CN112588221B - 一种组合式隔膜驱动微流控反应系统 - Google Patents

Abstract

一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，涉及一种微流控反应系统。本发明是要解决现有的微流控驱动系统体积大、集成度低、难以实现模块化的技术问题。本发明提供一种采用隔膜驱动原理的组合式微流控反应系统，将微流控系统的反应和驱动部分集成在一起，其结构包括：微流控芯片、隔膜驱动试剂盒、隔膜驱动废液盒、磁铁、加热膜和外部气源；各模块相对独立，并列叠放布置。所述隔膜驱动试剂盒和隔膜驱动废液盒通过针头连接到微流控芯片的方式组合在一起。本发明利用微流控芯片和模块化的隔膜驱动模块可以实现集成化、模块化的驱动试剂在微流控芯片中完成混合、反应、加热和磁珠吸附等操作。

Description

一种组合式隔膜驱动微流控反应系统

技术领域

本发明涉及一种微流控反应系统。

背景技术

微流控(Microfluidics)指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到阿升)的系统所涉及的科学和技术，是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的研究热点。

微流控系统定义中阐述了对微尺度下的流体进行操作，作为操作和控制对象的流体量极其微小，物质的很多表现形式和常量物质有所差别，因此要求有相应的微流体驱动与控制技术。一般在在微流控系统中，主要是通过泵实现流体的驱动，流体驱动起着系统各部件之间流体输送和分配的“心脏”的作用，随着微流控系统分析研究的发展，微流控芯片内部的微通道往往需要更为复杂的网络结构，并且存在不同的交汇区域，如何使流体在微流道内实现快速、均匀的混合，并且做到微型化、集成化，达到良好的控制效果是微流控芯片发展中要解决的一个关键问题。

传统的微流控芯片流体驱动方式一般可分为两类：机械驱动方式和非机械驱动方式。考虑到微观流体与宏观流体在流动特性上的差别，研究者将一部分目光聚焦在如何利用微流控技术的微尺度，实现驱动装置的更大的功率密度比。

机械式微泵大多数仍然存在辅助设备或微流控片外实验台过大的缺点，难以实现微流控系统的便携化。非机械式的微泵往往选择利用特殊材料或者微结构所带来的特殊性质作为驱动，但又不得不受材料和结构的限制，限制了应用范围。无论是机械式微泵还是非机械式微泵，微流控系统的驱动方式的发展趋势逐渐趋向于微型化、集成化、高功率密度比，向着这个目标，寻找最适合微流控系统应用的微流体驱动方式，以及如何对驱动方式的特性进行评估仍然是一个值得研究的问题。

气动隔膜泵是以压缩空气为动力，依靠一个隔膜片的来回鼓动改变工作室容积从而吸入和排出液体，是机械式容积泵中较为特殊的一种形式。气动隔膜泵主要由传动部分和隔膜缸头两大部分组成：传动部分是带动隔膜片来回鼓动的驱动机构，它的传动形式有机械传动、液压传动和气压传动等；缸头部分主要由一隔膜片将被输送的液体和工作液体分开，当隔膜片向传动机构一边运动，泵缸内工作时为负压而吸入液体，当隔膜片向另一边运动时，则排出液体。其具有流量随背压(出口阻力)的变化而自动调整、成本低、无污染等特点。现阶段的隔膜泵大多尺寸较大，应用领域集中在工业生产等方面，在微流控领域上的移植应用较少。

发明内容

本发明是要解决现有的微流控驱动系统体积大、集成度低、难以实现模块化的技术问题，而提供一种组合式隔膜驱动微流控反应系统。

本发明的组合式隔膜驱动微流控反应系统是由磁铁1、加热膜2、PDMS薄膜3、导管4、微流控芯片5、第一隔膜驱动试剂盒、第二隔膜驱动试剂盒、第三隔膜驱动试剂盒、隔膜驱动废液盒、第一针头15、第二针头16、第三针头17、第四针头18和外部气源组成；

所述的微流控芯片5为长方体结构，在一个表面的上部设置三个试剂孔5-4，三个试剂孔5-4均为盲孔，三个试剂孔5-4在同一水平线上，中间的试剂孔5-4位于其所在表面的竖直中轴线上；在三个试剂孔5-4的外侧同一水平线上设置一个废液孔5-1，废液孔5-1为盲孔；在三个试剂孔5-4的正下方设置混合腔5-2；三个试剂孔5-4均通过下方的第一微流道5-3与混合腔5-2连通，废液孔5-1通过下方的第二微流道5-5与混合腔5-2连通；导管4竖直设置在混合腔5-2内，导管4的上方开口与第一微流道5-3的下方出口连通，导管4的下方开口延伸至混合腔5-2的底部；所述的微流控芯片5中三个试剂孔5-4所在的表面固定PDMS薄膜3将表面封闭，PDMS薄膜3背离微流控芯片5的一侧上固定加热膜2，加热膜2设置在与混合腔5-2对应的位置，加热膜2的外表面固定磁铁1；

所述的第一隔膜驱动试剂盒是由第一储液板6、第一隔膜7和第一气室8组成；第一隔膜7的两侧分别与第一储液板6和第一气室8贴附固定；第一储液板6的上表面设置第一加液口6-1，第一加液口6-1为竖直方向设置；第一储液板6中与第一隔膜7贴附的表面中心处设置第一试剂腔6-4，第一试剂腔6-4为弦切球状凹槽，第一加液口6-1与第一试剂腔6-4垂直相交连通；在第一试剂腔6-4的正上方设置3个在同一水平线的第一通孔6-3，3个第一通孔6-3和第一加液口6-1间隔布置，其中一个第一通孔6-3位于其所在表面的竖直中轴线上；在背对第一试剂腔6-4的表面上设置第一针孔6-2，所述的第一针孔6-2为盲孔，第一针孔6-2与第一加液口6-1连通；第一气室8的上表面设置第一进气口8-2，第一进气口8-2为竖直方向设置；第一气室8中与第一隔膜7贴附的表面中心处设置第一气腔8-1，第一进气口8-2与第一气腔8-1连通；在第一气腔8-1的正上方设置3个在同一水平线的第二通孔8-3，3个第二通孔8-3和第一进气口8-2间隔布置；3个第二通孔8-3与3个第一通孔6-3一一对应连通；

所述的第二隔膜驱动试剂盒是由第二储液板9、第二隔膜19和第二气室14组成；第二隔膜19的两侧分别与第二储液板9和第二气室14贴附固定；第二储液板9的上表面设置第二加液口9-1，第二加液口9-1为竖直方向设置；第二储液板9中与第二隔膜19贴附的表面中心处设置第二试剂腔9-3，第二试剂腔9-3为弦切球状凹槽，第二加液口9-1与第二试剂腔9-3垂直相交连通；在第二试剂腔9-3的正上方设置3个在同一水平线的第三通孔9-4，3个第三通孔9-4和第二加液口9-1间隔布置，第二针孔9-2位于其所在表面的竖直中轴线上；在背对第二试剂腔9-3的表面上设置第二针孔9-2，所述的第二针孔9-2为盲孔，第二针孔9-2与第二加液口9-1连通；第二气室14的上表面设置第二进气口14-1，第二进气口14-1为竖直方向设置；第二气室14中与第二隔膜19贴附的表面中心处设置第二气腔14-2，第二进气口14-1与第二气腔14-2连通；在第二气腔14-2的正上方设置3个在同一水平线的第四通孔14-3，3个第四通孔14-3和第二进气口14-1间隔布置；3个第四通孔14-3与3个第三通孔9-4一一对应连通；

所述的第三隔膜驱动试剂盒是由第三储液板12、第三隔膜和第三气室13组成；第三隔膜的两侧分别与第三储液板12和第三气室13贴附固定；第三储液板12的上表面设置第三加液口12-1，第三加液口12-1为竖直方向设置；第三储液板12中与第三隔膜贴附的表面中心处设置第三试剂腔12-2，第三试剂腔12-2为弦切球状凹槽，第三加液口12-1与第三试剂腔12-2垂直相交连通；在第三试剂腔12-2的正上方设置3个在同一水平线的第五通孔12-4，3个第五通孔12-4和第三加液口12-1间隔布置，其中一个第五通孔12-4位于其所在表面的竖直中轴线上；在背对第三试剂腔12-2的表面上设置第三针孔12-3，所述的第三针孔12-3为盲孔，第三针孔12-3与第三加液口12-1连通；第三气室13的上表面设置第三进气口13-1，第三进气口13-1为竖直方向设置；第三气室13中与第三隔膜贴附的表面中心处设置第三气腔13-3，第三进气口13-1与第三气腔13-3连通；在第三气腔13-3的正上方设置3个在同一水平线的第六通孔13-2，3个第六通孔13-2和第三进气口13-1间隔布置；3个第六通孔13-2与3个第五通孔12-4一一对应连通；

所述的隔膜驱动废液盒是由第四储液板10、第四隔膜和第四气室11组成；第四隔膜的两侧分别与第四储液板10和第四气室11贴附固定；第四储液板10中与第四隔膜贴附的表面中心处设置废液腔10-1，废液腔10-1为弦切球状凹槽；在背对废液腔10-1的表面上设置第四针孔10-2，所述的第四针孔10-2为盲孔，第四针孔10-2通过一个竖直管道与废液腔10-1连通；第四气室11的上表面设置第四进气口11-1，第四进气口11-1为竖直方向设置；第四气室11中与第四隔膜贴附的表面中心处设置第四气腔11-2，第四进气口11-1与第四气腔11-2连通；

按照微流控芯片5、第一隔膜驱动试剂盒、第二隔膜驱动试剂盒、第三隔膜驱动试剂盒和隔膜驱动废液盒的顺序依次紧密贴合固定成一体，微流控芯片5背对混合腔5-2的表面与第一储液板6紧密贴合固定，第一气室8与第二储液板9紧密贴合固定，第二气室14与第三储液板12紧密贴合固定，第三气室13与第四储液板10紧密贴合固定；外部气源分别与四个气室的进气口连通；第一针孔6-2的轴线、第二针孔9-2的轴线、第三针孔12-3的轴线和第四针孔10-2的轴线交错布置；第一针头15、第二针头16、第三针头17和第四针头18互相平行，且均与第一针孔6-2的轴线平行；第一针头15、第二针头16和第三针头17的一端分别穿过三个试剂孔5-4且均与PDMS薄膜3留有空隙，第四针头18的一端穿过废液孔5-1且与PDMS薄膜3留有空隙；第一针头15的另一端穿入第三针孔12-3即止；第二针头16的另一端穿入第二针孔9-2即止；第三针头17的另一端穿入第一针孔6-2即止；第四针头18的另一端穿入第四针孔10-2即止；每个针头均通过储液板上的通孔穿过储液板，通过气室上的通孔穿过气室。

本发明的隔膜驱动试剂盒的工作原理为：反应试剂被提前储存在各个试剂腔内，工作时，通过外部气源给予气室压力挤压隔膜，使隔膜压缩试剂腔的空间，试剂通过针孔中的针头、微流控芯片5的第一微流道5-3和导管4被挤压到微流控芯片5的混合腔5-2内，完成试剂的注入；排液时，外部气源通过带动隔膜反向运动，使试剂腔内体积变大，将混合腔5-2内的试剂吸到试剂腔内。

所述的隔膜驱动废液盒的工作原理为：通过外部气源给予第四气室11负压力吸引第四隔膜，使第四隔膜压缩第四气室11的空间，废液腔10-1内体积变大，使混合腔5-2内的试剂通过第二微流道5-5被排出到废液腔10-1内，实现废液的排出；也可以通过外部气源给予第四气室11正压力，使第四隔膜压缩废液腔10-1的空间，空气被压缩通过第二微流道5-5被挤压到混合腔5-2内，实现气泡的通入。

加热膜2可以实现对于混合腔5-2的加热功能。

磁铁1可实现对于混合腔5-2施加外部磁场，完成固定磁珠等操作。

本发明的组合式隔膜驱动微流控反应系统的工作原理：试剂被提前通过储液板上的加液口注入到试剂腔内，外部气源通过进气口向气室通入气体，挤压隔膜将试剂通过针头、第一微流道5-3和导管4挤压到混合腔5-2中进行混合；外部气源按照一定频率切换气室通入和排出空气，即使隔膜反复正向和反向运动，使微流控芯片5的混合腔5-2内试剂在压力的作用下被反复抽吸混合；排液时，通过隔膜驱动废液盒的第四隔膜反向作用，试剂被吸入废液腔10-1中。

本发明系统可以实现集成化、模块化的驱动试剂在微流控芯片5中完成混合、反应、加热和磁珠吸附等操作。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

本发明针对微流控芯片的试剂注入、排出、混合等操作，提出了一种模块化的隔膜驱动试剂盒，将微流控芯片和驱动装置集成在一起，实现微流控系统的小型化和模块化。

本发明涉及的隔膜驱动试剂盒原理仿效气压驱动隔膜，依靠一个隔膜的来回鼓动改变试剂腔的容积从而吸入和排出液体，利用微流控的加工和封接技术，实现了小型化和微流控领域的应用。

本发明的微流控芯片5、隔膜驱动试剂盒和隔膜驱动废液盒之间相对独立，可以进行模块化的组合，通过微流道和针头互相连接传输液体，为模块化的试剂盒存储和驱动提供了一种方法。

本发明采用的材料和成型方法在实验室中应用十分广泛，涉及的各种技术成熟，非常适合快速成型和验证工作；采用的部分材料和成型技术在设计方案成熟后，可以用其他工业材料和加工方式替代实现相同的功能。

附图说明

图1为具体实施方式一的组合式隔膜驱动微流控反应系统的示意图(针头未画出)；

图2为具体实施方式一的组合式隔膜驱动微流控反应系统的俯视图；

图3为图2的A-A剖面图(A-A与第二针头16重合)；

图4为具体实施方式一的微流控芯片5的正视图；

图5为图4中的微流控芯片5加入导管4后的正视图；

图6为具体实施方式一的第一储液板6的正视图；

图7为具体实施方式一的第一气室8的正视图；

图8为具体实施方式一的第二储液板9的正视图；

图9为图2中第二隔膜驱动试剂盒的A-A剖面图；

图10为具体实施方式一的第二气室14的正视图；

图11为具体实施方式一的第三储液板12的正视图；

图12为具体实施方式一的第三气室13的正视图；

图13为具体实施方式一的第四储液板10的正视图；

图14为图13的左视图；

图15为具体实施方式一的第四气室11正视图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，如图1-图15所示，具体是由磁铁1、加热膜2、PDMS薄膜3、导管4、微流控芯片5、第一隔膜驱动试剂盒、第二隔膜驱动试剂盒、第三隔膜驱动试剂盒、隔膜驱动废液盒、第一针头15、第二针头16、第三针头17、第四针头18和外部气源组成；

所述的微流控芯片5为长方体结构，在一个表面的上部设置三个试剂孔5-4，三个试剂孔5-4均为盲孔，三个试剂孔5-4在同一水平线上，中间的试剂孔5-4位于其所在表面的竖直中轴线上；在三个试剂孔5-4的外侧同一水平线上设置一个废液孔5-1，废液孔5-1为盲孔；在三个试剂孔5-4的正下方设置混合腔5-2；三个试剂孔5-4均通过下方的第一微流道5-3与混合腔5-2连通，废液孔5-1通过下方的第二微流道5-5与混合腔5-2连通；导管4竖直设置在混合腔5-2内，导管4的上方开口与第一微流道5-3的下方出口连通，导管4的下方开口延伸至混合腔5-2的底部；所述的微流控芯片5中三个试剂孔5-4所在的表面固定PDMS薄膜3将表面封闭，PDMS薄膜3背离微流控芯片5的一侧上固定加热膜2，加热膜2设置在与混合腔5-2对应的位置，加热膜2的外表面固定磁铁1；

所述的第一隔膜驱动试剂盒是由第一储液板6、第一隔膜7和第一气室8组成；第一隔膜7的两侧分别与第一储液板6和第一气室8贴附固定；第一储液板6的上表面设置第一加液口6-1，第一加液口6-1为竖直方向设置；第一储液板6中与第一隔膜7贴附的表面中心处设置第一试剂腔6-4，第一试剂腔6-4为弦切球状凹槽，第一加液口6-1与第一试剂腔6-4垂直相交连通；在第一试剂腔6-4的正上方设置3个在同一水平线的第一通孔6-3，3个第一通孔6-3和第一加液口6-1间隔布置，其中一个第一通孔6-3位于其所在表面的竖直中轴线上；在背对第一试剂腔6-4的表面上设置第一针孔6-2，所述的第一针孔6-2为盲孔，第一针孔6-2与第一加液口6-1连通；第一气室8的上表面设置第一进气口8-2，第一进气口8-2为竖直方向设置；第一气室8中与第一隔膜7贴附的表面中心处设置第一气腔8-1，第一进气口8-2与第一气腔8-1连通；在第一气腔8-1的正上方设置3个在同一水平线的第二通孔8-3，3个第二通孔8-3和第一进气口8-2间隔布置；3个第二通孔8-3与3个第一通孔6-3一一对应连通；

所述的第二隔膜驱动试剂盒是由第二储液板9、第二隔膜19和第二气室14组成；第二隔膜19的两侧分别与第二储液板9和第二气室14贴附固定；第二储液板9的上表面设置第二加液口9-1，第二加液口9-1为竖直方向设置；第二储液板9中与第二隔膜19贴附的表面中心处设置第二试剂腔9-3，第二试剂腔9-3为弦切球状凹槽，第二加液口9-1与第二试剂腔9-3垂直相交连通；在第二试剂腔9-3的正上方设置3个在同一水平线的第三通孔9-4，3个第三通孔9-4和第二加液口9-1间隔布置，第二针孔9-2位于其所在表面的竖直中轴线上；在背对第二试剂腔9-3的表面上设置第二针孔9-2，所述的第二针孔9-2为盲孔，第二针孔9-2与第二加液口9-1连通；第二气室14的上表面设置第二进气口14-1，第二进气口14-1为竖直方向设置；第二气室14中与第二隔膜19贴附的表面中心处设置第二气腔14-2，第二进气口14-1与第二气腔14-2连通；在第二气腔14-2的正上方设置3个在同一水平线的第四通孔14-3，3个第四通孔14-3和第二进气口14-1间隔布置；3个第四通孔14-3与3个第三通孔9-4一一对应连通；

所述的第三隔膜驱动试剂盒是由第三储液板12、第三隔膜和第三气室13组成；第三隔膜的两侧分别与第三储液板12和第三气室13贴附固定；第三储液板12的上表面设置第三加液口12-1，第三加液口12-1为竖直方向设置；第三储液板12中与第三隔膜贴附的表面中心处设置第三试剂腔12-2，第三试剂腔12-2为弦切球状凹槽，第三加液口12-1与第三试剂腔12-2垂直相交连通；在第三试剂腔12-2的正上方设置3个在同一水平线的第五通孔12-4，3个第五通孔12-4和第三加液口12-1间隔布置，其中一个第五通孔12-4位于其所在表面的竖直中轴线上；在背对第三试剂腔12-2的表面上设置第三针孔12-3，所述的第三针孔12-3为盲孔，第三针孔12-3与第三加液口12-1连通；第三气室13的上表面设置第三进气口13-1，第三进气口13-1为竖直方向设置；第三气室13中与第三隔膜贴附的表面中心处设置第三气腔13-3，第三进气口13-1与第三气腔13-3连通；在第三气腔13-3的正上方设置3个在同一水平线的第六通孔13-2，3个第六通孔13-2和第三进气口13-1间隔布置；3个第六通孔13-2与3个第五通孔12-4一一对应连通；

所述的隔膜驱动废液盒是由第四储液板10、第四隔膜和第四气室11组成；第四隔膜的两侧分别与第四储液板10和第四气室11贴附固定；第四储液板10中与第四隔膜贴附的表面中心处设置废液腔10-1，废液腔10-1为弦切球状凹槽；在背对废液腔10-1的表面上设置第四针孔10-2，所述的第四针孔10-2为盲孔，第四针孔10-2通过一个竖直管道与废液腔10-1连通；第四气室11的上表面设置第四进气口11-1，第四进气口11-1为竖直方向设置；第四气室11中与第四隔膜贴附的表面中心处设置第四气腔11-2，第四进气口11-1与第四气腔11-2连通；

按照微流控芯片5、第一隔膜驱动试剂盒、第二隔膜驱动试剂盒、第三隔膜驱动试剂盒和隔膜驱动废液盒的顺序依次紧密贴合固定成一体，微流控芯片5背对混合腔5-2的表面与第一储液板6紧密贴合固定，第一气室8与第二储液板9紧密贴合固定，第二气室14与第三储液板12紧密贴合固定，第三气室13与第四储液板10紧密贴合固定；外部气源分别与四个气室的进气口连通；第一针孔6-2的轴线、第二针孔9-2的轴线、第三针孔12-3的轴线和第四针孔10-2的轴线交错布置；第一针头15、第二针头16、第三针头17和第四针头18互相平行，且均与第一针孔6-2的轴线平行；第一针头15、第二针头16和第三针头17的一端分别穿过三个试剂孔5-4且均与PDMS薄膜3留有空隙，第四针头18的一端穿过废液孔5-1且与PDMS薄膜3留有空隙；第一针头15的另一端穿入第三针孔12-3即止；第二针头16的另一端穿入第二针孔9-2即止；第三针头17的另一端穿入第一针孔6-2即止；第四针头18的另一端穿入第四针孔10-2即止；每个针头均通过储液板上的通孔穿过储液板，通过气室上的通孔穿过气室。

本实施方式的隔膜驱动试剂盒的工作原理为：反应试剂被提前储存在各个试剂腔内，工作时，通过外部气源给予气室压力挤压隔膜，使隔膜压缩试剂腔的空间，试剂通过针孔中的针头、微流控芯片5的第一微流道5-3和导管4被挤压到微流控芯片5的混合腔5-2内，完成试剂的注入；排液时，外部气源通过带动隔膜反向运动，使试剂腔内体积变大，将混合腔5-2内的试剂吸到试剂腔内。

所述的隔膜驱动废液盒的工作原理为：通过外部气源给予第四气室11负压力吸引第四隔膜，使第四隔膜压缩第四气室11的空间，废液腔10-1内体积变大，使混合腔5-2内的试剂通过第二微流道5-5被排出到废液腔10-1内，实现废液的排出；也可以通过外部气源给予第四气室11正压力，使第四隔膜压缩废液腔10-1的空间，空气被压缩通过第二微流道5-5被挤压到混合腔5-2内，实现气泡的通入。

加热膜2可以实现对于混合腔5-2的加热功能。

磁铁1可实现对于混合腔5-2施加外部磁场，完成固定磁珠等操作。

本实施方式的组合式隔膜驱动微流控反应系统的工作原理：试剂被提前通过储液板上的加液口注入到试剂腔内，外部气源通过进气口向气室通入气体，挤压隔膜将试剂通过针头、第一微流道5-3和导管4挤压到混合腔5-2中进行混合；外部气源按照一定频率切换气室通入和排出空气，即使隔膜反复正向和反向运动，使微流控芯片5的混合腔5-2内试剂在压力的作用下被反复抽吸混合；排液时，通过隔膜驱动废液盒的第四隔膜反向作用，试剂被吸入废液腔10-1中。

本实施方式系统可以实现集成化、模块化的驱动试剂在微流控芯片5中完成混合、反应、加热和磁珠吸附等操作。

本实施方式相对于现有技术的有益效果是：

本实施方式针对微流控芯片的试剂注入、排出、混合等操作，提出了一种模块化的隔膜驱动试剂盒，将微流控芯片和驱动装置集成在一起，实现微流控系统的小型化和模块化。

本实施方式涉及的隔膜驱动试剂盒原理仿效气压驱动隔膜，依靠一个隔膜的来回鼓动改变试剂腔的容积从而吸入和排出液体，利用微流控的加工和封接技术，实现了小型化和微流控领域的应用。

本实施方式的微流控芯片5、隔膜驱动试剂盒和隔膜驱动废液盒之间相对独立，可以进行模块化的组合，通过微流道和针头互相连接传输液体，为模块化的试剂盒存储和驱动提供了一种方法。

本实施方式采用的材料和成型方法在实验室中应用十分广泛，涉及的各种技术成熟，非常适合快速成型和验证工作；采用的部分材料和成型技术在设计方案成熟后，可以用其他工业材料和加工方式替代实现相同的功能。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的外部气源上设置电磁阀，所述电磁阀为两位两通，交换气体进出方向。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的磁铁1为吸盘式电磁铁。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的加热膜2为PI加热膜。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的PDMS薄膜3的厚度为0.1mm，通过等离子键合方式对微流控芯片5进行封接。其他与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述的微流控芯片5的材质为PDMS或硅胶；所述的隔膜驱动试剂盒的材质为PDMS或硅胶；所述的隔膜驱动废液盒的材质为PDMS或硅胶。由于PDMS或硅胶材料本身的特性，可以保证生物相容和密封性，系统可以实现一些生物和化学实验的注入、排出、混合、加热、磁场吸附等操作，将微流控芯片和驱动装置集成在一起，实现微流控系统的小型化和模块化。其他与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述的隔膜驱动试剂盒的储液板、隔膜和气室三层结构之间均是通过等离子辅助键和的方式封接；所述的隔膜驱动废液盒的第四储液板10、第四隔膜和第四气室11三层结构之间均是通过等离子辅助键和的方式封接。其他与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述导管4通过过盈配合和胶粘结的方式安装在混合腔5-2中。其他与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述的隔膜驱动试剂盒和膜驱动废液盒的气室通过形状记忆合金变形挤压隔膜的方式代替外部气源。其他与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：所述的形状记忆合金为双程记忆合金，即通电受热挤压隔膜，断电冷却后恢复原来形状。其他与具体实施方式九相同。

用以下试验对本发明进行验证：

试验一：本试验为一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，如图1-图15所示，具体是由磁铁1、加热膜2、PDMS薄膜3、导管4、微流控芯片5、第一隔膜驱动试剂盒、第二隔膜驱动试剂盒、第三隔膜驱动试剂盒、隔膜驱动废液盒、第一针头15、第二针头16、第三针头17、第四针头18和外部气源组成；

所述的微流控芯片5为长方体结构，在一个表面的上部设置三个试剂孔5-4，三个试剂孔5-4均为盲孔，三个试剂孔5-4在同一水平线上，中间的试剂孔5-4位于其所在表面的竖直中轴线上；在三个试剂孔5-4的外侧同一水平线上设置一个废液孔5-1，废液孔5-1为盲孔；在三个试剂孔5-4的正下方设置混合腔5-2；三个试剂孔5-4均通过下方的第一微流道5-3与混合腔5-2连通，废液孔5-1通过下方的第二微流道5-5与混合腔5-2连通；导管4竖直设置在混合腔5-2内，导管4的上方开口与第一微流道5-3的下方出口连通，导管4的下方开口延伸至混合腔5-2的底部；所述的微流控芯片5中三个试剂孔5-4所在的表面固定PDMS薄膜3将表面封闭，PDMS薄膜3背离微流控芯片5的一侧上固定加热膜2，加热膜2设置在与混合腔5-2对应的位置，加热膜2的外表面固定磁铁1；

所述的第一隔膜驱动试剂盒是由第一储液板6、第一隔膜7和第一气室8组成；第一隔膜7的两侧分别与第一储液板6和第一气室8贴附固定；第一储液板6的上表面设置第一加液口6-1，第一加液口6-1为竖直方向设置；第一储液板6中与第一隔膜7贴附的表面中心处设置第一试剂腔6-4，第一试剂腔6-4为弦切球状凹槽，第一加液口6-1与第一试剂腔6-4垂直相交连通；在第一试剂腔6-4的正上方设置3个在同一水平线的第一通孔6-3，3个第一通孔6-3和第一加液口6-1间隔布置，其中一个第一通孔6-3位于其所在表面的竖直中轴线上；在背对第一试剂腔6-4的表面上设置第一针孔6-2，所述的第一针孔6-2为盲孔，第一针孔6-2与第一加液口6-1连通；第一气室8的上表面设置第一进气口8-2，第一进气口8-2为竖直方向设置；第一气室8中与第一隔膜7贴附的表面中心处设置第一气腔8-1，第一进气口8-2与第一气腔8-1连通；在第一气腔8-1的正上方设置3个在同一水平线的第二通孔8-3，3个第二通孔8-3和第一进气口8-2间隔布置；3个第二通孔8-3与3个第一通孔6-3一一对应连通；

所述的第二隔膜驱动试剂盒是由第二储液板9、第二隔膜19和第二气室14组成；第二隔膜19的两侧分别与第二储液板9和第二气室14贴附固定；第二储液板9的上表面设置第二加液口9-1，第二加液口9-1为竖直方向设置；第二储液板9中与第二隔膜19贴附的表面中心处设置第二试剂腔9-3，第二试剂腔9-3为弦切球状凹槽，第二加液口9-1与第二试剂腔9-3垂直相交连通；在第二试剂腔9-3的正上方设置3个在同一水平线的第三通孔9-4，3个第三通孔9-4和第二加液口9-1间隔布置，第二针孔9-2位于其所在表面的竖直中轴线上；在背对第二试剂腔9-3的表面上设置第二针孔9-2，所述的第二针孔9-2为盲孔，第二针孔9-2与第二加液口9-1连通；第二气室14的上表面设置第二进气口14-1，第二进气口14-1为竖直方向设置；第二气室14中与第二隔膜19贴附的表面中心处设置第二气腔14-2，第二进气口14-1与第二气腔14-2连通；在第二气腔14-2的正上方设置3个在同一水平线的第四通孔14-3，3个第四通孔14-3和第二进气口14-1间隔布置；3个第四通孔14-3与3个第三通孔9-4一一对应连通；

所述的第三隔膜驱动试剂盒是由第三储液板12、第三隔膜和第三气室13组成；第三隔膜的两侧分别与第三储液板12和第三气室13贴附固定；第三储液板12的上表面设置第三加液口12-1，第三加液口12-1为竖直方向设置；第三储液板12中与第三隔膜贴附的表面中心处设置第三试剂腔12-2，第三试剂腔12-2为弦切球状凹槽，第三加液口12-1与第三试剂腔12-2垂直相交连通；在第三试剂腔12-2的正上方设置3个在同一水平线的第五通孔12-4，3个第五通孔12-4和第三加液口12-1间隔布置，其中一个第五通孔12-4位于其所在表面的竖直中轴线上；在背对第三试剂腔12-2的表面上设置第三针孔12-3，所述的第三针孔12-3为盲孔，第三针孔12-3与第三加液口12-1连通；第三气室13的上表面设置第三进气口13-1，第三进气口13-1为竖直方向设置；第三气室13中与第三隔膜贴附的表面中心处设置第三气腔13-3，第三进气口13-1与第三气腔13-3连通；在第三气腔13-3的正上方设置3个在同一水平线的第六通孔13-2，3个第六通孔13-2和第三进气口13-1间隔布置；3个第六通孔13-2与3个第五通孔12-4一一对应连通；

所述的隔膜驱动废液盒是由第四储液板10、第四隔膜和第四气室11组成；第四隔膜的两侧分别与第四储液板10和第四气室11贴附固定；第四储液板10中与第四隔膜贴附的表面中心处设置废液腔10-1，废液腔10-1为弦切球状凹槽；在背对废液腔10-1的表面上设置第四针孔10-2，所述的第四针孔10-2为盲孔，第四针孔10-2通过一个竖直管道与废液腔10-1连通；第四气室11的上表面设置第四进气口11-1，第四进气口11-1为竖直方向设置；第四气室11中与第四隔膜贴附的表面中心处设置第四气腔11-2，第四进气口11-1与第四气腔11-2连通；

按照微流控芯片5、第一隔膜驱动试剂盒、第二隔膜驱动试剂盒、第三隔膜驱动试剂盒和隔膜驱动废液盒的顺序依次紧密贴合固定成一体，微流控芯片5背对混合腔5-2的表面与第一储液板6紧密贴合固定，第一气室8与第二储液板9紧密贴合固定，第二气室14与第三储液板12紧密贴合固定，第三气室13与第四储液板10紧密贴合固定；外部气源分别与四个气室的进气口连通；第一针孔6-2的轴线、第二针孔9-2的轴线、第三针孔12-3的轴线和第四针孔10-2的轴线交错布置；第一针头15、第二针头16、第三针头17和第四针头18互相平行，且均与第一针孔6-2的轴线平行；第一针头15、第二针头16和第三针头17的一端分别穿过三个试剂孔5-4且均与PDMS薄膜3留有空隙，第四针头18的一端穿过废液孔5-1且与PDMS薄膜3留有空隙；第一针头15的另一端穿入第三针孔12-3即止；第二针头16的另一端穿入第二针孔9-2即止；第三针头17的另一端穿入第一针孔6-2即止；第四针头18的另一端穿入第四针孔10-2即止；每个针头均通过储液板上的通孔穿过储液板，通过气室上的通孔穿过气室；所有针孔的内径为0.7mm；储液板上的通孔和气室上的通孔的内径均为2mm。

本实施方式的隔膜驱动试剂盒的工作原理为：反应试剂被提前储存在各个试剂腔内，工作时，通过外部气源给予气室压力挤压隔膜，使隔膜压缩试剂腔的空间，试剂通过针孔中的针头、微流控芯片5的第一微流道5-3和导管4被挤压到微流控芯片5的混合腔5-2内，完成试剂的注入；排液时，外部气源通过带动隔膜反向运动，使试剂腔内体积变大，将混合腔5-2内的试剂吸到试剂腔内；

所述的外部气源上设置电磁阀，所述电磁阀为两位两通，交换气体进出方向；

所述的磁铁1为吸盘式电磁铁；

所述的加热膜2为PI加热膜；

所述的PDMS薄膜3的厚度为0.1mm，通过等离子键合方式对微流控芯片5进行封接；

所述的微流控芯片5的材质为PDMS或硅胶；所述的隔膜驱动试剂盒的材质为PDMS或硅胶；所述的隔膜驱动废液盒的材质为PDMS或硅胶；

所述的隔膜驱动试剂盒的储液板、隔膜和气室三层结构之间均是通过等离子辅助键和的方式封接；所述的隔膜驱动废液盒的第四储液板10、第四隔膜和第四气室11三层结构之间均是通过等离子辅助键和的方式封接；

所述导管4通过过盈配合和胶粘结的方式安装在混合腔5-2中；

所述的隔膜驱动废液盒的工作原理为：通过外部气源给予第四气室11负压力吸引第四隔膜，使第四隔膜压缩第四气室11的空间，废液腔10-1内体积变大，使混合腔5-2内的试剂通过第二微流道5-5被排出到废液腔10-1内，实现废液的排出；也可以通过外部气源给予第四气室11正压力，使第四隔膜压缩废液腔10-1的空间，空气被压缩通过第二微流道5-5被挤压到混合腔5-2内，实现气泡的通入。

加热膜2可以实现对于混合腔5-2的加热功能。

磁铁1可实现对于混合腔5-2施加外部磁场，完成固定磁珠等操作。

本试验的组合式隔膜驱动微流控反应系统的工作原理：试剂被提前通过储液板上的加液口注入到试剂腔内，外部气源通过进气口向气室通入气体，挤压隔膜将试剂通过针头、第一微流道5-3和导管4挤压到混合腔5-2中进行混合；外部气源按照一定频率切换气室通入和排出空气，即使隔膜反复正向和反向运动，使微流控芯片5的混合腔5-2内试剂在压力的作用下被反复抽吸混合；排液时，通过隔膜驱动废液盒的第四隔膜反向作用，试剂被吸入废液腔10-1中。

本试验系统可以实现集成化、模块化的驱动试剂在微流控芯片5中完成混合、反应、加热和磁珠吸附等操作。

本试验相对于现有技术的有益效果是：

本试验针对微流控芯片的试剂注入、排出、混合等操作，提出了一种模块化的隔膜驱动试剂盒，将微流控芯片和驱动装置集成在一起，实现微流控系统的小型化和模块化。

本试验涉及的隔膜驱动试剂盒原理仿效气压驱动隔膜，依靠一个隔膜的来回鼓动改变试剂腔的容积从而吸入和排出液体，利用微流控的加工和封接技术，实现了小型化和微流控领域的应用。

本试验的微流控芯片5、隔膜驱动试剂盒和隔膜驱动废液盒之间相对独立，可以进行模块化的组合，通过微流道和针头互相连接传输液体，为模块化的试剂盒存储和驱动提供了一种方法。

本试验采用的材料和成型方法在实验室中应用十分广泛，涉及的各种技术成熟，非常适合快速成型和验证工作；采用的部分材料和成型技术在设计方案成熟后，可以用其他工业材料和加工方式替代实现相同的功能。

Claims (10)

1.一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，其特征在于组合式隔膜驱动微流控反应系统是由磁铁(1)、加热膜(2)、PDMS薄膜(3)、导管(4)、微流控芯片(5)、第一隔膜驱动试剂盒、第二隔膜驱动试剂盒、第三隔膜驱动试剂盒、隔膜驱动废液盒、第一针头(15)、第二针头(16)、第三针头(17)、第四针头(18)和外部气源组成；

所述的微流控芯片(5)为长方体结构，在一个表面的上部设置三个试剂孔(5-4)，三个试剂孔(5-4)均为盲孔，三个试剂孔(5-4)在同一水平线上，中间的试剂孔(5-4)位于其所在表面的竖直中轴线上；在三个试剂孔(5-4)的外侧同一水平线上设置一个废液孔(5-1)，废液孔(5-1)为盲孔；在三个试剂孔(5-4)的正下方设置混合腔(5-2)；三个试剂孔(5-4)均通过下方的第一微流道(5-3)与混合腔(5-2)连通，废液孔(5-1)通过下方的第二微流道(5-5)与混合腔(5-2)连通；导管(4)竖直设置在混合腔(5-2)内，导管(4)的上方开口与第一微流道(5-3)的下方出口连通，导管(4)的下方开口延伸至混合腔(5-2)的底部；所述的微流控芯片(5)中三个试剂孔(5-4)所在的表面固定PDMS薄膜(3)将表面封闭，PDMS薄膜(3)背离微流控芯片(5)的一侧上固定加热膜(2)，加热膜(2)设置在与混合腔(5-2)对应的位置，加热膜(2)的外表面固定磁铁(1)；

所述的第一隔膜驱动试剂盒是由第一储液板(6)、第一隔膜(7)和第一气室(8)组成；第一隔膜(7)的两侧分别与第一储液板(6)和第一气室(8)贴附固定；第一储液板(6)的上表面设置第一加液口(6-1)，第一加液口(6-1)为竖直方向设置；第一储液板(6)中与第一隔膜(7)贴附的表面中心处设置第一试剂腔(6-4)，第一试剂腔(6-4)为弦切球状凹槽，第一加液口(6-1)与第一试剂腔(6-4)垂直相交连通；在第一试剂腔(6-4)的正上方设置3个在同一水平线的第一通孔(6-3)，3个第一通孔(6-3)和第一加液口(6-1)互相之间间隔布置，其中一个第一通孔(6-3)位于其所在表面的竖直中轴线上；在背对第一试剂腔(6-4)的表面上设置第一针孔(6-2)，所述的第一针孔(6-2)为盲孔，第一针孔(6-2)与第一加液口(6-1)连通；第一气室(8)的上表面设置第一进气口(8-2)，第一进气口(8-2)为竖直方向设置；第一气室(8)中与第一隔膜(7)贴附的表面中心处设置第一气腔(8-1)，第一进气口(8-2)与第一气腔(8-1)连通；在第一气腔(8-1)的正上方设置3个在同一水平线的第二通孔(8-3)，3个第二通孔(8-3)和第一进气口(8-2)间隔布置；3个第二通孔(8-3)与3个第一通孔(6-3)一一对应连通；

所述的第二隔膜驱动试剂盒是由第二储液板(9)、第二隔膜(19)和第二气室(14)组成；第二隔膜(19)的两侧分别与第二储液板(9)和第二气室(14)贴附固定；第二储液板(9)的上表面设置第二加液口(9-1)，第二加液口(9-1)为竖直方向设置；第二储液板(9)中与第二隔膜(19)贴附的表面中心处设置第二试剂腔(9-3)，第二试剂腔(9-3)为弦切球状凹槽，第二加液口(9-1)与第二试剂腔(9-3)垂直相交连通；在第二试剂腔(9-3)的正上方设置3个在同一水平线的第三通孔(9-4)，3个第三通孔(9-4)和第二加液口(9-1)互相之间间隔布置，第二针孔(9-2)位于其所在表面的竖直中轴线上；在背对第二试剂腔(9-3)的表面上设置第二针孔(9-2)，所述的第二针孔(9-2)为盲孔，第二针孔(9-2)与第二加液口(9-1)连通；第二气室(14)的上表面设置第二进气口(14-1)，第二进气口(14-1)为竖直方向设置；第二气室(14)中与第二隔膜(19)贴附的表面中心处设置第二气腔(14-2)，第二进气口(14-1)与第二气腔(14-2)连通；在第二气腔(14-2)的正上方设置3个在同一水平线的第四通孔(14-3)，3个第四通孔(14-3)和第二进气口(14-1)间隔布置；3个第四通孔(14-3)与3个第三通孔(9-4)一一对应连通；

所述的第三隔膜驱动试剂盒是由第三储液板(12)、第三隔膜和第三气室(13)组成；第三隔膜的两侧分别与第三储液板(12)和第三气室(13)贴附固定；第三储液板(12)的上表面设置第三加液口(12-1)，第三加液口(12-1)为竖直方向设置；第三储液板(12)中与第三隔膜贴附的表面中心处设置第三试剂腔(12-2)，第三试剂腔(12-2)为弦切球状凹槽，第三加液口(12-1)与第三试剂腔(12-2)垂直相交连通；在第三试剂腔(12-2)的正上方设置3个在同一水平线的第五通孔(12-4)，3个第五通孔(12-4)和第三加液口(12-1)互相之间间隔布置，其中一个第五通孔(12-4)位于其所在表面的竖直中轴线上；在背对第三试剂腔(12-2)的表面上设置第三针孔(12-3)，所述的第三针孔(12-3)为盲孔，第三针孔(12-3)与第三加液口(12-1)连通；第三气室(13)的上表面设置第三进气口(13-1)，第三进气口(13-1)为竖直方向设置；第三气室(13)中与第三隔膜贴附的表面中心处设置第三气腔(13-3)，第三进气口(13-1)与第三气腔(13-3)连通；在第三气腔(13-3)的正上方设置3个在同一水平线的第六通孔(13-2)，3个第六通孔(13-2)和第三进气口(13-1)间隔布置；3个第六通孔(13-2)与3个第五通孔(12-4)一一对应连通；

所述的隔膜驱动废液盒是由第四储液板(10)、第四隔膜和第四气室(11)组成；第四隔膜的两侧分别与第四储液板(10)和第四气室(11)贴附固定；第四储液板(10)中与第四隔膜贴附的表面中心处设置废液腔(10-1)，废液腔(10-1)为弦切球状凹槽；在背对废液腔(10-1)的表面上设置第四针孔(10-2)，所述的第四针孔(10-2)为盲孔，第四针孔(10-2)通过一个竖直管道与废液腔(10-1)连通；第四气室(11)的上表面设置第四进气口(11-1)，第四进气口(11-1)为竖直方向设置；第四气室(11)中与第四隔膜贴附的表面中心处设置第四气腔(11-2)，第四进气口(11-1)与第四气腔(11-2)连通；

按照微流控芯片(5)、第一隔膜驱动试剂盒、第二隔膜驱动试剂盒、第三隔膜驱动试剂盒和隔膜驱动废液盒的顺序依次紧密贴合固定成一体，微流控芯片(5)背对混合腔(5-2)的表面与第一储液板(6)紧密贴合固定，第一气室(8)与第二储液板(9)紧密贴合固定，第二气室(14)与第三储液板(12)紧密贴合固定，第三气室(13)与第四储液板(10)紧密贴合固定；外部气源分别与四个气室的进气口连通；第一针孔(6-2)的轴线、第二针孔(9-2)的轴线、第三针孔(12-3)的轴线和第四针孔(10-2)的轴线交错布置；第一针头(15)、第二针头(16)、第三针头(17)和第四针头(18)互相平行，且均与第一针孔(6-2)的轴线平行；第一针头(15)、第二针头(16)和第三针头(17)的一端分别穿过三个试剂孔(5-4)且均与PDMS薄膜(3)留有空隙，第四针头(18)的一端穿过废液孔(5-1)且与PDMS薄膜(3)留有空隙；第一针头(15)的另一端穿入第三针孔(12-3)即止；第二针头(16)的另一端穿入第二针孔(9-2)即止；第三针头(17)的另一端穿入第一针孔(6-2)即止；第四针头(18)的另一端穿入第四针孔(10-2)即止；每个针头均通过储液板上的通孔穿过储液板，通过气室上的通孔穿过气室。

2.根据权利要求1所述的一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，其特征在于所述的外部气源上设置电磁阀，所述电磁阀为两位两通，交换气体进出方向。

3.根据权利要求1所述的一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，其特征在于所述的磁铁(1)为吸盘式电磁铁。

4.根据权利要求1所述的一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，其特征在于所述的加热膜(2)为PI加热膜。

5.根据权利要求1所述的一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，其特征在于所述的PDMS薄膜(3)的厚度为0.1mm，通过等离子体键合方式对微流控芯片(5)进行封接。

6.根据权利要求1所述的一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，其特征在于所述的微流控芯片(5)的材质为PDMS或硅胶；所述的隔膜驱动试剂盒的材质为PDMS或硅胶；所述的隔膜驱动废液盒的材质为PDMS或硅胶。

7.根据权利要求1所述的一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，其特征在于所述的隔膜驱动试剂盒的储液板、隔膜和气室三层结构之间均是通过等离子体辅助键合的方式封接；所述的隔膜驱动废液盒的第四储液板(10)、第四隔膜和第四气室(11)三层结构之间均是通过等离子体辅助键合的方式封接。

8.根据权利要求1所述的一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，其特征在于所述导管(4)通过过盈配合和胶粘结的方式安装在混合腔(5-2)中。

9.根据权利要求1所述的一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，其特征在于所述的隔膜驱动试剂盒和膜驱动废液盒的气室通过形状记忆合金变形挤压隔膜的方式代替外部气源。

10.根据权利要求9所述的一种组合式隔膜驱动微流控反应系统，其特征在于所述的形状记忆合金为双程记忆合金。

Images