CN115400808A - 一种微流控芯片流量精确控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流控芯片液体流量精确控制装置，所述微流控芯片包括主体；加入腔，所述加入腔设有至少二个；收集腔，所述收集腔设有至少一个；流体通道，所述流体通道横设在所述主体内部，且通过一开口与所述加入腔和所述收集腔连通；所述控制装置包括一测控组件和与所述加入腔相适配的液位补偿组件；其中，所述加入腔设置在所述主体顶部；所述收集腔设置在所述主体底部；所述收集腔设有一控制阀。通过微流控芯片和控制装置配合使用的方法。使得控制精准，结构简单，降低了生产使用成本，控制的稳定性好，且体积紧凑，易于安装维护。
Description
技术领域
本发明涉及实验室生物检测装置领域，尤其是涉及利用微流控芯片的生物检测装置；该检测装置具有控制装置，用于精确控制微流控芯片的流量。
背景技术
微流控技术是把生物化学、检验检测、医学分析过程的样品制备、反应、检测等基本操作单元集成到一块微米或纳米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。近年来由于微流控技术在生物、化学、医学等领域发挥的巨大潜力，已经发展成为一个生命科学和医学检测领域的重要分支技术。
利用微流控技术，研究人员设计出实现不同功能的微流控芯片，用于完成传统实验室技术无法或较困难实现的实验现象，例如：微液滴反应体系、单细胞悬液制备、数字PCR检测、细胞筛选、稀有细胞捕获、药物递送、微化学反应器等。上述技术已广泛应用于生物化学反应、科学研究及医学检测等新兴技术领域，并诞生出很多新的商业产品和科学仪器及工具。不同于传统流体系统的操控原理，微流控芯片中要实现上述功能，需要对所控制反应体系的驱动压力及体积流量进行精准控制，其压力控制的准确性及稳定性要求都远远高于传统流体系统控制。
在实验室和科学研究中，上述微流控芯片通常利用精密注射泵或带有压力传感器和精确反馈系统的压力控制器来完成。但是这类设备成本昂贵且不易应用于工业化产品中。
发明内容
为了解决上述技术问题；本发明提供了一种通过微流控芯片和控制装置配合使用的方法。使得控制精准，结构简单，降低了生产使用成本，控制的稳定性好，且体积紧凑，易于安装维护。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种微流控芯片液体流量精确控制装置，所述微流控芯片包括主体；加入腔，所述加入腔设有至少二个；收集腔，所述收集腔设有至少一个；流体通道，所述流体通道横设在所述主体内部，且通过一开口与所述加入腔和所述收集腔连通；所述控制装置包括一测控组件和与所述加入腔相适配的液位补偿组件；其中，所述加入腔设置在所述主体顶部；所述收集腔设置在所述主体底部；所述收集腔设有一控制阀。上述加入腔和上述收集腔数量的设置，根据实际实验要求决定，灵活多用；上述加入腔和上述收集腔均通过上述开口与上述流体通道连通，上述加入腔设置在上述主体的顶部，收集腔设置在主体的底部，该设置使得上述加入腔内的液体与流体通道和收集腔内的液体始终产生高度差，通过高度差所产生的流体静压力作为驱动源，可以实现精确控制的微小压力来驱动微流控芯片内的液体流动；在反应进行过程中，加入腔内的液体会流出液位下降，进而使得微流控芯片的驱动压力减小，此时通过上述液位补偿组件能够对加入腔内的液体进行补偿，使加入腔内的液体高度始终保持在所要求的波动范围之内；利用液位高度差所产生的流体静压力来驱动微流控芯片中的流体运动，无需精密注射泵等昂贵设备便可产生微小量级的精密压力输出，简单有效，成本低，且利用常规流体元件对反应液加入腔进行液位补偿，保持实验过程中驱动压力的稳定性。
进一步的，所述液位补偿组件包括一储液瓶、用于所述储液瓶和所述加入腔连接的液体管、设置在所述储液瓶一侧的压力驱动单元和用于所述压力驱动单元与所述储液瓶连接的气体管；所述液体管靠近所述加入腔的一端悬设在所述加入腔内液体上方。上述液位补偿组件与上述加入腔一一对应，即一个加入腔对应一组液位补偿组件，能够更精确的控制；在上述压力驱动单元的作用下，通过上述气体管对上述储液瓶内进行压缩，储液瓶内的液体受压后通过上述液体管对加入腔内进行补偿，结构简单，使用方便，保证了实验过程中驱动压力的稳定性，且上述液体管与上述加入腔内的液体之间有一定的距离设置，由于上述液体管与大气连通，补偿的液体经过上述液体管流出后在重力作用下进入上述加入腔内，液体管内的驱动压力和压力波动不会对微流控芯片内的驱动力产生影响，保证了控制的稳定。
进一步的，所述加入腔的底部通过一竖管与所述开口连接。上述竖管的尺寸远远小于上述加入腔的尺寸，因此上述竖管内的液体体积相对于上述加入腔可以忽略，在不增加加入腔内反应液体积的情况下，上述竖管的设置使得加入腔内的页面与流体通道内的液面高度差增大，从而增大了驱动微流控芯片所需的驱动压力。
进一步的，所述加入腔截面呈矩形或上宽下窄设置。灵活设置，矩形设置方便加工，上宽下窄设置，加入腔的截面积由上到下逐渐减小，在相同液体体积流量流出加入腔的情况下，该设置可以明显减小液面高度变化的范围，从而减小驱动微流控芯片的压力的波动范围。
进一步的，所述测控组件包括一设置在所述加入腔周侧且与所述液位补偿组件相适配的传感器。该传感器能够对加入腔内反应液液位的变化进行实时监测，并将监测信号反馈给控制器，控制器得到传感器发出的信号后对液位补偿组件进行控制，可以对加入腔提供更加精确的液位补偿。
进一步的，所述压力驱动单元为蠕动泵或注射泵或隔膜泵。利用常规流体元件对反应液加入腔进行液位补偿，保持实验过程中驱动压力的稳定性，降低了生产使用成本。
进一步的，还包括一微流控芯片液体流量精确控制方法，包括如下步骤： （1）实验前对微流控芯片中的反应液在反应过程中所需的体积流量进行估算，并估算所需各反应液的体积； （2）选择或制作合适的微流控芯片，并设置液位补偿组件的参数； （3）分别向加入腔内加入所需反应液； （4）打开控制阀和液位补偿组件，开始反应； （5）反应完成后关闭控制阀和液位补偿组件，对收集腔内的反应生成物进行收集； （6）整理。
与现有技术相比，本发明的优点是：控制精准，结构简单，降低了生产使用成本，控制的稳定性好，且体积紧凑，易于安装维护。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明反应过程示意图。
图3为本发明补偿过程示意图。
图4为本发明另一实施例补偿过程示意图。
图5为本发明一种微流控芯片结构示意图。
图6为本发明一种加入腔结构示意图。
图中：
1、微流控芯片；2、主体；3、加入腔；4、收集腔；5、流体通道；6、开口；7、测控组件；8、液位补偿组件；9、控制阀；10、储液瓶；11、液体管；12、压力驱动单元；13、气体管；14、竖管。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1、图2和图3为本发明一种微流控芯片流量精确控制装置及方法实施例，在本实施例中，上述微流控芯片1包括主体2，在该主体2的顶部设有加入腔3，在上述主体2的底部设有收集腔4，在本实施例中，上述加入腔3设有两个，收集腔4设有一个，在别的实施例中也可以是别的数量设置，根据实际实验需求决定，这里不再赘述；在上述主体2的内部设有一流体通道5，该流体通道5通过一开口6于上述加入腔3和上述收集腔4连通，上述收集腔4设有一控制阀9；上述控制装置包括一测控组件7和与上述加入腔3相适配的液位补偿组件8；在本实施例中，上述测控组件7包括一设置在上述加入腔3周侧且与上述液位补偿组件8相适配的传感器，该传感器能够对加入腔3内反应液液位的变化进行实时监测，并将监测信号反馈给控制器，控制器得到传感器发出的信号后对液位补偿组件8进行控制，可以对加入腔3提供更加精确的液位补偿；上述加入腔3的截面呈矩形设置，上述液位补偿组件8包括一储液瓶10、用于上述储液瓶10和上述加入腔3连接的液体管11、设置在上述储液瓶10一侧的压力驱动单元12和用于上述压力驱动单元12与上述储液瓶10连接的气体管13；本实施例中，上述压力驱动单元12为蠕动泵，在别的实施例中也可以是注射泵或隔膜泵等设置，利用常规流体元件对反应液加入腔3进行液位补偿，保持实验过程中驱动压力的稳定性，降低了生产使用成本；上述液体管11靠近上述加入腔3的一端悬设在上述加入腔3内液体上方；上述加入腔3和上述收集腔4均通过上述开口6与上述流体通道5连通，上述加入腔3设置在上述主体2的顶部，收集腔4设置在主体2的底部，该设置使得上述加入腔3内的液体与流体通道5和收集腔4内的液体始终产生高度差，通过高度差所产生的流体静压力作为驱动源，可以实现精确控制的微小压力来驱动微流控芯片1内的液体流动；在反应进行过程中，加入腔3内的液体会流出液位下降，进而使得微流控芯片1的驱动压力减小，此时通过上述液位补偿组件8能够对加入腔3内的液体进行补偿，使加入腔3内的液体高度始终保持在所要求的波动范围之内，进而保证实验反应的稳定，例如在微液滴生成实验中，通过上述设置，各反应液流动稳定，保证微液滴形成的质量；利用液位高度差所产生的流体静压力来驱动微流控芯片1中的流体运动，无需精密注射泵等昂贵设备便可产生微小量级的精密压力输出，简单有效，成本低，且利用常规流体元件对反应液加入腔3进行液位补偿，保持实验过程中驱动压力的稳定性；在上述压力驱动单元12的作用下，通过上述气体管13对上述储液瓶10内进行压缩，储液瓶10内的液体受压后通过上述液体管11对加入腔3内进行补偿，结构简单，使用方便，保证了实验过程中驱动压力的稳定性，且上述液体管11与上述加入腔3内的液体之间有一定的距离设置，由于上述液体管11与大气连通，补偿的液体经过上述液体管11流出后在重力作用下进入上述加入腔3内，液体管11内的驱动压力和压力波动不会对微流控芯片1内的驱动力产生影响，保证了控制的稳定；本实施例中，上述收集腔4可以是通过一可拆卸结构设置在上述主体2上，也可以在上述收集腔4上设置一个可打开的收集口，以便反应完成后实验人员对收集腔4内的反应生成物进行收集，在别的实施例中也可以是别的形式的设置，这里不再赘述，不仅限于此；基于上述设计，在反应开始前在加入腔3内的反应液与流体通道5和收集腔4之间的液体会产生一个液位高度差，由此产生的流体静压力为：
P
h
=ρgh
其中P h 为流体静压力，ρ为反应液的密度，g为重力加速度，h为反应液加入腔3内液面的位置与流体通路内液面位置的高度差。
使用时，对微流控芯片1中的反应液在反应过程中所需的体积流量进行估算，并估算所需各反应液的体积，选择合适的微流控芯片1，并设置液位补偿组件8的参数；分别向加入腔3内加入所需反应液，打开上述控制阀9开始反应，如图1上述，反应一段时间后，加入腔3内的液位下降，如图2上述，在上述传感器的检测下，上述压力驱动单元12开始工作，将储液瓶10内的液体补偿至上述加入腔3内，如图3所示，直到加入腔3内的液位恢复高度，保证该液位高度始终在要求范围内；反应完成后关闭控制阀9和液位补偿组件8，对收集腔4内的反应生成物进行收集，并对实验室进行整理。
参见图4，另一实施例中，基础部分与上述实施例一致，这里不再赘述，本实施例中，反应液为较珍贵物质或难以获得的珍惜样本时，加入腔3和上述储液瓶10内的液体为两种不同物质，其密度相同或接近，但是为两种互不相容物质。
参见图5，另一实施例中，基础部分与上述实施例一致，这里不再赘述，本实施例中，上述加入腔3的底部通过一竖管14与上述开口6连接，上述竖管14的尺寸远远小于上述加入腔3的尺寸，因此上述竖管14内的液体体积相对于上述加入腔3可以忽略，在不增加加入腔3内反应液体积的情况下，上述竖管14的设置使得加入腔3内的页面与流体通道5内的液面高度差增大，从而增大了驱动微流控芯片1所需的驱动压力。
参见图6，另一实施例中，基础部分与上述实施例一致，这里不再赘述，本实施例中，上述加入腔3的截面呈上宽下窄设置，加入腔3的截面积由上到下逐渐减小，在相同液体体积流量流出加入腔3的情况下，该设置可以明显减小液面高度变化的范围，从而减小驱动微流控芯片1的压力的波动范围。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (10)
1.一种微流控芯片液体流量精确控制装置，其特征在于：所述微流控芯片包括 主体；加入腔，所述加入腔设有至少二个； 收集腔，所述收集腔设有至少一个； 流体通道，所述流体通道横设在所述主体内部，且通过一开口与所述加入腔和所述收集腔连通； 所述控制装置包括一测控组件和与所述加入腔相适配的液位补偿组件； 其中，所述加入腔设置在所述主体顶部；所述收集腔设置在所述主体底部；所述收集腔设有一控制阀。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片液体流量精确控制装置，其特征在于：所述液位补偿组件包括一储液瓶、用于所述储液瓶和所述加入腔连接的液体管、设置在所述储液瓶一侧的压力驱动单元和用于所述压力驱动单元与所述储液瓶连接的气体管；所述液体管靠近所述加入腔的一端悬设在所述加入腔内液体上方。
3.根据权利要求1或2所述的微流控芯片液体流量精确控制装置，其特征在于：所述加入腔的底部通过一竖管与所述开口连接。
4.根据权利要求1或2所述的微流控芯片液体流量精确控制装置，其特征在于：所述加入腔截面呈矩形或上宽下窄设置。
5.根据权利要求3所述的微流控芯片液体流量精确控制装置，其特征在于：所述加入腔截面呈矩形或上宽下窄设置。
6.根据权利要求1或2所述的微流控芯片液体流量精确控制装置，其特征在于：所述测控组件包括一设置在所述加入腔周侧且与所述液位补偿组件相适配的传感器。
7.根据权利要求3所述的微流控芯片液体流量精确控制装置，其特征在于：所述测控组件包括一设置在所述加入腔周侧且与所述液位补偿组件相适配的传感器。
8.根据权利要求4所述的微流控芯片液体流量精确控制装置，其特征在于：所述测控组件包括一设置在所述加入腔周侧且与所述液位补偿组件相适配的传感器。
9.根据权利要求2所述的微流控芯片液体流量精确控制装置，其特征在于：所述压力驱动单元为蠕动泵或注射泵或隔膜泵。
10.一种微流控芯片液体流量精确控制方法，其特征在于：所述方法采用权利要求1-9任一所述的微流控芯片液体流量精确控制装置，包括如下步骤： （1）实验前对微流控芯片中的反应液在反应过程中所需的体积流量进行估算，并估算所需各反应液的体积； （2）选择或制作合适的微流控芯片，并设置液位补偿组件的参数； （3）分别向加入腔内加入所需反应液； （4）打开控制阀和液位补偿组件，开始反应； （5）反应完成后关闭控制阀和液位补偿组件，对收集腔内的反应生成物进行收集； （6）整理。
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