CN114713303A - 基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片及控制方法，包括芯片本体；芯片本体包括由下至上依次叠合布置的气体结构层、薄膜层、流体结构层和盖片；芯片本体上具有离心实验单元；离心实验单元包括开设在流体结构层上的混合池、缓冲池和收集池，混合池距离芯片本体离心转动中心的距离小于缓冲池距离芯片本体离心转动中心的距离；流体结构层上开设有连通混合池、缓冲池和收集池的三通流道；三通流道靠近混合池的一端下部的气体结构层上开设有第一气阀腔，气体结构层上开设有与第一气阀腔连通的第一气阀通道；三通流道靠近收集池的一端下部的气体结构层上开设有第二气阀腔，气体结构层上开设有与第二气阀腔连通的第二气阀通道。
Description
技术领域
本发明涉及生物化学检测领域及微流控芯片技术领域，更具体的说是涉及一种基于气阀调节用于泵送液体的离心式微流控芯片系统及其控制方法。
背景技术
离心式微流控芯片借助离心力为液体的移动提供径向向外的驱动力，驱使液体经过流体通道到达径向外部的位置。与其他驱动原理相比，离心力驱动微流体的主要优点包括：
1、流速稳定易调，通过调节旋转频率可以很容易地调节驱动力的大小，从而精准控制从纳升到数百微升的液体；
2、设备简单，并且可同时驱动多个单元，有利于实现高通量分析。
利用离心式微流控芯片可将液体混合、转移、阀门控制及定量分液等操作集成化并实现过程运行的自动化，离心式微流控芯片在医疗诊断、食品卫生及环境检测等领域具有广阔的应用前景。
但是，在离心力驱动下，液体只能径向向外移动，导致流体移动路径受到离心式芯片半径的限制。虽然可以通过流体通道设计成螺旋状以加长其移动路径，但大多数生化分析实验需要进行复杂的样品预处理以及多步骤反应，这会消耗掉大部分离心式芯片的空间。特别是当液体试剂预存储的情况下，所有液体须靠近旋转中心储存及释放，此时对芯片的空间限制更大。因此实现液体径向向内移动对于离心式微流控芯片实现多功能集成化是必需的。目前用于径向向内泵送液体的方法主要有以下几种：
1、借助于外部加热装置加热芯片内部空气生成气泡并在离心作用下实现液体径向向内的驱动，但其所需的装置要求精密复杂的控制且制作成本较高；
2、借助于外部压力源将芯片内液体从外径向向内驱动，然而其液体驱动速度慢，会延长整体实验所需时间；
3、不借助外部装置，在芯片内设置具有不同流体阻力的通道，通过离心压缩可压缩介质之后，降低离心频率后液体将通过最低阻力的通道溢出，以此实现液体径向向内的转移，但是该方法对于芯片的几何结构设计及加工精度要求高。
因此，开发一种结构简单、易操作且性能稳定的能将液体径向向内泵送的离心式微流控芯片系统具有十分重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片及控制方法，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片，包括芯片本体；所述芯片本体包括由下至上依次叠合布置的气体结构层、薄膜层、流体结构层和盖片；所述芯片本体上具有离心实验单元；所述离心实验单元包括开设在所述流体结构层上的混合池、缓冲池和收集池，所述混合池距离所述芯片本体离心转动中心的距离小于所述缓冲池距离所述芯片本体离心转动中心的距离；所述流体结构层上开设有连通所述混合池、所述缓冲池和所述收集池的三通流道；所述三通流道靠近所述混合池的一端下部的所述气体结构层上开设有第一气阀腔，所述气体结构层上开设有与所述第一气阀腔连通的第一气阀通道；所述三通流道靠近所述收集池的一端下部的所述气体结构层上开设有第二气阀腔，所述气体结构层上开设有与所述第二气阀腔连通的第二气阀通道。
通过上述技术方案，本发明避免了传统离心式微流控芯片内部液体只能径向向外移动的限制；另外液体的储存位置不再限制于芯片内圈靠近旋转中心的区域，提高了芯片结构设计的自由度；使用该结构的离心式微流控芯片可将已经过复杂预处理后移动到芯片外圈的样品液体或者预封装在芯片外圈的试剂液体径向向内泵送，以进行后续的反应或检测实验。
优选的，在上述一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片中，所述第一气阀通道远离所述第一气阀腔的一端在所述气体结构层底面形成第一进气口，所述第二气阀通道远离所述第二气阀腔的一端在所述气体结构层底面形成第二进气口；所述第一进气口和所述第二进气口分别连接不同的控制气泵。通过不同的控制气泵可以对第一气阀腔和第二气阀腔进行不同的控制，更便于对实验过程的操控。
优选的，在上述一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片中，所述离心实验单元还包括开设在所述流体结构层上，且依次与所述混合池连通的进样池和试剂池；所述进样池和所述试剂池依次向远离所述缓冲池的方向布置。反应所需试剂加入试剂池，样品加入进样池，试剂由试剂池流经样品池进入混合池与样品混合。
优选的，在上述一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片中，所述芯片本体上的所述离心实验单元的数量为多个，且呈环形环绕布置在所述芯片本体上。所述芯片本体为圆形盘体，所述离心实验单元的数量为5个。使用该芯片可实现5个单元同时工作，实际应用中可根据需要相应地增加离心实验单元以满足检测通量的需求。
优选的，在上述一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片中，多个所述离心实验单元的所述第一气阀通道串联，并共用所述第一进气口进行统一控制；多个所述离心实验单元的所述第二气阀通道串联，并共用所述第二进气口进行统一控制。能够实现统一协调控制，操控更方便。
优选的，在上述一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片中，所述气体结构层、所述流体结构层和所述盖板均为可以由任何合适的材料形成，如PMMA、PC、PS、PDMS或玻璃等；所述薄膜层为任何合适的弹性材料，如TPE、PDMS或硅胶等。能够满足材质的使用需求。
优选的，在上述一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片中，所述第一气阀腔和所述第二气阀腔均为开设在所述气体结构层顶面的腔体，位于所述第一气阀腔和所述第二气阀腔上方的所述三通流道均具有格挡块，所述格挡块隔断所述三通流道，当所述第一气阀腔和所述第二气阀腔内部充气膨胀时，使得所述薄膜层膨胀变形，在所述隔断块两侧将所述三通流道封堵，当所述第一气阀腔和所述第二气阀腔内部抽气收缩时，使得所述薄膜层收缩变形，所述隔断块底面与所述薄膜层形成流通间隙。通过薄膜层的膨胀或收缩变形，能够控制气阀腔的开启和关闭，操控更简单。
优选的，在上述一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片中，所述第一气阀腔和所述第二气阀腔均为开设在所述气体结构层顶面的腔体，位于所述第一气阀腔和所述第二气阀腔上方的所述三通流道均为倒扣的碗状槽；所述第一气阀通道和所述第二气阀通道均开设在所述气体结构层的底面，并通过底板封闭所述气体结构层的底面；所述第一气阀通道和所述第二气阀通道与对应的所述第一气阀腔和所述第二气阀腔连通；当所述第一气阀腔和所述第二气阀腔内部充气膨胀时，使得所述薄膜层膨胀变形封堵所述碗状槽；当所述第一气阀腔和所述第二气阀腔内部抽气收缩时，使得所述薄膜层收缩变形避让所述碗状槽。使用该结构的气阀门结构避免了气体通道与流体通道存在除气阀门以外交叉重叠的情况，从而降低因气体穿透薄膜而对流体通道内液体的影响。
本发明还提供了一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片的控制方法，包括以下步骤：
S1、样品试剂加入所述混合池后，通过所述第一气阀通道控制所述第一气阀腔，打开所述混合池的流出口，此时进行离心操作，所述混合池中的样品试剂将通过所述三通流道转移至所述缓冲池中，并压缩所述缓冲池内的空气；
S2、在离心过程中，通过所述第一气阀通道控制所述第一气阀腔，从而堵住所述混合池的流出口，此时缓冲池中样品试剂无法在离心力下降或离心结束的时候转移回混合池；通过所述第二气阀通道控制所述第二气阀腔，当所述第二气阀腔处于关闭状态时进行减速或停止离心操作，此时样品试剂保留在所述缓冲池中；当第二气阀腔处于打开状态时进行减速或停止离心操作，此时所述缓冲池中被压缩的空气逐渐将样品试剂推出所述缓冲池，经过所述三通流道进入所述收集池，实现液体径向向内的泵送；当所述缓冲池中样品试剂已处于饱和状态且所述第一气阀腔保持关闭状态时，通过调节离心力的大小，以及所述第二气阀腔的开关状态，控制从所述缓冲池转移到所述收集池的液体量。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片及控制方法，具有以下有益效果：
1、本发明只需控制离心转速以及气阀门开关，即可在离心机转子中实现被动的径向向内泵送液体，操作简便，可用性强。
2、本发明的芯片结构设计简单，无需精确控制流体通道尺寸，加工成本低，且芯片可重复使用。
3、本发明只需两路气体通道即可同时控制多个流体结构，有助于提高检测通量。
4、本发明在核酸检测实验中，利用该系统可在一个小型离心式微流控芯片上实现核酸提取、扩增与检测多模块集成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的离心实验单元的示意图；
图2附图为本发明提供的芯片本体的示意图；
图3附图为本发明提供的一种实施方式的芯片本体的截面图；
图4附图为图3中气阀腔被封堵的截面图；
图5附图为图3中气阀腔被打开的截面图；
图6附图为本发明提供的另一种实施方式的芯片本体的截面图；
图7附图为图6中气阀腔被封堵的截面图；
图8附图为图6中气阀腔被打开的截面图。
其中：
1-芯片本体；2-气体结构层；3-薄膜层；4-流体结构层；5-盖片；6-离心实验单元；7-混合池；8-缓冲池；9-收集池；10-三通流道；11-第一气阀腔；12-第一气阀通道；13-第二气阀腔；14-第二气阀通道；15-第一进气口；16-第二进气口；17-进样池；18-试剂池；19-格挡块；20-碗状槽；21-底板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例1：
参见附图1和3，本发明实施例公开了一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片，包括芯片本体1；芯片本体1包括由下至上依次叠合布置的气体结构层2、薄膜层3、流体结构层4和盖片5；芯片本体1上具有离心实验单元6；离心实验单元6包括开设在流体结构层4上的混合池7、缓冲池8和收集池9，混合池7距离芯片本体1离心转动中心的距离小于缓冲池8距离芯片本体1离心转动中心的距离；流体结构层4上开设有连通混合池7、缓冲池8和收集池9的三通流道10；三通流道10靠近混合池7的一端下部的气体结构层2上开设有第一气阀腔11，气体结构层2上开设有与第一气阀腔11连通的第一气阀通道12；三通流道10靠近收集池9的一端下部的气体结构层2上开设有第二气阀腔13，气体结构层2上开设有与第二气阀腔13连通的第二气阀通道14。
为了进一步优化上述技术方案，第一气阀通道12远离第一气阀腔11的一端在气体结构层2底面形成第一进气口15，第二气阀通道14远离第二气阀腔13的一端在气体结构层2底面形成第二进气口16；第一进气口15和第二进气口16分别连接不同的控制气泵。
为了进一步优化上述技术方案，气体结构层2、流体结构层4和盖板5均为PMMA材质；薄膜层3为TPE材质。
实施例2：
参见附图2，芯片本体1为圆形盘体，离心实验单元6的数量为5个，且呈环形环绕布置在芯片本体1上。离心实验单元6还包括开设在流体结构层4上，且依次与混合池7连通的进样池17和试剂池18；进样池17和试剂池18依次向远离缓冲池8的方向布置。
为了进一步优化上述技术方案，多个离心实验单元6的第一气阀通道12串联，并共用第一进气口15进行统一控制；多个离心实验单元6的第二气阀通道14串联，并共用第二进气口16进行统一控制。
为了进一步优化上述技术方案，气体结构层2、流体结构层4和盖板5均为PMMA材质；薄膜层3为TPE材质。
在实施例1和实施例2中，基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片的控制方法包括以下步骤：
S1、样品试剂加入混合池7后，通过第二气阀通道14控制第二气阀腔13，从而堵住收集池9的进液口，此时进行离心操作，混合池7中的样品试剂将通过三通流道10转移至缓冲池8中，并压缩缓冲池8内的空气；
S2、混合池8中的样品试剂完全流出后，通过第一气阀通道12控制第一气阀腔11，从而堵住混合池7的流出口，通过第二气阀通道14控制第二气阀腔13，从而打开收集池9的进液口；减速或停止离心，此时缓冲池8中被压缩的空气将样品试剂推出缓冲池8，经过三通流道10进入收集池9，实现液体径向向内的泵送。
本实施例的创造点在于利用第一气阀腔11的开关把混合池7中的试剂转移到收集池9中，以及通过第一气阀腔11和第二气阀腔13的配合，控制转移到收集池9中的试剂的量。具体地，在高速离心作用力下，混合池7中的试剂会转移到缓冲池8中，并压缩缓冲池8中的空气，关键在于在这个离心过程中关闭第一气阀腔11，缓冲池8中试剂就无法在离心力下降或离心结束的时候转移回混合池7，而是发生2种情况，一是当第二气阀腔13在离心力下降或离心结束的时候处于关闭状态时，试剂会保留在缓冲池8中，二是当第二气阀腔13在离心力下降时已处于开启状态时，缓冲池8中试剂会随着离心力的下降逐步转移到收集池9中。当缓冲池8中试剂已处于饱和状态且第一气阀腔11保持关闭状态时，可以通过调节离心力的大小，以及第二气阀腔13的开关状态，控制从缓冲池8转移到收集池9的液体量。
实施例3：
参见附图3至附图5，第一气阀腔11和第二气阀腔13均为开设在气体结构层2顶面的矩形腔体，位于第一气阀腔11和第二气阀腔13上方的三通流道10均具有格挡块19，格挡块19隔断三通流道10，当第一气阀腔11和第二气阀腔13内部充气膨胀时，使得薄膜层3膨胀变形，在隔断块19两侧将三通流道10封堵，当第一气阀腔11和第二气阀腔13内部抽气收缩时，使得薄膜层3收缩变形，隔断块19底面与薄膜层3形成流通间隙。
实施例4：
参见附图6至附图8，第一气阀腔11和第二气阀腔13均为开设在气体结构层2顶面的圆形腔体，位于第一气阀腔11和第二气阀腔13上方的三通流道10均为倒扣的碗状槽20；第一气阀通道12和第二气阀通道14均开设在气体结构层2的底面，并通过底板21封闭气体结构层2的底面；第一气阀通道12和第二气阀通道14与对应的第一气阀腔11和第二气阀腔13连通；当第一气阀腔11和第二气阀腔13内部充气膨胀时，使得薄膜层3膨胀变形封堵碗状槽20；当第一气阀腔11和第二气阀腔13内部抽气收缩时，使得薄膜层3收缩变形避让碗状槽20。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片，其特征在于，包括芯片本体(1)；所述芯片本体(1)包括由下至上依次叠合布置的气体结构层(2)、薄膜层(3)、流体结构层(4)和盖片(5)；所述芯片本体(1)上具有离心实验单元(6)；所述离心实验单元(6)包括开设在所述流体结构层(4)上的混合池(7)、缓冲池(8)和收集池(9)，所述混合池(7)距离所述芯片本体(1)离心转动中心的距离小于所述缓冲池(8)距离所述芯片本体(1)离心转动中心的距离；所述流体结构层(4)上开设有连通所述混合池(7)、所述缓冲池(8)和所述收集池(9)的三通流道(10)；所述三通流道(10)靠近所述混合池(7)的一端下部的所述气体结构层(2)上开设有第一气阀腔(11)，所述气体结构层(2)上开设有与所述第一气阀腔(11)连通的第一气阀通道(12)；所述三通流道(10)靠近所述收集池(9)的一端下部的所述气体结构层(2)上开设有第二气阀腔(13)，所述气体结构层(2)上开设有与所述第二气阀腔(13)连通的第二气阀通道(14)。
2.根据权利要求1所述的一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片，其特征在于，所述第一气阀通道(12)远离所述第一气阀腔(11)的一端在所述气体结构层(2)底面形成第一进气口(15)，所述第二气阀通道(14)远离所述第二气阀腔(13)的一端在所述气体结构层(2)底面形成第二进气口(16)；所述第一进气口(15)和所述第二进气口(16)分别连接不同的控制气泵。
3.根据权利要求1所述的一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片，其特征在于，所述离心实验单元(6)还包括开设在所述流体结构层(4)上，且依次与所述混合池(7)连通的进样池(17)和试剂池(18)；所述进样池(17)和所述试剂池(18)依次向远离所述缓冲池(8)的方向布置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片，其特征在于，所述芯片本体(1)上的所述离心实验单元(6)的数量为多个，且呈环形环绕布置在所述芯片本体(1)上。
5.根据权利要求4所述的一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片，其特征在于，多个所述离心实验单元(6)的所述第一气阀通道(12)串联，并共用所述第一进气口(15)进行统一控制；多个所述离心实验单元(6)的所述第二气阀通道(14)串联，并共用所述第二进气口(16)进行统一控制。
6.根据权利要求4所述的一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片，其特征在于，所述芯片本体(1)为圆形盘体，所述离心实验单元(6)的数量为5个。
7.根据权利要求1所述的一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片，其特征在于，所述气体结构层(2)、所述流体结构层(4)和所述盖板(5)均为PMMA、PC、PS、PDMS或玻璃材质；所述薄膜层(3)为TPE、PDMS或硅胶材质。
8.根据权利要求1-3和5-6中任一项所述的一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片，其特征在于，所述第一气阀腔(11)和所述第二气阀腔(13)均为开设在所述气体结构层(2)顶面的腔体，位于所述第一气阀腔(11)和所述第二气阀腔(13)上方的所述三通流道(10)均具有格挡块(19)，所述格挡块(19)隔断所述三通流道(10)，当所述第一气阀腔(11)和所述第二气阀腔(13)内部充气膨胀时，使得所述薄膜层(3)膨胀变形，在所述隔断块(19)两侧将所述三通流道(10)封堵，当所述第一气阀腔(11)和所述第二气阀腔(13)内部抽气收缩时，使得所述薄膜层(3)收缩变形，所述隔断块(19)底面与所述薄膜层(3)形成流通间隙。
9.根据权利要求1-3和5-6中任一项所述的一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片，其特征在于，所述第一气阀腔(11)和所述第二气阀腔(13)均为开设在所述气体结构层(2)顶面的腔体，位于所述第一气阀腔(11)和所述第二气阀腔(13)上方的所述三通流道(10)均为倒扣的碗状槽(20)；所述第一气阀通道(12)和所述第二气阀通道(14)均开设在所述气体结构层(2)的底面，并通过底板(21)封闭所述气体结构层(2)的底面；所述第一气阀通道(12)和所述第二气阀通道(14)与对应的所述第一气阀腔(11)和所述第二气阀腔(13)连通；当所述第一气阀腔(11)和所述第二气阀腔(13)内部充气膨胀时，使得所述薄膜层(3)膨胀变形封堵所述碗状槽(20)；当所述第一气阀腔(11)和所述第二气阀腔(13)内部抽气收缩时，使得所述薄膜层(3)收缩变形避让所述碗状槽(20)。
10.一种权利要求1-9中任一项所述的一种基于气阀调节的泵送液体离心式微流控芯片的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、样品试剂加入所述混合池(7)后，通过所述第一气阀通道(12)控制所述第一气阀腔(11)，打开所述混合池(7)的流出口，此时进行离心操作，所述混合池(7)中的样品试剂将通过所述三通流道(10)转移至所述缓冲池(8)中，并压缩所述缓冲池(8)内的空气；
S2、在离心过程中，通过所述第一气阀通道(12)控制所述第一气阀腔(11)，从而堵住所述混合池(7)的流出口，此时缓冲池(8)中样品试剂无法在离心力下降或离心结束的时候转移回混合池(7)；通过所述第二气阀通道(14)控制所述第二气阀腔(13)，当所述第二气阀腔(13)处于关闭状态时进行减速或停止离心操作，此时样品试剂保留在所述缓冲池(8)中；当第二气阀腔(13)处于打开状态时进行减速或停止离心操作，此时所述缓冲池(8)中被压缩的空气逐渐将样品试剂推出所述缓冲池(8)，经过所述三通流道(10)进入所述收集池(9)，实现液体径向向内的泵送；当所述缓冲池(8)中样品试剂已处于饱和状态且所述第一气阀腔(11)保持关闭状态时，通过调节离心力的大小，以及所述第二气阀腔(13)的开关状态，控制从所述缓冲池(8)转移到所述收集池(9)的液体量。
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