被破坏,液体可在相应的驱动力作用下流入对应的流体腔室11。
继续参考图1-图3,该气压平衡微流控芯片的气控层2还包括盖板3,所述盖板3覆盖并密封所述气控层2,所述盖板3与所述气控阀膜22之间形成气体循环腔室23。由于盖板3覆盖气控层2,即盖板3与整个气控层2的上表面间形成气体循环腔室23,因此气体循环腔室23也覆盖了气控层2上的所有的气控阀膜22。在使用前,各气压平衡通道21与气体循环腔室23被气控阀膜22隔开,气体循环腔室23与大气间被盖板3隔开,在使用时,利用启阀机构将需要进行液体流通的流体腔室11所对应的气控阀膜22破坏,流体腔室11间通过气体循环腔室23实现气体连通,液体可在相应的驱动力(例如离心力、重力等)作用下流入对应流体腔室11。进一步的,所述气体循环腔室23与所有流体腔室11通过所述气压平衡通道连通,流体腔室11间通过气体循环腔室23实现气体连通,实现与大气隔绝,能防止试剂污染和气溶胶污染的发生。
所述盖板3为柔性膜,所述启阀机构为挤压件,所述柔性膜的弹性大于所述气控阀膜22的弹性,当所述启阀机构靠近所述气控层2时,所述柔性膜被所述挤压件挤压发生形变,所述气控阀膜22被所述挤压件挤压而破坏具体的,所述柔性膜使用机械耦合、胶粘等方式封合所述气控层2,以形成气体循环腔室23。
优选的,所述柔性膜为乳胶膜。乳胶膜弹性性能好,能被所述挤压件挤压发生形变而不会被刺破,且乳胶膜密封性能好,能形成稳定密封的气体循环腔室23。
优选的,所述气控阀膜22为铝箔膜。具体的,所述铝箔膜使用热封、胶粘等方式封合在所述气压平衡通道21端面。铝箔膜具有密封性能好、易于被机械破坏优点。由此,只需要在外接设备上增加简单的机械挤破机构如挤压件即可隔着柔性膜破坏铝箔膜,此破坏的方式可以保证芯片内部和外界完全无接触,可以有效避免试剂污染(引入干扰物)和环境污染(气溶胶污染),适合用于对试剂密封要求极高的应用场景(如核酸反应)。
与常规的相变阀相比,使用铝箔膜构建气控阀膜22,易于封装且不易出现二次堵塞问题,也不会带来芯片材质和封装方式方面的限制。
另一种优选的,所述盖板3上与所述气控阀膜22位置相对应处设置有弹性塞,所述启阀机构4为刺针件,当所述启阀机构4靠近所述气控层2时,所述刺针件穿过所述弹性塞,进而刺破所述气控阀膜22。
优选的,所述弹性塞为丁基胶塞。丁基胶塞具有高弹性能,在被所述刺针件穿过进而刺破所述气控阀膜22后,所述刺针件复位,丁基胶塞的高弹性能闭合被所述刺针件刺破留下的孔洞,确保气体循环腔室23的密封性。
优选的,所述气控阀膜22为塑料膜。具体的,所述塑料膜使用热封、胶粘等方式封合在所述气压平衡通道21端面。塑料膜具有密封性能好、易于被刺针件刺破等优点。由此,只需要在外接设备上增加简单的机械刺破机构如刺针件即可穿过丁基胶塞进而刺破塑料膜,此刺破的方式对比挤压件破方式而言对气道设计和设备要求更低,可以避免芯片结构的复杂度和降低设备开发难度。
所述流体腔室11和微流道12内表面经过亲水处理。进一步的,所述气压平衡通道21内表面经过疏水处理。具体的,亲水处理是指使得其表面与水的接触角小于90°,疏水处理是指使得其表面与水的接触角大于90°。由此,气压平衡通道21和流体腔室11表面的接触角差异大,存储在流体腔室11内的流体不会流入气压平衡通道21内。优选的,气压平衡通道21和流体腔室11表面的接触角差值为20-120°,进一步优选为30-100°,更优选为30-60°。气压平衡通道21和流体腔室11表面的接触角差值可列举的为:20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°。
本实施例提供一种控制微流控芯片气压平衡的方法,使用上述的气压平衡微流控芯片,包括以下步骤:
S1:气压平衡初始状态,流体腔室11和气压平衡通道21中的气压与液体压力达到平衡,流体腔室11内液体处于稳定状态;
S2:气压平衡阀控过程,启动启阀机构靠近气控层2,直至气控阀膜22被破坏,流体腔室11内积累的气压被释放,启阀机构复位;
S3:微流体转移状态,在驱动力的作用下,流体腔室11内的液体流入下一流体腔室11。
优选的,控制微流控芯片气压平衡的方法包括以下步骤:
S1:气压平衡初始状态,流体腔室11和气压平衡通道21中的气压与液体压力达到平衡,流体腔室11内液体处于稳定状态;
S2:气压平衡阀控过程,启动启阀机构靠近气控层2,直至气控阀膜22被破坏,气压平衡通道21与气体循环腔室23连通,流体腔室11内积累的气压被释放至气体循环腔室23,启阀机构复位;
S3:微流体转移状态,在驱动力的作用下,流体腔室11内的液体流入下一流体腔室11,气体通过气压平衡通道21转移至前一流体腔室11;
S4:新的气压平衡状态,通过气体循环腔室23连通的流体腔室11的气压达到新的平衡状态,液体再次处于稳定状态。
实施例1挤压式离心芯片中的气压平衡控制
本实施案例的参数:本实施案例所用的芯片结构如图4和图5所示,使用铝箔膜密封气压平衡通道21,使用橡胶膜密封气控层2,在铝箔膜和橡胶膜之间形成气体循环腔室23,使用挤压件挤压橡胶膜和铝箔膜,橡胶膜在挤压下发生形变,铝箔膜在挤压下被破坏,由此,流体腔室11与气体循环腔室23连通达到气压平衡。图4中前对应为初始状态,中对应为挤破过程,后对应为挤破后状态。流体腔室11包括1个容积250μL的中心腔室111和4个容积为50μL的二级腔室112,中心腔室111与二级腔室112间通过4条微流道12连通,中心腔室111和每个二级腔室112分别与一条气压平衡通道21连通,各气压平衡通道21使用铝箔膜与气体循环腔室23隔开,使用乳胶膜密封气控层2,使气体循环腔室23与大气隔开。其中,铝箔膜通过热封键合,柔性膜通过机械耦合与气控层2键合,气控层2与流动层1通过热压封合,微流道12和各流体腔室11在封合前进行了亲水处理;实验使用样本为250μL纯水,250μL样本通过移液枪加入中心腔室111后封闭芯片加样口,进行流动控制实验。
基于上述结构的挤压件工作流程,包括如下步骤:
初始状态:执行动作前,流体腔室11与气体循环腔室23被铝箔膜隔开,各自达到平衡;
挤压件执行动作:将挤压件靠近橡胶膜并挤压橡胶膜,橡胶膜在被挤压下发生弹性形变,在持续挤压下靠近铝箔膜,铝箔膜在被挤压下发生破裂,流体腔室11与气体循环腔室23间气体连通;
挤压件复位:流体腔室11积累的气压被释放,与气体循环腔室23间之间形成新的气压平衡。
基于上述目的的气压平衡控制方法,包括如下步骤:
1)气压平衡初始状态:控制开始前,各二级腔室112和气压平衡通道21中气压与中心腔室111液体压力达到平衡,液体处于稳定状态。
2)气压平衡阀控过程:启阀机构动作,挤压柔性膜和各气控阀膜22直至阀膜被破坏,气压平衡通道21与气体循环腔室23连通,流体腔室11积累的气压被释放,启阀机构复位。
3)微流体转移状态:在离心力作用下,中心腔室111的液体流入各二级腔室112,流体腔室11中原有气体通过气压平衡通道21转移至中心腔室111。
4)新的气压平衡状态:通过气体循环腔室23连通的前后级腔室/流道的气压达到新的平衡状态,液体再次处于稳定状态。
实施例2针刺式重力芯片中的气压平衡控制
本实施案例的参数:本实施案例所用的芯片结构如图6和图7示,使用塑料膜密封气压平衡通道21,使用盖板3密封气控层2,在塑料膜和盖板3之间形成气体循环腔室23,盖板3上与塑料膜位置相对应处设置有丁基胶塞,使用刺针件穿过丁基胶塞再刺破塑料膜,由此,流体腔室11与气体循环腔室23连通达到气压平衡。图6中,前对应为初始状态,中对应为刺破过程,后对应为刺破后状态。流体腔室11包括腔室容积均为75μL的上级腔室113、中级腔室114和下级腔室115,上级腔室113和中级腔室114、中级腔室114和下级腔室115各通过一条微流道12连通,各级流体腔室分别与一条气压平衡通道21连通,各气压平衡通道21直接或通过铝箔膜与气体循环腔室23相连,气体循环腔室23与大气间被乳胶膜隔开;其中,铝箔膜与芯片通过热封键合,柔性膜通过机械耦合与气控层2键合,气控层2与流动层1通过热压封合,微流道12和各流体腔室11在封合前进行了亲水处理;实验使用样本为60μL纯水,60μL样本通过移液枪加入上级腔室113封闭芯片加样口,进行流动控制实验。
基于上述结构的刺破件工作流程,包括如下步骤:
初始状态:执行动作前,流体腔室11与气体循环腔室23被塑料膜隔开,各自达到平衡;
针刺件执行动作:将针刺件靠近丁基胶塞,丁基胶塞被针刺件穿透,针刺件持续靠近塑料膜,塑料膜被针刺件刺破,流体腔室11与气体循环腔室23间气体连通;
针刺件复位:腔室积累的气压被释放,与气体循环腔室23间之间形成新的气压平衡。
基于上述目的的气压平衡控制方法,包括如下步骤:
1)气压平衡初始状态:控制开始前,中级腔室114、下级腔室115和对应气压平衡通道21中气压与上级腔室113压力达到平衡,液体处于稳定状态。
2)气压平衡阀控过程:启阀机构动作,挤压柔性膜和中级腔室114处对应的气控阀膜22直至气控阀膜22被破坏,气压平衡通道21与气体循环腔室23连通,流体腔室11积累的气压被释放,启阀机构复位。
3)微流体转移状态:在重力作用下,上级腔室113的液体流入中级腔室114,中级腔室114中原有气体通过气压平衡通道21转移至上级腔室113。
4)新的气压平衡状态:通过气体循环腔室23连通的上级腔室113、中级腔室114和微流道12的气压达到新的平衡状态,液体再次处于稳定状态。
5)下一个气压平衡阀控过程:启阀机构动作,挤压柔性膜和下级腔室115处对应的气控阀膜22直至气控阀膜22被破坏,气压平衡通道21与气体循环腔室23连通,流体腔室11积累的气压被释放,启阀机构复位。
6)下一个微流体转移状态:在重力作用下,中级腔室114的液体流入下级腔室115,下级腔室115中原有气体通过气压平衡通道21转移至上级腔室113、中级腔室114。
7)下一个新的气压平衡状态:通过气体循环腔室23连通的上级腔室113、中级腔室114/微流道12的气压达到新的平衡状态,液体再次处于稳定状态。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各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,或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种气压平衡微流控芯片,其特征在于,包括:
流动层,所述流动层设有至少两个流体腔室,所述流体腔室通过微流道连通;
气控层,覆盖所述流动层,设有气压平衡通道和气控阀膜,所述气压平衡通道贯穿所述气控层,并与所述流体腔室一一对应且连通,所述气控阀膜密封所述气压平衡通道远离所述流动层一端的端面;
启阀机构,所述启阀机构朝向所述气控层,并能够靠近和远离所述气控层,当所述启阀机构靠近所述气控层时,所述启阀机构破坏所述气控阀膜。
2.根据权利要求1所述的气压平衡微流控芯片,其特征在于,所述气控层还包括盖板,所述盖板覆盖并密封所述气控层,所述盖板与所述气控阀膜之间形成气体循环腔室。
3.根据权利要求2所述的气压平衡微流控芯片,其特征在于,所述气体循环腔室与所有所述流体腔室通过所述气压平衡通道连通。
4.根据权利要求2所述的气压平衡微流控芯片,其特征在于,所述盖板为柔性膜,所述启阀机构为挤压件,所述柔性膜的弹性大于所述气控阀膜的弹性,当所述启阀机构靠近所述气控层时,所述柔性膜被所述挤压件挤压发生形变,所述气控阀膜被所述挤压件挤压而破坏。
5.根据权利要求4所述的气压平衡微流控芯片,其特征在于,所述气控阀膜为铝箔膜,所述柔性膜为乳胶膜。
6.根据权利要求2所述的气压平衡微流控芯片,其特征在于,所述盖板上与所述气控阀膜位置相对应处设置有弹性塞,所述启阀机构为刺针件,当所述启阀机构靠近所述气控层时,所述刺针件穿过所述弹性塞,进而刺破所述气控阀膜。
7.根据权利要求6所述的气压平衡微流控芯片,其特征在于,所述气控阀膜为塑料膜,所述弹性塞为丁基胶塞。
8.根据权利要求1所述的气压平衡微流控芯片,其特征在于,所述流体腔室和微流道内表面经过亲水处理。
9.一种控制微流控芯片气压平衡的方法,其特征在于,使用权利要求1-8任意一项所述的气压平衡微流控芯片,包括步骤:
S1:气压平衡初始状态,流体腔室和气压平衡通道中的气压与液体压力达到平衡,流体腔室内液体处于稳定状态;
S2:气压平衡阀控过程,启动启阀机构靠近气控层,直至气控阀膜被破坏,流体腔室内积累的气压被释放,启阀机构复位;
S3:微流体转移状态,在驱动力的作用下发生微流体转移,流体腔室内的液体流入下一流体腔室。
10.根据权利要求9所述的控制微流控芯片气压平衡的方法,其特征在于,包括步骤:
S1:气压平衡初始状态,流体腔室和气压平衡通道中的气压与液体压力达到平衡,流体腔室内液体处于稳定状态;
S2:气压平衡阀控过程,启动启阀机构靠近气控层,直至气控阀膜被破坏,气压平衡通道与气体循环腔室连通,流体腔室内积累的气压被释放至气体循环腔室,启阀机构复位;
S3:微流体转移状态,在驱动力的作用下发生微流体转移状态,流体腔室内的液体流下一流体腔室,气体通过气压平衡通道转移至前一流体腔室;
S4:新的气压平衡状态,通过循环气室连通的流体腔室的气压达到新的平衡状态,液体再次处于稳定状态。
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