CN115138404B - 具备废液及产物自动提取功能的微流控芯片及其提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备废液及产物自动提取功能的微流控芯片及其提取方法，该微流控芯片包括盖板、边框、底板和提取装置，所述盖板通过所述边框与所述底板密封并在所述盖板和所述底板之间形成液滴流动的空间；所述底板上形成有用于驱动所述液滴在底板移动的电极；其中，所述提取装置包括抽吸单元、进液管和出液管，所述进液管和所述出液管密封固定在所述边框上，所述进液管的一端和所述出液管的一端伸入芯片内，所述抽吸单元的输入端与所述出液管的另一端连接，所述抽吸单元的输出端与所述进液管的另一端连接，所述抽吸单元经所述出液管将芯片内的废液或产物提取，并经所述进液管向芯片内补充油液。本发明能够解决废液和产物提取中油残留和补充问题，保持芯片内油量稳定的具备废液及产物自动提取功能。

Description

具备废液及产物自动提取功能的微流控芯片及其提取方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，特别涉及具备废液及产物自动提取功能的微流控芯片及其提取方法。

背景技术

片上实验室(Lab on a Chip,LOC)研究的终极目标，是将功能各异的多个单元或模块，在微尺度上连接并存，并协同完成样品制备、生物与化学反应、分离检测等一系列复杂的生化分析工作。最终可以把生物和化学等领域中所涉及的所有功能模块集成在一块几平方厘米的芯片上，直接应用于生物化学检测、环境快速检测等。但是，现有已经逐步开展应用的片上实验室，其核心的关键功能实现——微流体驱动，主要以压力驱动、热驱动等方式进行，需要从外界提供动力，驱动的流体量相对较大，流道驱动组件多、功耗高，且驱动方式不具有不同器件间的通用性，无法发挥作为微流体基本操作单元“液滴”的有效功能。因此，形成一种有效、易于操作的微流体平台级液滴操控方法，对后续片上实验室的发展，具有至关重要的作用。

基于介质上的电润湿效应(Electrowetting-On-Dielectric，EWOD)是在金属电极与电解液之间加入一层绝缘层薄膜，当在液体和电极之间施加一定的电压后，液固表面张力会发生可逆性的变化，这表现为液滴在固体表面接触角θ的变化。当液滴接触角θ发生对称均匀变化时，液滴在宏观上表现出从球形液滴铺展为液膜的过程。而如果接触角θ发生非对称变化时，就出出现两侧液滴两侧接触线处的表面张力出现梯度，进而使得液滴的发生迁移和运动，这也是在片上实验室中进行液滴操控的理论基础。

由原理可知，利用电润湿效应，通过电极的电压操作，可以在芯片上实现微小液滴的操控，具体的操控形成有迁移、分割、混合和震荡等。通过这些功能的组合，可以将各种生物、化学试验流程迁移到芯片上，从而实现片上实验室系统。生物、化学试验流程是较为复杂的过程，每一个过程都需要很多电极来实现，因此，片上实验室芯片实现的关键技术之一就是形成数量庞大的驱动电极，并按照要求给出驱动信号，用于驱动液滴按照要求进行操作。

电润湿原理与阵列化驱动电极板相结合，形成对液滴具有一定操控能力的数字微流控芯片，以生物液滴代替普通液滴，并将特定功能的生物试剂操作流程映射到数字微流控芯片上，就形成具备一定生物试剂处理功能的数字微流控芯片。如图1所示，为了避免微量试剂蒸发，数字生物芯片由盖板10、边框11和阵列化电极板12组成，三者组成的封闭空间供操纵试剂使用。生物试剂注入需要在盖板10上开特定的注液孔101，最终产物提取需要产物口102，过程废液需要废液口103。现有该类芯片最终产物和过程废液13的提取转移需要操作者手动操作，使用移液枪分别通过产物口102和废液口103将芯片内的最终产物或废液13抽吸出来。然而，芯片内空间由于填充有环境油，通过移液枪手动抽吸的方式废液和产物提取物中会有一定量的环境油被同时抽吸出来。一方面对产物的后续检测造成困难且破坏芯片内环境油量稳定性；另一方面，在盖板上设置产物口和废液口会造成芯片有效面积的浪费，且经过产物口和废液口提取后的芯片会因污染问题被直接作废不能二次使用，该类芯片为一次性使用耗材大大提高了实验成本。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种取消芯片上废液口和产物口，解决废液和产物提取中油残留和补充问题，保持芯片内油量稳定的具备废液及产物自动提取功能的微流控芯片。

本发明的另一目的在于提供一种上述微流控芯片的废液及产物自动提取方法。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种具备废液及产物自动提取功能的微流控芯片，包括盖板、边框、底板和提取装置，所述盖板通过所述边框与所述底板密封并在所述盖板和所述底板之间形成液滴流动的空间；所述底板上形成有用于驱动所述液滴在底板移动的电极；其中，所述提取装置包括抽吸单元、进液管和出液管，所述进液管和所述出液管密封固定在所述边框上，所述进液管的一端和所述出液管的一端伸入芯片内，所述抽吸单元的输入端与所述出液管的另一端连接，所述抽吸单元的输出端与所述进液管的另一端连接，所述抽吸单元经所述出液管将芯片内的废液或产物提取，并经所述进液管向芯片内补充油液。

进一步，所述提取装置还包括第一连接管和第二连接管，所述抽吸单元的输入端通过所述第一连接管与所述出液管连接，所述抽吸单元的输出端通过所述第二连接管连接，所述第一连接管用于容置提取的废液或产物，所述第二连接管容置有所述油液。

进一步，所述进液管和所述出液管为硬管，所述第一连接管和所述第二连接管为软管。

进一步，所述第一连接管内液体容积率大于待提取的废液或产物的体积，所述第二连接管内液体容积率大于待补充油液的体积。

进一步，所述进液管伸入芯片的一端设置在抽吸区内并定位在抽吸区内提取电极中心区域范围内。

进一步，所述抽吸单元为蠕动泵，所述蠕动泵从芯片内提取的废液或产物量等于向芯片内补充的油液量。

进一步，所述进液管和所述出液管的管内径小于400微米，所述蠕动泵的蠕动流量为0.5微升/秒。

进一步，还包括控制器，所述控制器根据所述进液管的管口处废液或产物通过时电极与盖板间电容自动控制抽吸单元启动或停止。

进一步，所述控制器包括第一检测单元和第二检测单元，所述第一检测单元在检测到电极与盖板间电容变化区域包围所述进液管的管口区域时启动所述抽吸单元，所述第二检测单元在检测到电极与盖板间电容值达到预设值时停止所述抽吸单元。

本发明第二方面提供一种微流控芯片内废液及产物的提取方法，利用第一方面所述的微流控芯片；

通过电极将芯片内废液或产物移动至进液管的管口处；

在废液或产物完全包裹所述进液管的管口后启动抽吸单元；

通过所述抽吸单元将芯片内产物或废液抽出，同时向芯片内输入油；

在产物或废液全部吸入至管内后停止抽吸单元，截取容置有产物或废液的管段并将管内产物或废液转移至容器中。

本发明通过在微流控芯片上设置抽吸单元，能够精确地将芯片内的废液或产物抽吸出来并同时向芯片内补充油量，避免芯片内油液随废液或产物同时被提取，提高了提取纯净度，保持芯片内油量稳定。此外，取消了盖板上设置废液提取口和产物提取口，提高了芯片有效利用面积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的微流控芯片的结构示意图；

图2为本发明一实施例的微流控芯片的结构示意图；

图3为本发明一实施例的微流控芯片内废液及产物提取方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图2所示，具备废液及产物自动提取功能的微流控芯片，包括盖板20、边框21、底板22和提取装置，所述盖板20通过所述边框21与所述底板22密封并在所述盖板20和所述底板22之间形成液滴流动的空间；所述底板22上形成有用于驱动所述液滴在底板22移动的电极221；其中，所述提取装置包括抽吸单元23、进液管24和出液管25，所述进液管24和所述出液管25密封固定在所述边框21上，所述进液管24的一端和所述出液管25的一端伸入芯片内，所述抽吸单元23的输入端与所述出液管25的另一端连接，所述抽吸单元23的输出端与所述进液管24的另一端连接，所述抽吸单元23经所述出液管25将芯片内的废液或产物提取，并经所述进液管24向芯片内补充油液。抽吸单元23通过进液管24和出液管25连接在微流控芯片上，控制抽吸单元23启动和停止的时间能够精准地将芯片内的废液或产物自动提取出来，并且可以在提取废液或产物的同时向芯片内补充油液，保持芯片内油量稳定。

在本发明一优选实施例中，所述提取装置还包括第一连接管26和第二连接管27，所述抽吸单元23的输入端通过所述第一连接管26与所述出液管25连接，所述抽吸单元23的输出端通过所述第二连接管27连接，所述第一连接管26用于容置提取的废液或产物，所述第二连接管27容置有所述油液。本实施例中抽吸单元与进液管和出液管之间分别通过第一连接管和第二连接管连接，抽吸出来的废液或产物以及待补充油液分别容置在第一连接管和第二连接管中，转移废液或产物时仅需要截取第一连接管，在进行下次抽吸动作时仅需要更换第一连接管即可以继续使用，方便了提取装置的重复使用。其中。所述进液管24和所述出液管25为硬管，所述第一连接管26和所述第二连接管27为软管。进液管24和出液管25采用硬管方便进液管和出液管与边框密封固定，第一连接管26和第二连接管27采用软管便于后续的截取操作以及降低占用空间。所述第一连接管26内液体容积率大于待提取的废液或产物的体积，为芯片内抽吸的全部废液或产物提供足够的容置空间。所述第二连接管27内液体容积率大于待补充油液的体积，为待补充油液提供足够的容置空间。需要说明的是，本实施例仅是优选方案，抽吸单元的输入端和输出端也可以直接与出液管和进液管连接。

在本发明一实施例中，所述进液管24伸入芯片的一端设置在抽吸区内并定位在抽吸区内提取电极中心区域范围内。通常芯片内抽吸区被设置在芯片内一端，芯片内另一端为补油区。抽吸区内底板上的提取电极主要用于移动废液或产物，通过在提取电极上施加电压可以将废液或产物移动至抽吸区内进液管的管口处，保证废液或产物能够完全包裹住进液管的管口，防止高粘度目标液体在抽取过程中因液滴外围一侧受力拉扯与管口脱离，造成抽取失败。

在本发明一实施例中，所述抽吸单元23为蠕动泵，所述蠕动泵从芯片内提取的废液或产物量等于向芯片内补充的油液量。蠕动泵可以在不与废液及产物接触将其从芯片内抽吸出来，可以避免抽吸中的二次污染，影响后续检测的精准度。

在本发明一实施例中，所述进液管24和所述出液管25的管内径小于400微米，所述蠕动泵的蠕动流量为0.5微升/秒。在此流量下可以防止抽吸过速导致压力不均断流和操作过量，方便抽吸单元的控制。

在本发明一实施例中，微流控芯片还包括控制器，所述控制器根据所述进液管24的管口处废液或产物通过时电极与盖板20间电容自动控制抽吸单元23启动或停止。其中，所述控制器包括第一检测单元和第二检测单元，所述第一检测单元在检测到电极与盖板20间电容变化区域包围所述进液管24的管口区域时启动所述抽吸单元23，此时视为出液管的管口完全插入废液或产物液滴中，可以防止抽吸目标液体同时将芯片内油液一起抽吸出来，保证了抽吸废液或产物液滴的纯净度。所述第二检测单元在检测到提取电极与盖板20间电容值达到预设值时停止所述抽吸单元23。该预设值为仅有环境油时电极与盖板20间电容值，在电极与盖板20之间电容值恢复至预设值时表示废液或产物液滴已经被完全抽吸，可以自动控制停止抽吸单元工作。

如图3所示，本发明第二方面提供一种微流控芯片内废液及产物的提取方法，利用上述的微流控芯片进行芯片内的废液及产物提取操作。包括如下步骤：

步骤S310：通过电极将芯片内废液或产物移动至进液管的管口处；

步骤S320：在废液或产物完全包裹所述进液管的管口后启动抽吸单元；

步骤S330：通过所述抽吸单元将芯片内产物或废液抽出，同时向芯片内输入油；

步骤S340：在产物或废液全部吸入至管内后停止抽吸单元，截取容置有产物或废液的管段并将管内产物或废液转移至容器中。

在芯片上利用数字微流控技术对液滴的精准操控能力，将产物或废液移动至输出管端口，启动抽吸单元缓慢将产物或废液抽出，同时在另一端输入油，由蠕动泵原理，输入输出量相等。适当选取管长，确保特定管区内的载量满足废液及产物体积需求。在产物提取时，将产物吸入细管内，视管内油与产物的液体界面，选靠近界面的产物液体处截断细管，反向推动液体即可将产物由管内推至容器，精确控制反推量，即可完成精确产物提取。该结构可有效解决产物油残留问题，避免后续检测过程中的油堵塞情况。

综上，本发明通过在微流控芯片上设置抽吸单元，能够精确地将芯片内的废液或产物抽吸出来并同时向芯片内补充油量，避免芯片内油液随废液或产物同时被提取，提高了提取纯净度，保持芯片内油量稳定。此外，取消了盖板上设置废液提取口和产物提取口，提高了芯片有效利用面积。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具备废液及产物自动提取功能的微流控芯片，其特征在于，包括盖板、边框、底板、提取装置和控制器，所述盖板通过所述边框与所述底板密封并在所述盖板和所述底板之间形成液滴流动的空间；所述底板上形成有用于驱动所述液滴在底板移动的电极；其中，所述提取装置包括抽吸单元、进液管和出液管，所述进液管和所述出液管密封固定在所述边框上，所述进液管的一端和所述出液管的一端伸入芯片内，所述抽吸单元的输入端与所述出液管的另一端连接，所述抽吸单元的输出端与所述进液管的另一端连接，所述抽吸单元经所述出液管将芯片内的废液或产物提取，并经所述进液管向芯片内补充油液；所述出液管伸入芯片的一端设置在抽吸区内并定位在抽吸区内提取电极中心区域范围内；所述抽吸单元为蠕动泵，所述蠕动泵从芯片内提取的废液或产物量等于向芯片内补充的油液量；所述控制器根据所述出液管的管口处废液或产物通过时电极与盖板间电容自动控制抽吸单元启动或停止；所述控制器包括第一检测单元和第二检测单元，所述第一检测单元在检测到电极与盖板间电容变化区域包围所述出液管的管口区域时启动所述抽吸单元，所述第二检测单元在检测到电极与盖板间电容值达到预设值时停止所述抽吸单元。

2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述提取装置还包括第一连接管和第二连接管，所述抽吸单元的输入端通过所述第一连接管与所述出液管连接，所述抽吸单元的输出端通过所述第二连接管与所述进液管连接，所述第一连接管用于容置提取的废液或产物，所述第二连接管容置有所述油液。

3.如权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述进液管和所述出液管为硬管，所述第一连接管和所述第二连接管为软管。

4.如权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一连接管内液体容积率大于待提取的废液或产物的体积，所述第二连接管内液体容积率大于待补充油液的体积。

5.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述进液管和所述出液管的管内径小于400微米，所述蠕动泵的蠕动流量为0.5微升/秒。

6.一种微流控芯片内废液及产物的提取方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的微流控芯片；

通过电极将芯片内废液或产物移动至出液管的管口处；

在废液或产物完全包裹所述出液管的管口后启动抽吸单元；

通过所述抽吸单元将芯片内产物或废液抽出，同时向芯片内输入油；

在产物或废液全部吸入至管内后停止抽吸单元，截取容置有产物或废液的管段并将管内产物或废液转移至容器中。