CN115121298A - 一种基于薄膜键合而成的微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于薄膜键合而成的微流控芯片，所述微流控芯片至少包括液体驱动单元、若干腔体、导液流道、第一流道和第二流道，所述液体驱动单元经第二流道分别与各腔体的底部相连通，各腔体顶端分别经导液流道与第一流道相连通，且所述第一流道与液体驱动单元相连通；所述导液流道上设有控流阀，所述第二流道与各腔体间设有控制阀；其中，所述控制阀、导液流道、第一流道和第二流道由薄膜键合于基板上制得。通过本发明技术方案解决了传统微流控芯片占空间大、零件多以及不易制造等问题。且通过薄膜键合而成的微流控芯片为全密封结构，不会造成样本会反应环境污染。且本微流控芯片适合自动操作，可使用类似POCT的仪器。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域，尤其涉及一种基于薄膜键合而成的微流控芯片。
背景技术
在微流控领域中，微流控芯片流道主要是由塑料形成沟道，然后在沟道中设计阀门等方式进行流控。但是传统微流控芯片存在占用空间偏大，零件多，不易制造，成本高的问题。
亟需一种新的微流控芯片。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种基于薄膜键合而成的微流控芯片，通过本发明技术方案解决了传统微流控芯片占空间大、零件多以及不易制造等问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种基于薄膜键合而成的微流控芯片，所述微流控芯片至少包括液体驱动单元、若干腔体、导液流道、第一流道和第二流道，所述液体驱动单元经第二流道分别与各腔体的底部相连通，各腔体顶端分别经导液流道与第一流道相连通，且所述第一流道与液体驱动单元相连通；所述导液流道上设有控流阀，所述第二流道与各腔体间设有控制阀；其中，所述控制阀、导液流道、第一流道和第二流道由薄膜键合于基板上制得。
根据一个优选的实施方式，所述液体驱动单元不限于为驱动泵或注射器件；所述导液流道不限于为星型流道，设置于所述星型流道上的控流阀不限于为选择多通阀。
根据一个优选的实施方式，所述控制阀包括基板、易揭膜和非易揭膜，易揭膜键合于基板之上，并留有非键合区与各腔体导通，所述非易揭膜盖于易揭膜之上，所述非易揭膜在易揭膜与基板键合区域与易揭膜键合。
根据一个优选的实施方式，所述星型流道汇聚于基板上的第一流孔，并经所述第一流孔与基板背面上的第一流道相连通，所述第一流道经基板上的第二流孔与驱动泵的腔体连通。
根据一个优选的实施方式，所述星型流道和第二流道由非易揭膜键合于基板上时的非键合区构成。
根据一个优选的实施方式，所述第一流道由非易揭膜键合于基板上时的非键合区构成。
根据一个优选的实施方式，所述驱动泵由薄膜键合于基板上制得。
根据一个优选的实施方式，所述驱动泵包括由非易揭膜键合于基板上时的非键合区构成的腔体，以及外设的按压驱动杆构成。
根据一个优选的实施方式，所述驱动泵的腔体内设有具有弹性的弯片。
根据一个优选的实施方式，所述微流控芯片键合有一个PCR反应的第七腔体，所述第七腔体为两薄膜夹在基板上的空框构成；所述空框的一个窄边倾斜设置，并形成锐角作为进液口。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：通过本发明技术方案解决了传统微流控芯片占空间大、零件多以及不易制造等问题。且通过薄膜键合而成的微流控芯片为全密封结构，不会造成样本会反应环境污染。且本微流控芯片适合自动操作，可使用类似POCT的仪器。
附图说明
图1是本发明微流控芯片的结构示意图；
图2是本发明微流控芯片的爆炸示意图；
图3是本发明微流控芯片的星型流道及第二流道结构示意图；
图4是本发明微流控芯片的第一流道结构示意图；
图5是本发明微流控芯片的PCR腔体结构和应用示意图；
图6是本发明微流控芯片的流道构建结构示意图；
图7是本发明微流控芯片的控制阀的构建示意图；
图8是本发明微流控芯片的控制阀的构建示意图；
图9是本发明微流控芯片的控制阀的构建示意图；
图10是本发明微流控芯片的控制阀的构建示意图；
图11是本发明微流控芯片的选择多通阀的构建示意图；
图12是本发明微流控芯片的选择多通阀的构建示意图；
图13是本发明微流控芯片的选择多通阀的构建示意图；
其中，101-基板，102-非易揭膜，103-易揭膜，104-弯片，105-阀体，106-限位部，107-第一注塑腔，108-第二注塑腔，109-第三注塑腔，110-第四注塑腔，111-第五注塑腔，112-第六注塑腔，113，115-空腔，114-第一流道，116-第一流孔，117-第二流孔，201-驱动泵，202-控制阀，203-第一腔体，204-第二腔体，205-第三腔体，206-第四腔体，207-第五腔体，208-第六腔体，209-第七腔体，210-星型流道，211-第二流道，301-热盖加热片，302-帕尔贴制冷片，303-光学光源模块，304-荧光采集模块，305-微流控芯片，401-膜，402-基板，403-键合区域，404-不键合区域，405-金属头，501-基板，502-条形易揭膜，503-非易揭膜，504-键合区域，505-非键合区域，601-软胶，602-非易揭膜，105a-硅胶环，105b-缺口部。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图1至图5所示，本发明公开了一种基于薄膜键合而成的微流控芯片。本发明的微流控芯片可以用于核酸提取与PCR。
优选地，所述微流控芯片包括驱动泵201、若干腔体、星型流道210、第一流道114和第二流道211。
其中，所述驱动泵201底部经第二流道211分别与各腔体的底部相连通，各腔体顶端分别经星型流道210与第一流道114相连通，且所述第一流道114与驱动泵201顶部相连通。
星型流道210上设有选择多通阀，通过选择多通阀实现星型流道210中各流道的导通控制。所述第二流道211与各腔体间设有控制阀202，通过控制阀202实现各腔体与第二流道211的导通控制。
优选地，所述控制阀202、星型流道210、第一流道114和第二流道211由薄膜键合于基板101上制得。
优选地，控制阀202包括基板101、易揭膜103和非易揭膜102。易揭膜103键合于基板101之上，并留有非键合区与各腔体导通，所述非易揭膜102盖于易揭膜103之上。即是，当将易揭膜103的非键合区按压至基板101之上时，该控制阀202与各腔体则处于非导通状态，当流道压力冲开该非键合区时，该控制阀202处于导通状态。进一步地，所述非易揭膜102在易揭膜103与基板101键合区域与易揭膜103键合。
优选地，所述星型流道210汇聚于基板101上的第一流孔116，并经所述第一流孔116与基板101背面上的第一流道114相连通。所述第一流道114经基板101上的第二流孔117与驱动泵201的腔体连通。
优选地，所述星型流道210和第二流道211由非易揭膜102键合于基板101上时的非键合区构成。
优选地，所述第一流道114由非易揭膜102键合于基板101上时的非键合区构成。
优选地，所述驱动泵201由薄膜键合于基板101上制得。进一步地，所述驱动泵201包括由非易揭膜102键合于基板101上时的非键合区构成的腔体，以及外设的按压驱动杆构成。通过多根或多级驱动杆朝着一个方向按压驱动泵201的腔体，既可以实现该方向的正压。
优选地，所述驱动泵201的腔体内设有具有弹性的弯片104。弯片104采用厚度为0.2mm的聚丙烯薄片。通过弯片104使得驱动泵201的腔体能够在按压变形后复原。
优选地，基板101为注塑形成以塑料板。所述基板101上设有若干注塑腔(107，108，109，110，111，112)和一个空腔(113，115)。空腔正反面键合有非易揭膜，从而构成腔室第七腔体209，作为PCT腔。其中，基板材料使用聚丙烯制得。
优选地，各注塑腔因键合有非易揭膜102而构成第一腔体203、第二腔体204、第三腔体205、第四腔体206、第五腔体207和第六腔体208。各腔体分别装有裂解液试剂、吸附硅膜、核酸洗脱液、PCR试剂、引物和酶冻干球。第七腔体209为空腔。
优选地，基板101上点键合有易揭膜103，该易揭膜103的非键合区与各注塑腔和空腔导通。易揭膜采用复合膜，由聚丙烯膜-低密度聚乙烯和聚丁烯混合物吹延膜复合而成。
优选地，非易揭膜采用复合膜，由聚丙烯膜-聚乙烯膜复合而成。
优选地，多通阀由阀体105和限位部106构成。限位部106用于显示将阀体105固体与星型流道之上。阀体105底部为一个开环的硅胶环，当将底部的开环处旋转至星型流道中某一流道上时，该流道则因为该开环缺口而处于导通状态，星型流道的其余流道则因为硅胶环的压制处于闭合或断开状态。
核酸提取及PCR反应过程为：
将作为样本腔的第一腔体203打开，加入样本。
控制选择多通阀使得星型流道210中与第一腔体203连通的流道导通，并通过按压住星型流道中其它流道，使得其它流道处于断开状态。控制驱动泵201将于第一腔体相连的控制阀202冲开，并把腔体内的样本吸出到泵中。后文描述的时候，都仅描述腔体操作，不在赘述阀门控制。
控制驱动泵把样本从作为裂解腔的第二腔体204下方泵入，并静置10分钟，把样本中细胞裂解开。过程中可以通过不停泵入蹦出进行混合。混合均为此操作方式，后文不再赘述。
控制驱动泵把裂解液从第二腔体204下吸出，在泵入到第三腔体205中进行吸附。此时，核酸吸附在第三腔体205中的硅膜上。
控制驱动泵201把裂解液从第三腔体205中吸出，并泵回至第二腔体204中。此时，第二腔体204中为废液，不会再进行操作。第二腔体204下方的控制阀或流道可以通过热键合的方式完成流道的密封。
控制驱动泵把第四腔体206中的洗脱液吸出，并泵入第三腔体205中，完成对腔体中硅膜的反复洗脱10分钟。洗脱液吸出后，即可把第四腔体206下方的控制阀或流道键合密封。
然后，把洗脱液从第三腔体205吸出，再泵入第五腔体207中和PCR试剂混合。将第三腔体205下方的控制阀或流道键合的密封。
将第五腔体207中PCR试剂吸出，再泵入装有冻干和酶的第六腔体208，溶解冻干物质。同时将第五腔体207下方的控制阀或流道键合，完成对第五腔体207的密封。
将第六腔体208中液体吸出，并泵入作为PCR反应腔的第七腔体209。将第六腔体208和第七腔体209下方的控制阀或流道键合密封。
旋转选择多通阀，控制选择多通阀使得星型流道210中的与第七腔体209相连通的流道处于密封状态。从而使得第七腔体209成为一个密封腔体。
当液体泵入第七腔体209后，液体体积只占整个PCR腔体的1/3。
参考图5所示，图中示出了针对微流控芯片305的PCR信息采集结构。所述采集结构包括热盖加热片301、帕尔贴制冷片302、光学光源模块303和荧光采集模块304。所述热盖加热片301设置于微流控芯片305上第一腔体203两侧。所述帕尔贴制冷片302设置于第二腔体204至第七腔体209两侧。光学光源模块303和荧光采集模块304正对于第七腔体设置。把热盖加热片301加热到105℃，再通过帕尔贴制冷片302产生PCR反应所需要的温度循环，过程中用光学光源模块303发光激发作为PCR反应腔的第七腔体209内的液体产生荧光，使用荧光采集模块304采集荧光。得到完整的PCR信息。
实施例2
参考图6所示，本发明微流控芯片上的各流道可以采用如下方式制得。流道由膜和膜或者膜和基板键合过程中的不键合的部分形成。
具体的，以膜和基板举例，通过将膜401键合于基板402之上，其中的键合区域403完成膜401的固定和密封，不键合区域404则形成流道。
优选地，膜401和基板402可通过一个可加热的金属头405来进行键合，也可由激光等其他方式键合。通过控制金属头405的形状或通过控制激光键合路径，可以控制膜与基板之间的键合区域403和不键合区域404，长条状的不键合区域404在膜401与基板402之间可形成过液体的流道。
实施例3
本发明中控制阀202可以采用如下方式制得。
例如，控制阀202可以热合式阀门。参考图7、8和9。
先在基板501上对应位置放置一些条形易揭膜502，并在这些膜某位置把该膜部分键合在基板上。
然后在基板501和条形易揭膜502上再盖上一层非易揭膜503。把该非易揭膜503热键合在基板501和条形易揭膜502之上。其中非键合区域505形成的流道应在长度方向上通过下方的易揭膜。此时，条形易揭膜502与基板501之间的空间被键合上，而成为一个截断关闭状态。
当有液体或者气体压力作用于条形易揭膜502和基板501的键合区域504时，压力会让易揭膜和基板脱开，但是非易揭膜503不会脱开，此时，流道导通。
当需要再次截断该流道时，只需要外部在键合区域504提供一个按压力，让膜紧贴在基板上，即可再次截断关闭该流道。
更加进一步的，在按压力提供的同时，可以在外部提供一个加热的装置，再次把该流道的膜和基板键合形成截断。如果后续需要再次打开流道，截断位置需要设置在易揭膜未键合过的位置上方。如后续不需要再次打开该流道，可以选择在非易揭膜位置进行键合，彻底关闭流道。
如此操作即可形成一个类似阀门的功能。
如某流道系统中存在多个阀门，直接往流道中注入气压或者液压无法确定到底打开的是哪一个阀门。此时需要把不打开的阀门用压力压住，此时气压或者液压仅作用于未施加压力的阀门。通过该方法控制打开某个或某些特定流道。
或者，控制阀202也可以是按压式阀门，参考图10所示。
直接使用非易揭膜602，通过一定形状的热金属头键合在基板上，形成流道。在流道上压一个软胶601，可以让该非易揭膜602和基板之间的流道关闭。移除软胶601，或者把软胶移到旁边，可以让流道打开。
实施例4
参考图11、12和13。把多个流道集中起来，围成的星型流道210。按压的软胶或阀体105底部有为一个开环的硅胶环105a，所述硅胶环104a上缺口105b。
通过旋转的方式，软胶或阀体105的缺口105对准的流路即导通，其他均会被软胶按压住截止关闭，从而构成一种具有以中心为公共端的选通功能的阀门，公共端在基板上制作一个孔，作为液体出入口。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于薄膜键合而成的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片至少包括液体驱动单元、若干腔体、导液流道、第一流道(114)和第二流道(211)，
所述液体驱动单元经第二流道(211)分别与各腔体的底部相连通，各腔体顶端分别经导液流道与第一流道(114)相连通，且所述第一流道(114)与液体驱动单元相连通；
所述导液流道上设有控流阀，所述第二流道(211)与各腔体间设有控制阀(202)；
其中，所述控制阀(202)、导液流道、第一流道(114)和第二流道(211)由薄膜键合于基板(101)上制得。
2.如权利要求1所述的基于薄膜键合而成的微流控芯片，其特征在于，所述液体驱动单元不限于为驱动泵(201)或注射器件；
所述导液流道不限于为星型流道(210)，设置于所述星型流道(210)上的控流阀不限于为选择多通阀。
3.如权利要求2所述的基于薄膜键合而成的微流控芯片，其特征在于，所述控制阀(202)包括基板(101)、易揭膜(103)和非易揭膜(102)，
易揭膜(103)键合于基板(101)之上，并留有非键合区与各腔体导通，所述非易揭膜(102)盖于易揭膜(103)之上；
所述非易揭膜(102)在易揭膜(103)与基板(101)键合区域与易揭膜(103)键合。
4.如权利要求2所述的基于薄膜键合而成的微流控芯片，其特征在于，所述星型流道(210)汇聚于基板(101)上的第一流孔(116)，并经所述第一流孔(116)与基板(101)背面上的第一流道(114)相连通，所述第一流道(114)经基板(101)上的第二流孔(117)与驱动泵(201)的腔体连通。
5.如权利要求4所述的基于薄膜键合而成的微流控芯片，其特征在于，所述星型流道(210)和第二流道(211)由非易揭膜(102)键合于基板(101)上时的非键合区构成。
6.如权利要求4所述的基于薄膜键合而成的微流控芯片，其特征在于，所述第一流道(114)由非易揭膜键合于基板(101)上时的非键合区构成。
7.如权利要求2所述的基于薄膜键合而成的微流控芯片，其特征在于，所述驱动泵(201)由薄膜键合于基板上制得。
8.如权利要求7所述的基于薄膜键合而成的微流控芯片，其特征在于，所述驱动泵(201)包括由非易揭膜(102)键合于基板(101)上时的非键合区构成的腔体，以及外设的按压驱动杆构成。
9.如权利要求8所述的基于薄膜键合而成的微流控芯片，其特征在于，所述驱动泵(201)的腔体内设有具有弹性的弯片(104)。
10.如权利要求8所述的基于薄膜键合而成的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片键合有一个PCR反应的第七腔体(209)，所述第七腔体(209)为两薄膜夹在基板上的空框构成；所述空框的一个窄边倾斜设置，并形成锐角作为进液口。
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