CN113720817B - 一种盘式微流控检测分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物检测领域，公开了一种盘式微流控检测分析系统，包括用以对盘式微流控芯片执行荧光检测的分析装置；其特征在于，分析装置包括：相变阀融阀机构，用以承载盘式微流控芯片的装载机构；其中，相变阀融阀机构至少包括用于融解相变阀的光源、分光结构；当光源发射光线，经分光结构分光形成至少两束光束，以对所述装载机构上的盘式微流控芯片的至少两相变阀进行融解。本发明以光融解相变阀，并通过分光结构将一束光分束为多束，实现了微流控制芯片内多个相变阀的集体控制和精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及生物检测领域，特别涉及一种盘式微流控检测分析系统。
背景技术
微流控系统具有样品要求低、测试表面积大、系统占用空间小等优点，是生物学研究的理想平台，其为推动生物学众多领域的科学发展做出了巨大的贡献。
在微流控系统中，微阀是关键器件之一。微阀可以在微通道内起控制限流的作用。C.D.Bevan于1995年提出了相变阀的概念，其通过利用熔点低，可塑性强的材料的熔解凝固实现阀门的开启与关闭；需要关闭通道时，对微流控芯片进行主动制冷，使微流阀门的液体能在极短时间内迅速冻结，从而阻塞微流阀门，藉以停止液体流动；需要开启通道时，对微流控芯片进行主动加热，使微流阀门的固体能在极短时间内迅速融化，从而打开微流阀门，藉以驱动液体流动，但是，由于微阀尺寸普遍在毫米级别，甚至微米级别，无法做到精确的开启，所以微阀的精确控制成为了微流控系统发展的一大难题。
现有技术中，一般通过设置加热器的方式来实现相变阀的融解达到微通道开启的目的；专利CN112538415A公布了通过电阻丝、加热膜、或陶瓷加热片等方式来实现相变阀的开启。但是，通过电热方式融阀，首先需要在每一个微流阀上设置一个加热装置，这并不利于微流芯片的最小化和集成化，而且微流控芯片表面积较小，相变阀距离较近，各融阀热源之间会相互影响，不利于实现相变阀的精确控制。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种盘式微流控检测分析系统，其能够实现微流控制芯片内多个相变阀的集体控制和精确控制。
为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明提供了一种盘式微流控检测分析系统，包括用以对盘式微流控芯片执行荧光检测的分析装置；分析装置包括：相变阀融阀机构，用以承载盘式微流控芯片的装载机构；
其中，相变阀融阀机构至少包括用于融解相变阀的光源、分光结构；所述光源发射光线，经分光结构分光形成至少两束光束，以对所述装载机构上的盘式微流控芯片的至少两相变阀进行融解。
作为优选，分光结构包括光分束盘，光分束盘包括光分束底板，若干镶嵌于光分束底板的分光镜及反射镜。
作为优选，若干个分光镜及反射镜经相同次数的分光将光分解为同时出射的若干束能量均等的光。
作为优选，光分束盘还包括设置于光分束盘底板上的光路开关，其用于控制一光路的开启或关闭。
作为优选，分光结构包括若干个光分束盘。
作为优选，若干个光分束盘的光分束盘底板上配置有使光路畅通的透光孔。
作为优选，若干个光分束盘通过连接轴相互连接，连接轴与光分束盘间有用于转动光分束盘的转动装置。
作为优选，光分束盘分束的光越多其光分束盘底板的面积越大；若干个光分束盘的光分束盘底板的面积越大，其在光分束盘组合时离微流控芯片的距离越远。
作为优选，光源连接有用于移动光源及光分束盘的直线电机，所述直线电机通过固定架与光源连接。
作为优选，装在机构还包括用于转动微流控芯片的伺服电机，所述伺服电机通过伺服电机固定架与微流控芯片固定架连接。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
本发明运用反射镜及分光镜通过反射及分光原理设计出了光分束盘实现了一束光的平均分为多束光，实现了光平均分配，能量均等。并运用光分束盘设计了一种相变阀操作系统，其通过多个光分束盘组合形成分光模块，实现了将一束光分为多束的技术效果，与现有技术相比，本发明以一个光源加分光结构代替了多个加热模块，其不仅实现了微流控系统的集成化和最小化，而且实现了微流控系统内多个相变阀的同时精确控制。
附图说明
图1为根据本发明所述一实施例的盘式微流控检测分析系统的三维结构示意图；
图2为根据本发明所述另一实施实例的盘式微流控检测分析系统的三维结构示意图；
图3为根据本发明所述的四分光分束盘的正视图；
图4为根据本发明所述的四分光分束盘的俯视图及一束光分束为四束的光路图；
图5为根据本发明所述的八分光分束盘的正视图；
图6为根据本发明所述的八分光分束盘的俯视图及一束光分束为八束的光路图；
图7为根据本发明所述的十六分光分束盘的正视图；
图8根据本发明所述的十六分光分束盘的俯视图及一束光分束为十六束的光路图。
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，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。
本发明提供了一种盘式微流控检测分析系统。
实施例1
参照图1，本发明提供了一种盘式微流控检测分析系统；包括用以对盘式微流控芯片执行荧光检测的分析装置；分析装置包括：相变阀融阀机构，用以承载盘式微流控芯片3的装载机构6；该盘式微流控芯片中的相变阀为制作简单、熔点低、易塑性强的石蜡阀。
其中，相变阀融阀机构至少包括用于融解相变阀的光源5、其为卤素灯光源，光源5垂直于微流控芯片3反应面。卤素灯光源具有成本低廉、亮度容易调整和控制、显色性好(Ra＝100)的优点。同时，卤素灯克服了白炽灯的许多缺点：如使用寿命短、发光效率低的问题。
分光结构；当光源发射光线，经分光结构分光形成至少两束光束，以对所述装载机构上的盘式微流控芯片的至少两相变阀进行融解。在该实施例中，分光结构为1个光分束盘41，其包括1个为正多边形或圆形的光分束盘底板，镶嵌于光分束底板的(3×2n-1+1)个反射镜及(2n-1)个分光镜；当一束光照射至光分束盘后，经所述反射镜及分光镜多次反射及分光后分解为二的n次幂束能量均等的光，其中n为正整数。其中，光分束盘的反射镜为全反射镜，其能够将入射光无损反射，分光镜为中性光分束镜，其将入射光分为折射光与反射光两束，折射光与反射光的光强相同。
在该实施例中，以圆形四分光分束盘41为例，参照图3及图4，其为四分光分束盘41的正视图及俯视图以及一束光分束为四束的光路图，四分光分束盘41由1个圆形光分束盘底板410，7个反射镜411、413及414和3个分光镜412组成，当垂直于四分光分束盘的光照射至反射镜4111时，光发生反射至分光镜4122，光路分为两束，一束照射至分光镜4121，一束照射至分光镜4123，照射至分光镜4121的光再次分光为两束，一束直接经反射镜4141反射后垂直向下，一束光经两面反射镜4132及4144反射后垂直向下；同理，经4123的光再次分光，一束通过反射镜4142反射后垂直向下，一束经反射镜4131及4143反射后垂直向下。通过反射镜及分光镜，光分束盘将一束光分束为四束，且四束光均经过两次分光，因此，最终经光分束盘分束后的四束光能量相等。综上，本发明实现了光的分束，而且分束后的光能量相等，最终实现了相变阀的同时融解与精确融解。
在一些实施例中，光分束盘底板上还设置有光路开关，用于单独开启或关闭某一光路，具体的为在光分束盘底板内出射光光路位置设置一挡板，通过旋转的方式将光路拦截或开启，当要单独关闭某一光路时，将挡板旋转至遮住出射光光孔，将出射光拦截，实现光路的关闭，而将挡板旋转开，实现了光路的畅通，开启了该光路。通过设置光路开关，可以实现某一单独光路的开启或关闭，使利用该微流控检测分析系统的生物实验的可操作性更强，通过光路的开启和关闭，得以控制相变阀的开启和关闭，有利于通过改变相变阀的状态来改变实验条件，促进对比实验的进行，加快了实验进程。
实施例2
参照图2，盘式微流控检测分析系统包括用以对盘式微流控芯片执行荧光检测的分析装置；分析装置包括：相变阀融阀机构，用以承载盘式微流控芯片3的装载机构6；
其中，相变阀融阀机构至少包括用于融解相变阀的光源5、为激光源，所述光源5垂直于微流控芯片3反应面。在该实施例中选用激光作为光源是因为激光是定向发光，其光束分散度极小，平行度高，当光源照射光分束盘时，能集中照射，不会有散射光溢出照射至微流控芯片上，导致相变阀融解，从而造成相变阀开启与闭合状态的不可控。此外，激光的能量密度较大，即使经过分光，其依旧具有较强的能量，可用于快速融解相变阀。
分光结构；当光源发射光线，经分光结构分光形成至少两束光束，以对所述装载机构上的盘式微流控芯片的至少两相变阀进行融解。该实施例中，分光结构为若干个光分束盘，具体的为由3个光分束盘组成分光结构，分别为四分光分束盘41、八分光分束盘42及十六分光分束盘43，四分光分束盘41的直径小于八分光分束盘42的直径，八分光分束盘的直径小于十六分光分束盘的直径，通过直径不一的光分束盘，使出射光在平面上的出射线路不同，避免了光路之间的相互影响，也可满足微流控芯片上不同位置相变阀的熔融，而且直径不同，将更加节省光分束盘底板的材料；3个光分束盘通过连接轴7连接，当光源5照射分光模块时，通过分光束盘将光分解为多束并溶解相变阀组。
在该实施例中，参照图3及图4，其为四分光分束盘41的正视图及俯视图以及一束光分束为四束的光路图，四分光分束盘41由1个光分束盘底板410，7个反射镜411、413及414和3个分光镜412组成，当垂直于四分光分束盘的光照射至反射镜4111时，光发生反射至分光镜4122，光路分为两束，一束照射至分光镜4121，一束照射至分光镜4123，照射至分光镜4121的光再次分光为两束，一束直接经反射镜4141反射后垂直向下，一束光经两面反射镜4132及4144反射后垂直向下；同理，经4123的光再次分光，一束通过反射镜4142反射后垂直向下，一束经反射镜4131及4143反射后垂直向下。通过反射镜及分光镜，光分束盘将一束光分束为四束，且四束光均经过两次分光，因此，最终经光分束盘分束后的四束光能量相等。综上，本发明实现了光的分束，而且分束后的光能量相等。
参照图5及图6，八分光分束盘由1个光分束底板420、13个反射镜421、423及424和7个分光镜422组成；与四分分束盘相同的原理，八分光分束盘42将垂直于光分束盘经3次分光及至多5次反射后将光分束为能量均等的8束。在一些实施例中，参照图7及图8，十六光分束盘由1个光分束底板430、25个反射镜431、433及434和15个分光镜432组成；其分光原理与四分光分束盘相同，十六分光分束盘43将垂直于光分束盘经4次分光及至多6次反射后将光分束为能量均等的16束。
参照图7及图8，在十六分光分束43上还包含两个透光孔435使光路穿过十六分光分束盘43进入八分光分束盘42及四分光分束盘41；参照图6，在八分光分束盘42还包含一个透光孔425使光路穿过八分光分束盘进入四分光分束盘；其中八分光分束盘42的透光孔与十六分光分束盘43的其中一个透光孔在一条垂直直线上，以使光路在3个光分束盘内顺畅运行。
其中，所述分光模块平行于微流控芯片3，其位于微流控芯片3及光源5之间，分光模块通过固定架8与光源5连接。
在该实施例中激光源5连接有直线电机9，直线电机9通过固定架8固定，其用于移动光源及光分束盘组成的分光模块，在使用前，可通过直线电机带动光源及分光模块移动，以使微流控芯片更容易地放入仪器内进行测试，避免了放置微流控芯片时由于空间逼仄，使微流控芯片放置不稳或在放置时倾斜微流控芯片，使微流控芯片内测试发生性质变化，影响测试结果。
在一些实施例中，固定架8内有与激光源连接的导线，导线与外部电源链接，其可以为激光源提供持续稳定的能源，避免若用电池时，电池电量下降，造成激光源能量下降，融解相变阀时间变长的问题。此外，该盘式微流控检测分析系统装在结构还包括用于转动微流控芯片3的伺服电机1，该伺服电机1通过伺服电机固定架2与微流控芯片固定架6连接。
该盘式微流控检测分析系统的工作原理如下：当激光源照射分光模块时，经分光模块内光分束器经反射及分光后分光为多束光束，其中，经一个光分束盘分束的光源其能量相等。当光源经分光模块分光后，其通过最后的反射镜反射后照射至相变阀上，由于是同时照射各相变阀且各光能量相等吗，因此可以实现多个相变阀的同时融解，实现微流控芯片内反应同时进行的要求。此外，微流控芯片下装有伺服电机，可控制微流控芯片的转动，当微流控芯片转动时，部分相变阀与光源不在同一直线上，如四分光分束盘分束后的光并不照射微流控相变阀而八分光分束盘及十六分光分束盘的光照射在相变阀上，经此调整，只有八分光分束盘及十六分光分束盘分束后的光所对应的相变阀融解，而四分光分束盘所对应的相变阀不融解，该设计也就解决了相变阀分批融解的技术问题。
在该实施例中，本发明通过测试相变阀的融解时间来检验该盘式微流控检测分析系统的融阀效率，具体方法及测试结果如下：实验参数：四分光分束盘41，透过四分光分束盘41可分出4束垂直向下的激光；八分光分束盘42，透过八分光分束盘42可分出8束垂直向下的激光；十六分光分束盘43，透过通过十六分光分束盘43可分出16束垂直向下的激光。实验分析：操控微流控芯片3旋转2秒(转速：5000RPM、加速度10,000RPM/s)，透过高速摄影机及其分析软件，判断蜡阀是否融解？实验目标：蜡阀完成85％以上转移(85％以上的蜡阀转移，可确保流道畅通)，视为实验成功。实验结果：四分光分束盘41分出4束垂直向下的激光，分别融解相变阀A1、A2、A3及A4，A1转移面积为93％、A2转移面积为98％、A3转移面积为95％、A4转移面积为97％；八分光分束盘42分出8束垂直向下的激光，分别融解相变阀B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7及B8，B1转移面积为89％、B2转移面积为87％、B3转移面积为91％、B4转移面积为87％、B5转移面积为90％、B6转移面积为92％、B7转移面积为86％、B8转移面积为87％；十六分光分束盘分出16束垂直向下的激光，分别融解相变阀C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15及C16，C1转移面积为86％、C2转移面积为87％、C3转移面积为89％、C4转移面积为86％、C5转移面积为88％、C6转移面积为90％、C7转移面积为88％、C8转移面积为92％、C9转移面积为91％、C10转移面积为90％、C11转移面积为88％、C12转移面积为89％、C13转移面积为87％、C14转移面积为86％、C15转移面积为87％、C16转移面积为91％。上述结果显示本发明的分光模块能完成分光并融解相变阀的功能。
在一些优选的实施例中，光分束盘的连接轴连接有用于转动光分束盘的转动装置，具体的为轴承转动装置，实现光分束盘的转动。通过光分束盘的转动，可以直接控制光源产生的光只在上层光分束盘分光，无法经过透光孔进入下层光分束盘进行分光反射，一方面同样实现了相变阀分批融解的技术效果，另一方面，直接不经光分束盘分光反射，无法照射至微流控芯片上，流控技术避免了微流控芯片除相变阀外其他位置的无端照射，减小了因激光照射微流控芯片其他位置，从而造成该位置反应过程中增加反应条件的影响。
本发明的实施例中，该盘式微流控检测分析系统还包括多通道微流体控制模块及分析控制模块；
所述多通道微流体控制模块与所述相变阀操作系统的微流控芯片连接；
所述分析控制系统，与所述多通道微流体控制模块、用于：对微流控芯片内生物样品进行荧光检测，并根据荧光检测，得到实验结果，并将所述实验结果反馈给所述多通道微流体控制模块；
所述多通道微流体控制模块根据所述实验结果对所述微流体芯片中的实验参数进行调整。
本发明以该盘式微流控检测分析系统测试了在心脏型脂肪酸结合蛋白检测方面的应用，具体如下：依序注入8个全血样本/体积50微升至微流控芯片3，操控微流控芯片3旋转，进行全血分离、定量出10微升血浆至反应槽。启动八分光分束盘42，一束激光从垂直方向射入，透过八分光分束盘42可分出8束垂直向下的激光，同时融化8个蜡阀，操控微流控芯片3旋转，同时释放出15微升的免疫磁珠(带有捕捉抗体)、15微升的酶标(带有捕捉抗体1)至反应槽。操控微流控芯片3旋转，混合培育血浆样本、免疫磁珠、酶标，待反应完成后，吸住磁珠并将废液传送至废液槽。启动光分束盘42，一束激光从垂直方向射入，透过光分束盘可分出8束垂直向下的激光，同时融化另外8个蜡阀，操控微流控芯片3旋转，同时释放出清洗液至反应槽。操控微流控芯片3旋转，进行清洗步骤，待清洗完成后，吸住磁珠并将废液传送至废液槽。启动光分束盘42，一束激光从垂直方向射入，透过光分束盘42可分出8束垂直向下的激光，同时融化8个蜡阀，操控微流控芯片3旋转，同时释放出底物至反应槽。操控微流控芯片3旋转，混合培育进行反应，待反应120秒钟完成后即可同时得到8个心脏型脂肪酸结合蛋白检测结果，通过分析控制系统，完成实验，实验结果表明8个心脏型脂肪酸均结合蛋白均已完成，表明了本发明的微流控系统能实现多个相变阀的同时融解，多个反应的同时进行。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不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 (7)
1.一种盘式微流控检测分析系统，包括用以对盘式微流控芯片执行荧光检测的分析装置；其特征在于，所述分析装置包括：相变阀融阀机构，用以承载盘式微流控芯片的装载机构；其中，
所述相变阀融阀机构至少包括用于融解相变阀的光源、分光结构；所述光源发射光线，经分光结构分光形成至少两束光束，以对所述装载机构上的盘式微流控芯片的至少两相变阀进行融解；
所述分光结构包括若干个光分束盘；所述光分束盘包括光分束盘底板，若干镶嵌于光分束盘底板的分光镜及反射镜；
所述光分束盘分束的光越多其光分束盘底板的面积越大；所述若干个光分束盘的光分束盘底板的面积越大，其在光分束盘组合时离微流控芯片的距离越远。
2.根据权利要求1所述的盘式微流控检测分析系统，所述若干个分光镜及反射镜经相同次数的分光将光分解为同时出射的若干束能量均等的光。
3.根据权利要求1所述的盘式微流控检测分析系统，其特征在于，所述光分束盘还包括设置于光分束盘底板上的光路开关，其用于控制一光路的开启或关闭。
4.根据权利要求1所述的盘式微流控检测分析系统，其特征在于，所述若干个光分束盘的光分束盘底板上配置有使光路畅通的透光孔。
5.根据权利要求1所述的盘式微流控检测分析系统，其特征在于，所述若干个光分束盘通过连接轴相互连接，所述连接轴与光分束盘间有用于转动光分束盘的转动装置。
6.根据权利要求1所述的盘式微流控检测分析系统，其特征在于，所述光源连接有用于移动光源及光分束盘的直线电机，所述直线电机通过固定架与光源连接。
7.根据权利要求1所述的盘式微流控检测分析系统，其特征在于，所述装载机构还包括用于转动微流控芯片的伺服电机，所述伺服电机通过伺服电机固定架与微流控芯片固定架连接。
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