CN115591592A - 微流体阀控系统以及微流控芯片 - Google Patents

微流体阀控系统以及微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微流体阀控系统以及微流控芯片。微流体阀控系统包括第一毛细通道，第一毛细通道用于连接在微流控芯片的第一腔体与第二腔体之间，其中，0.5mm≤第一毛细通道的长度L1≤20mm，0.01mm≤第一毛细通道的宽度W1≤2mm，0.01mm≤第一毛细通道的深度H1≤2mm。本发明的微流体阀控系统依靠至少一组毛细通道与上下游腔室的适当组合编排配置，因毛细通道的不同三维尺寸会表现出不同的液体表面张力和流体阻力，这些差异可实现作为阀控单元的功能，再配合适当大小的离心力驱动，实现芯片内微流体时序位置控制，即在确定的时间段内让液体处于腔体内被阻隔状态或液体从上游腔体向下游腔体转移状态。

Description

微流体阀控系统以及微流控芯片
技术领域
本发明涉及微流控领域，特别是涉及一种微流体阀控系统以及微流控芯片。
背景技术
目前对样本检测采用的自动化分析仪器大多是将分析流程中的采样、试剂注入、样本/试剂混匀、恒温孵育、信号检测、结果数据处理输出等步骤模仿手工操作流程后演化为自动化机械去实现，但是自动化会导致自动化分析设备体积庞大、设备复杂程度高、价格昂贵，且容易出现故障，需要频繁定期的进行维护和保养；同时，很多时候由于样本特殊性如传染性强、易污染、易失活等，往往需要专业化的检测环境支撑如大型医院的中心实验室、P2/P3实验室等。操作上，由于设备专业化程度高、实验操作专业化要求程度高，综合导致了进行设备操作的人员需要具备极强的专业化素质，对整个操作流程(仪器+手工)非常熟悉，且对可能导致检测失败或结果不可靠的潜在风险有一定的预判和规避能力，能够临时应对各种突发情况。可见，传统的自动化分析仪器导致检测成本高，检测效率低、检测可控性差，且无法适应和满足现场采样分析检测、快速检测或患者自测等需求。
目前国内外已有很多公司开始将样本检测与微流控技术相结合，利用微流控技术能够高集成、小型化的优势，将传统的自动化分析仪器检测缩小，使得试剂和样本用量双重减小，降低检测成本。同时，微流控芯片作为一个相对封闭且高集成化的反应载体，更容易防止检测过程的交叉污染，且极大降低与之配合的仪器尺寸和复杂程度要求，从而减少人工干预误差和设备维护成本。集成化的微流控芯片要实现检测功能，需要将液体在特定时间固定或转移至特定的位置，并根据检测方法学要求，依次完成试剂混合、样品反应、产生可被检测的信号等过程，而这三个流程由于检测对象的不同往往需要区分开，且是串行流程关系，即彻底完成前一个步骤后才会进入下一个步骤，所以在每个步骤运行过程中即需要芯片内一些特殊的结构和部件能够阻止液体的前进、溢出等，从而避免提前触发后续流程或不同步骤试剂提前互混所导致的流程错误或反应结果异常。常见的微流控阻隔结构，如：蜡阀、机械阀或可溶性膜阀等。上述三种类型阀门，均需要在芯片制备过程额外向芯片内增加部件或较为复杂且不易实现的工序，同时蜡阀或可溶性膜阀仅为单次阀，无法实现阀门的重复使用以及复杂的多阀门组合功能，这种昂贵的结构对于复杂的试剂检测来说可用性就大为降低。机械阀阀门虽然可实现阀门的多次使用，但可操作性不强，需要额外增加设备部件配合使用，若需要实现多级阀控需要，则除芯片本身复杂程度增加外设备复杂度和多级阀系统的控制难度也随之增加，系统到的重复性和稳定性不足。
发明内容
基于此，有必要针对传统的大型设备机械液体转移系统难维护、易污染、微小液体定量困难、多种流体无法同时实现同时操控等问题以及现下其他微流体控制中蜡阀或可溶性膜阀无法实现阀门的重复使用以及复杂的多阀门组合功能可用性低、机械阀阀门可操作性差、需要额外增加设备部件配合使用的问题，提供一种微流体阀控系统。
一种微流体阀控系统，包括第一毛细通道，所述第一毛细通道用于连接在微流控芯片的第一腔体与第二腔体之间，其中，0.5mm≤所述第一毛细通道的长度L1≤20mm，0.01mm≤所述第一毛细通道的宽度W1≤2mm，0.01mm≤所述第一毛细通道的深度H1≤2mm。
在其中一些实施例中，所述微流体阀控系统还包括第二毛细通道...第N毛细通道，其中，N≥2，所述第一毛细通道用于连接在微流控芯片的第一腔体与微流控芯片的第二腔体之间，所述第二毛细通道用于连接在所述第二腔体与微流控芯片的第三腔体之间，所述第N毛细通道用于连接在微流控芯片的第N腔体与微流控芯片的第N+1腔体之间，其中，所述第一腔体、所述第二腔体...所述第N腔体以及所述第N+1腔体由旋转中心向外依次顺序分布，其中，0.5mm≤所述第一毛细通道的长度L1≤所述第二毛细通道的长度L2≤...≤所述第N毛细通道的长度LN≤20mm，2mm≥所述第一毛细通道的宽度W1≥所述第二毛细通道的宽度W2≥...≥所述第N毛细通道的宽度WN≥0.01mm，2mm≥所述第一毛细通道的深度H1≥所述第二毛细通道的深度H2≥...≥所述第N毛细通道的深度HN≥0.01mm。
在其中一些实施例中，所述微流体阀控系统还包括第一气道、第二气道...第N气道，所述第一气道用于连接所述第二腔体，所述第二气道用于连接所述第三腔体，所述第N气道用于连接在所述第N+1腔体。
在其中一些实施例中，所述微流体阀控系统还包括支路毛细通道，所述支路毛细通道的一端用于连接微流控芯片的液体入口，所述支路毛细通道的另一端用于连接微流控芯片的第M腔体，其中，2≤M≤N，所述支路毛细通道的长度L毛≥同一径向位置的第M腔体相连的第M-1毛细通道的长度L(M-1)；所述支路毛细通道的宽度W毛≥同一径向位置的第M腔体相连的第M-1毛细通道的宽度W(M-1)；所述支路毛细通道的深度H毛≥同一径向位置的第M腔体相连的第M-1毛细通道的深度H(M-1)。
在其中一些实施例中，所述第一毛细通道呈直线型结构、曲线型结构或者迂回弯曲型结构；和/或
所述第二毛细通道呈直线型结构、曲线型结构或者迂回弯曲型结构；和/或
...
和/或，所述第N毛细通道呈直线型结构、曲线型结构或者迂回弯曲型结构。
在其中一些实施例中，控制液体试剂从上游腔体向下游腔体的转移时的离心参数范围包括，移液离心参数：离心旋转速度100rpm-2000rpm；加减速度500-20000rpm/s；混匀离心参数：离心旋转速度100rpm-2000rpm；加减速度500-20000rpm/s；摆动角度10°-3600°；摆动停顿时间0-10000ms；摆动次数0-1000次。
本发明的另一目的还在于提供一种微流控芯片。
一种微流控芯片，包括芯片基板以及所述的微流体阀控系统，所述芯片基板包括第一腔体、第二腔体...第N+1腔体，所述第一腔体、所述第二腔体...所述第N腔体以及所述第N+1腔体由芯片基板的旋转中心向外依次顺序分布，所述第一毛细通道连接在微流控芯片的第一腔体与第二腔体之间，所述第二毛细通道连接在所述第二腔体与微流控芯片的第三腔体之间，所述第N毛细通道连接在微流控芯片的第N腔体与微流控芯片的第N+1腔体之间。
在其中一些实施例中，所述芯片基板上设置有气孔，所述微流体阀控系统的第一气道、第二气道...第N气道连通所述气孔。
在其中一些实施例中，所述微流体阀控系统的第一气道、第二气道...第N气道分别与一个所述气孔连通，或者，所述微流体阀控系统的第一气道、第二气道...第N气道中的一个或者几个共用一个所述气孔连通。
在其中一些实施例中，相对于所述芯片基板的底面，所述第一毛细通道的高度、所述第二毛细通道的高度...所述第N毛细通道的高度相同。
在其中一些实施例中，所述第一毛细通道的高度、所述第二毛细通道的高度...所述第N毛细通道中至少一个靠近于所述芯片基板的上表面，所述第一毛细通道的高度、所述第二毛细通道的高度...所述第N毛细通道中至少一个靠近于所述芯片基板的下表面。
上述的微流体阀控系统，依靠至少一组毛细通道(具有一定的长度和形状且横截面积和所连腔室横截面积的巨大差异)与上下游腔室的适当组合编排配置，因毛细通道的不同三维尺寸会表现出不同的液体表面张力和流体阻力，这些差异可实现作为阀控单元的功能，再配合适当大小的离心力驱动，实现芯片内微流体时序位置控制，即在确定的时间段内让液体处于腔体内被阻隔状态或液体从上游腔体向下游腔体转移状态。本发明的微流体阀控系统解决了目前已有技术中需要在微流控芯片制备过程中额外向芯片内增加部件或较为复杂且不易实现的工序来实现阀门控制的难题；本发明的微流体阀控系统科通过多个毛细通道组合和搭配能够实现单次阀无法实现的阀门重复使用功能，且实现过程简单，能够彼此组合实现系统性联动流体复杂控制，有更强的操作性，解决现有技术部分阀门需要额外增加设备部件配合才能使用、芯片和设备结构复杂、阀门重复性和稳定性不足等缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对本领域技术人员来说，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。
为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行说明。其中，在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。
图1为本发明一实施例所述的微流控芯片部分结构示意图；
图2为本发明一实施例所述的微流控芯片部分结构示意图；
图3为本发明一实施例所述的微流控芯片部分结构示意图；
图4为本发明一实施例所述的微流控芯片部分结构示意图；
图5为本发明一实施例所述的毛细通道结构示意图；
图6为本发明一实施例所述的毛细通道结构示意图；
图7为本发明一实施例所述的毛细通道结构示意图；
图8为本发明一实施例所述的微流控芯片剖面部分结构示意图；
图9为本发明一实施例所述的微流控芯片剖面部分结构示意图；
图10为本发明一实施例所述的微流控芯片剖面部分结构示意图；
图11为本发明一实施例所述的微流控芯片剖面部分结构示意图。
附图标记说明
101、第一腔体；102、第二腔体；103、第三腔体；104、第四腔体；
201、第一毛细通道；202、第二毛细通道；203、第三毛细通道；204、第四毛细通道；
301、第一气道；302、第二气道；303、第三气道；
401、气孔；
501、第一分支腔体；502、第二分支腔体；
600、支路毛细通道；601、第一支路通道；602、第二支路通道；
701、第一分支气道；
801、第一液囊/第一液袋；802、第二液囊/第二液袋；
901、第一液体入口；902、第二液体入口；
21、第一冻干试剂组；22、第二冻干试剂组；23、第三冻干试剂组。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
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”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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；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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请实施例提供一种微流体阀控系统，以解决传统的蜡阀或可溶性膜阀无法实现阀门的重复使用以及复杂的多阀门组合功能的可用性低，机械阀阀门可操作性差、需要额外增加设备部件配合使用的问题。以下将结合附图对进行说明。
本申请实施例提供的微流体阀控系统，示例性的，请参阅图1所示，图1为本申请实施例提供的微流控芯片部分结构示意图。本申请的微流体阀控系统能够用于微流控芯片的阀门控制用途，具体地，本申请的微流体阀控系统能够应用于微流体控制，包括但不限于对流体的引流、阻隔、转移、混合、释放等，本申请的微流体阀控系统可替代传统大型移液设备、平台或工作站。
为了更清楚的说明微流体阀控系统的结构，以下将结合附图对微流体阀控系统进行介绍。
示例性的，请参阅图1所示，一种微流体阀控系统，包括第一毛细通道201，第一毛细通道201用于连接在微流控芯片的第一腔体101与第二腔体102之间，其中，0.5mm≤第一毛细通道201的长度L1≤20mm，0.01mm≤第一毛细通道201的宽度W1≤2mm，0.01mm≤第一毛细通道201的深度H1≤2mm。
在其中一些实施例中，微流体阀控系统还包括第二毛细通道202...第N毛细通道，其中，N≥2，第一毛细通道201用于连接在微流控芯片的第一腔体101与微流控芯片的第二腔体102之间，第二毛细通道202用于连接在第二腔体102与微流控芯片的第三腔体103之间，第N毛细通道用于连接在微流控芯片的第N腔体与微流控芯片的第N+1腔体之间，其中，第一腔体101、第二腔体102...第N腔体以及第N+1腔体由旋转中心向外依次顺序分布，其中，0.5mm≤第一毛细通道201的长度L1≤第二毛细通道202的长度L2≤...≤第N毛细通道的长度LN≤20mm，2mm≥第一毛细通道201的宽度W1≥第二毛细通道202的宽度W2≥...≥第N毛细通道的宽度WN≥0.01mm，2mm≥第一毛细通道201的深度H1≥第二毛细通道202的深度H2≥...≥第N毛细通道的深度HN≥0.01mm。
优选地，0.5mm≤第一毛细通道201的长度L1≤第二毛细通道202的长度L2≤...≤第N毛细通道的长度LN≤20mm，0.01mm≤第一毛细通道201的宽度W1＝第二毛细通道202的宽度W2＝...＝第N毛细通道的宽度WN≤2mm，2mm≥第一毛细通道201的深度H1≥第二毛细通道202的深度H2≥...≥第N毛细通道的深度HN≥0.01mm。
在其中一些实施例中，微流体阀控系统还包括设置在芯片基板上的第一气道301、第二气道302...第N气道，第一气道301用于连接第二腔体102，第二气道302用于连接第三腔体103，第N气道用于连接在第N+1腔体。
在其中一些实施例中，参见图3所示，微流体阀控系统还包括设置在芯片基板上的支路毛细通道600。支路毛细通道600的一端用于连接微流控芯片的液体入口，支路毛细通道600的另一端用于连接微流控芯片的第M腔体，其中，2≤M≤N。支路毛细通道600的长度L毛≥同一径向位置的第M腔体相连的第M-1毛细通道的长度L(M-1)。支路毛细通道600的宽度W毛≥同一径向位置的第M腔体相连的第M-1毛细通道的宽度W(M-1)；支路毛细通道600的深度H毛≥同一径向位置的第M腔体相连的第M-1毛细通道的深度H(M-1)。也即是说，在微流控芯片的芯片基板上，围绕芯片基板的旋转中心，半径相同位置处的第N毛细通道的长度不大于该位置(同一径向位置，参见图4中虚线所示半径轨迹)上的支路毛细通道600的长度，半径相同位置处的第N毛细通道的宽度不大于该位置(同一径向位置)上的支路毛细通道600的宽度，半径相同位置处的第N毛细通道的深度不大于该位置(同一径向位置)上的支路毛细通道600的深度。
在其中一些实施例中，参见图5-图7所示，第一毛细通道201呈直线型结构、曲线型结构或者迂回弯曲型结构。
在其中一些实施例中，第二毛细通道202呈直线型结构、曲线型结构或者迂回弯曲型结构。
在其中一些实施例中，第N毛细通道呈直线型结构、曲线型结构或者迂回弯曲型结构。
在其中一些实施例中，控制液体试剂从上游腔体向下游腔体的转移时的离心参数范围包括，移液离心参数：离心旋转速度100rpm-2000rpm；加减速度500-20000rpm/s；混匀离心参数：离心旋转速度100rpm-2000rpm；加减速度500-20000rpm/s；摆动角度10°-3600°；摆动停顿时间0-10000ms；摆动次数0-1000次。
本发明的另一目的还在于提供一种微流控芯片。
一种微流控芯片，包括芯片基板以及设置在芯片基板上的微流体阀控系统，芯片基板包括第一腔体101、第二腔体102...第N+1腔体，第一腔体101、第二腔体102...第N腔体以及第N+1腔体由芯片基板的旋转中心向外依次顺序分布。第一腔体101、第二腔体102...第N+1腔体内可以预存试剂，试剂种类、性状、数目可不一致，试剂可以为冻干试剂、风干/干化试剂、封装液体试剂等。具体需求根据生物检测流程每个反应步骤需要进行设置和调整。为了能够让液体在各个反应腔(第一腔体101、第二腔体102...第N+1腔体)之间转移，需要在第N腔体内引入液体试剂，液体试剂的引入可以通过外部设备加样系统或人工借助工具引入，也可以是刺破腔室内封装液体试剂引入或施加适当压力挤压芯片上层液囊/液袋，其内预存液体试剂通过液囊/液袋底部破口引入腔体或经由引流通道引入对应的第N腔体。若向预存有固体试剂(冻干试剂、风干/干化试剂)的腔体内引入液体试剂，则液体试剂会将固体试剂溶解。相同的液体试剂可以在同一个腔体内或不同腔体间多次引入，同样地，也可以是不同类型试剂在同一个腔体内或不同腔体内多次引入。液体引入腔体的顺序也可根据生物测试需要编程化指定顺序和流程。
在其中一些实施例中，第一腔体101、第二腔体102...第N+1腔体用于装有固体试剂时，其腔体内会有柱体结构；优选地，当试剂引入这些腔体内后，可进行左右来回震荡模式或单向加减速切换运动模式来促进固体试剂的溶解和混匀。
第一毛细通道201连接在微流控芯片的第一腔体101与第二腔体102之间，第二毛细通道202连接在第二腔体102与微流控芯片的第三腔体103之间，第N毛细通道连接在微流控芯片的第N腔体与微流控芯片的第N+1腔体之间。
在其中一些实施例中，芯片基板上设置有气孔401，微流体阀控系统的第一气道301、第二气道302...第N气道连通气孔401。
在其中一些实施例中，微流体阀控系统的第一气道301、第二气道302...第N气道分别与一个气孔401连通，或者，微流体阀控系统的第一气道301、第二气道302...第N气道中的一个或者几个共用一个气孔401连通。
在其中一些实施例中，相对于芯片基板的底面，第一毛细通道201的高度、第二毛细通道202的高度...第N毛细通道的高度相同。
在其中一些实施例中，第一毛细通道201的高度、第二毛细通道202的高度...第N毛细通道中至少一个靠近于芯片基板的上表面，第一毛细通道201的高度、第二毛细通道202的高度...第N毛细通道中至少一个靠近于芯片基板的下表面。例如，在其中一个具体示例中，参见图8所示，第一毛细通道201的高度、第二毛细通道202的高度...第N毛细通道均靠近于芯片基板的上表面。例如，在另一个具体示例中，参见图9所示，第一毛细通道201的高度、第二毛细通道202的高度...第N毛细通道均靠近于芯片基板的下表面。例如，在另一个具体示例中，参见图10所示，第一毛细通道201的高度靠近于芯片基板的上表面、第二毛细通道202的高度靠近于芯片基板的下表面，第三毛细通道203均靠近于芯片基板的上表面。例如，在另一个具体示例中，参见图11所示，第一毛细通道201的高度靠近于芯片基板的上表面、第二毛细通道202的高度靠近于芯片基板的下表面，第三毛细通道203均靠近于芯片基板的上表面，第四毛细通道204均靠近于芯片基板的上表面。
在其中一些实施例中，参见图4所示，芯片基板上还包括分支微流体，分支微流体包括第一分支腔体501、第二分支腔体502...第N分支腔体，微流体阀控系统上还包括设置在芯片基板上的第一支路通道601、第二支路通道602...第N-1支路通道，微流体阀控系统上还包括设置在芯片基板上的第一支路气道、第二支路气道...第N-1支路气道。第一分支腔体501、第二分支腔体502...第N分支腔体由芯片基板的旋转中心向外依次顺序分布。第一分支腔体501、第二分支腔体502...第N分支腔体内可以预存试剂，试剂种类、性状、数目可不一致，试剂可以为冻干试剂、风干/干化试剂、封装液体试剂等。第一支路通道601连接在微流控芯片的第一支路腔体与第二支路腔体之间，第二支路通道602连接在第二支路腔体与微流控芯片的第三支路腔体之间，第N-1支路通道连接在微流控芯片的第N-1支路腔体与微流控芯片的第N支路腔体之间。在微流控芯片上可以设置都有多个分支微流体。分支微流体的最后一个分支腔体(第N分支腔体)最终连接于第N+1腔体。其中，0.5mm≤第一支路通道601的长度L支路1≤第二支路通道602的长度L支路2≤...≤第N-1支路通道的长度L支路(N-1)≤20mm，2mm≥第一支路通道601的宽度W支路1≥第二支路通道602的宽度W支路2≥...≥第N-1支路通道的宽度W支路(N-1)≥0.01mm，2mm≥第一支路通道601的深度H支路1≥第二支路通道602的深度H支路2≥...≥第N支路通道的深度H支路(N-1)≥0.01mm。且，第N-1支路通道的长度L支路(N-1)＝同一径向上的毛细通道的长度。
需要说明的是，上述的第一腔体101、第二腔体102...第N+1腔体、第一分支腔体501、第二分支腔体502...第N分支腔体中所发生的生物反应过程包括但不限于：生化、免疫、分子、细胞培养、药物筛选、器官芯片、金属离子检测、食品/原料残留检测等。
上述的微流体阀控系统可以用于控制微流控芯片中的液体试剂或者混合液体试剂，其中，混合液体试剂为液体试剂/稀释液等混合溶解其他固态试剂成分(冻干试剂/干化试剂)。无论是单一的液体试剂或混合液体试剂，其内成分包括但不限于以下成分：水(超纯水、去离子水等)、电解质(试剂组分需要的阳离子、阴离子，如：缓冲对)、蛋白或氨基酸及其衍生物(抗原、抗体、酶及其他满足反应需求的蛋白或氨基酸)、核酸及其衍生物、糖类及其衍生物(葡萄糖、海藻糖、蔗糖、乳糖、半乳糖等单糖、二糖及多糖)、高分子聚合物(如：PEG2000)、抑制剂(如：EDTA)、表面活性剂、防腐剂以及其他添加剂等。上述的混合液体试剂在20℃下的粘度范围为0-20000Cps。
本发明中可通过改变毛细通道内的表面性质，并结合通道三维尺寸的搭配来实现多种组合策略，通常情况下，主要的两种表面性质改变策略是将通道进行亲水或疏水改性。亲水改性的通道能够更加利于液体在毛细通道内的浸润，且所需离心力和离心运动参数(离心力、离心时间、离心加速度的组合)能够适当降低即可完成试剂从上游腔体向下游腔体的转移或从液囊/液袋内将液体试剂引出；疏水改性的通道能够增强对液体试剂的阻隔能力，阻碍液体浸润毛细通道，从而需要达到一定的离心力和离心运动参数(离心力、离心时间、离心加速度的组合)才能使得液体突破毛细通道从上上游腔体向下游腔体转移。其中，亲疏水试剂类型：①亲水试剂：选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、透明质酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、海藻酸钠和聚乙烯醇中的至少一种；疏水试剂：选自含氟类烷烃、含氟类甲醚、含氟类呋喃等中的至少一种。
实施例1
本实施例提供了一种微流控芯片。
一种微流控芯片，包括芯片基板以及微流体阀控系统。
芯片基板包括第一腔体101、第二腔体102...第N腔体、第N+1腔体，第一腔体101、第二腔体102...第N腔体以及第N+1腔体由芯片基板的旋转中心向外依次顺序分布。
微流体阀控系统包括设置在芯片基板上的第一毛细通道201、第二毛细通道202...第N毛细通道，第一毛细通道201连接在第一腔体101与第二腔体102之间，第二毛细通道202连接在第二腔体102与微流控芯片的第三腔体103之间，第N毛细通道连接在微流控芯片的第N腔体与微流控芯片的第N+1腔体之间。
0.5mm≤第一毛细通道201的长度L1≤第二毛细通道202的长度L2≤...≤第N毛细通道的长度LN≤20mm，2mm≥第一毛细通道201的宽度W1≥第二毛细通道202的宽度W2≥...≥第N毛细通道的宽度WN≥0.01mm，2mm≥第一毛细通道201的深度H1≥第二毛细通道202的深度H2≥...≥第N毛细通道的深度HN≥0.01mm。
芯片基板上设置有多个气孔401。例如，第一气孔、第二气孔...第N气孔。
微流体阀控系统包括设置在芯片基板上的第一气道301、第二气道302...第N气道。第一气道301的一端连接第二腔体102，第二气道302的一端连接第三腔体103，第N气道的一端连接在第N+1腔体。进一步地，第一气道301的另一端连通于第一气孔，第一气道301的延伸方向与第一毛细通道201相反。第二气道302的另一端连通与第二气孔，第二气道302的延伸方向与第二毛细通道202相反。第N-1气道的另一端连通与第N-1气孔，第N-1气道的延伸方向与第N-1毛细通道相反。第N气道的另一端连通于第N气孔，第N气道的延伸方向与第N毛细通道相反。或者，参见图1所示，第N气道与第N-1气道共同与第N-1气孔相通。
本实施例中，参见图1所示，液囊/液袋经过流体入口向第一腔体101内引入液体试剂(也可通过设备加样系统或手工方式从液体入口引入)；(2)配合适当离心移液参数，液体试剂突破第一毛细通道201进入第二腔体102，此过程液体试剂不突破第二毛细通道202；(3)配合适当混匀参数，使得被引入液体试剂与第二腔体102内的冻干试剂完成复融和混匀，此过程液体试剂不突破第二毛细通道202；(4)配合适当离心移液参数，混合试剂突破第二毛细通道202进入第三腔体103。以此类推，通过控制适当的离心参数，能保证液体试剂由上一腔体进入下一相邻的腔体内而不突破第三个腔体内。
实施例2
本实施例提供了一种微流控芯片。
一种微流控芯片，包括芯片基板以及微流体阀控系统。
芯片基板包括第一腔体101、第二腔体102以及第三腔体103，第一腔体101、第二腔体102以及第三腔体103由芯片基板的旋转中心向外依次顺序分布。
参见图2所示，微流体阀控系统包括设置在芯片基板上的第一毛细通道201、第二毛细通道202，第一毛细通道201连接在第一腔体101与第二腔体102之间，第二毛细通道202连接在第二腔体102与微流控芯片的第三腔体103之间。
0.5mm≤第一毛细通道201的长度L1≤第二毛细通道202的长度L2≤20mm，2mm≥第一毛细通道201的宽度W1≥第二毛细通道202的宽度W2≥0.01mm，2mm≥第一毛细通道201的深度H1≥第二毛细通道202的深度H2≥0.01mm。
芯片基板上设置有一个气孔401。
微流体阀控系统包括设置在芯片基板上的第一气道301、第二气道302。第一气道301的一端连接第二腔体102，第二气道302的一端连接第三腔体103。进一步地，第一气道301的另一端连通于气孔401，第一气道301的延伸方向与第一毛细通道201相反。第二气道302的另一端连通于气孔401，第二气道302的延伸方向与第二毛细通道202相反。
本实施例中，参见图2所示，(1)液囊/液袋经过流体入口向第一腔体101内引入液体试剂(也可通过设备加样系统或手工方式从液体入口引入)；(2)配合适当离心移液参数，液体试剂突破第一毛细通道201进入第二腔体102，此过程液体试剂不突破第二毛细通道202；(3)配合适当混匀参数，使得被引入液体试剂与第二腔体102内的冻干试剂完成复融和混匀，此过程液体试剂不突破第二毛细通道202；(3)配合适当离心移液参数，混合试剂突破第二毛细通道202进入第三腔体103。
实施例3
本实施例提供了一种微流控芯片。
一种微流控芯片，包括芯片基板以及微流体阀控系统。
芯片基板包括第一腔体101、第二腔体102、第三腔体103以及第四腔体104，第一腔体101、第二腔体102以及第三腔体103由芯片基板的旋转中心向外依次顺序分布。
参见图3所示，微流体阀控系统包括设置在芯片基板上的第一毛细通道201、第二毛细通道202以及第三毛细通道203，第一毛细通道201连接在第一腔体101与第二腔体102之间，第二毛细通道202连接在第二腔体102与第三腔体103之间，第三毛细通道203连接在第三腔体103与第四腔体104之间。
0.5mm≤第一毛细通道201的长度L1≤第二毛细通道202的长度L2＝第三毛细通道203的长度L3≤20mm，0.01mm≤第一毛细通道201的宽度W1＝第二毛细通道202的宽度W2＝第三毛细通道203的宽度W3≤2mm，2mm≥第一毛细通道201的深度H1≥第二毛细通道202的深度H2≥第三毛细通道203的深度H3≥0.01mm。
芯片基板上设置有一个气孔401。
微流体阀控系统包括设置在芯片基板上的第一气道301、第二气道302以及第三气道303。第一气道301的一端连接第二腔体102，第二气道302的一端连接第三腔体103，第三气道303的一端连接第四腔体104。进一步地，第一气道301的另一端连通与气孔401，第一气道301的延伸方向与第一毛细通道201相反。第二气道302的另一端连通与气孔401，第二气道302的延伸方向与第二毛细通道202相反。第三气道303的另一端连通与气孔401，第三气道303的延伸方向与第三毛细通道203相反。
微流体阀控系统还包括设置在芯片基板上的支路毛细通道600。支路毛细通道600的一端用于连接微流控芯片的液体入口，支路毛细通道600的另一端用于连接微流控芯片的第三腔体103。支路毛细通道600的长度L毛≥同一径向位置的第2毛细通道的长度L2。支路毛细通道600的宽度W毛≥同一径向位置的第2毛细通道的宽度W2；支路毛细通道600的深度H毛≥同一径向位置第2毛细通道的深度H2。支路毛细通道600的长度L毛可以根据需要的液体引流速度进行确定。
本实施例中，参见图3所示，(1)第二液囊/第二液袋802先经过第二流体入口后沿着支路毛细通道600向第三腔体103内引入液体试剂，此过程液体试剂不突破第三毛细通道203；(2)配合适当混匀参数，使得被引入液体与第三腔体103内的第二冻干试剂组22充分复融和混匀，此过程液体试剂不突破第三毛细通道203；(3)第一液囊/第一液袋801经过第一流体入口向第一腔体101内引入液体试剂，此过程液体试剂不突破第一毛细通道201，且第三腔体103内液体试剂不突破第三毛细通道203；(4)配合适当混匀参数，使得被引入液体与第一腔体101内的第一冻干试剂组21充分复融和混匀，此过程液体试剂不突破第一毛细通道201，且第三腔体103内液体试剂不突破第三毛细通道203；(5)配合适当离心移液参数，第一腔体101内混合试剂突破第一毛细通道201进入第二腔体102，但第三腔体103内的混合试剂依然保留在第三腔体103内，不突破第三毛细通道203；(6)配合适当混匀参数，使得第二腔体102内的风干/干化试剂组被上一步引入的混合液体试剂所溶解和混匀，此过程混合液体试剂不突破第二毛细通道202，且第三腔体103内液体试剂不突破第三毛细通道203；(7)配合适当离心移液参数，第二腔体102内混合试剂突破第二毛细通道202进入第三腔体103，此过程混合液体不突破第三毛细通道203；(8)配合适当混匀参数，使得最终混匀液体在第三腔体103内完成孵育和反应，此过程混合液体不突破第三毛细通道203；(9)配合适当离心移液参数，第三腔体103内混合试剂突破第三毛细通道203进入第四腔体104。
或者，在本实施例中，参见图3所示，(1)第一液囊/第一液袋801经过第一流体入口向第一腔体101内引入液体试剂；同时，第二液囊/第二液袋802先经过第二流体入口后沿着支路毛细通道600向第三腔体103内引入液体试剂。此过程液体试剂均不突破第一毛细通道201和第三毛细通道203；(2)配合适当混匀参数，使得被引入液体与第一腔体101内的第一冻干试剂组21充分复融和混匀；同时，使得被引入液体与第三腔体103内的第二冻干试剂组22充分复融和混匀，此过程两个腔体内混合液体试剂均不突破第一毛细通道201和第三毛细通道203；(3)配合适当离心移液参数，第一腔体101内混合试剂突破第一毛细通道201进入第二腔体102，但第三腔体103内的混合试剂依然保留在第三腔体103内，不突破第三毛细通道203；(4)配合适当混匀参数，使得第二腔体102内的风干/干化试剂组被上一步引入的混合液体试剂所溶解和混匀，此过程混合液体试剂不突破第二毛细通道202，且第三腔体103内液体试剂不突破第三毛细通道203；(5)配合适当离心移液参数，第二腔体102内混合试剂突破第二毛细通道202进入第三腔体103，此过程混合液体不突破第三毛细通道203；(6)配合适当混匀参数，使得最终混匀液体在第三腔体103内与已混合试剂完成孵育和反应，此过程混合液体不突破第三毛细通道203；(7)配合适当离心移液参数，第三腔体103内混合试剂突破第三毛细通道203进入第四腔体104。
实施例4
本实施例提供了一种微流控芯片。
一种微流控芯片，包括芯片基板以及微流体阀控系统。
芯片基板包括第一腔体101、第二腔体102、第三腔体103以及第四腔体104，第一腔体101、第二腔体102以及第三腔体103由芯片基板的旋转中心向外依次顺序分布。
参见图4所示，微流体阀控系统包括设置在芯片基板上的第一毛细通道201、第二毛细通道202以及第三毛细通道203，第一毛细通道201连接在第一腔体101与第二腔体102之间，第二毛细通道202连接在第二腔体102与微流控芯片的第三腔体103之间，第三毛细通道203连接在第三腔体103与微流控芯片的第四腔体104之间。
0.5mm≤第一毛细通道201的长度L1≤第二毛细通道202的长度L2＝第三毛细通道203的长度L3≤20mm，0.01mm≤第一毛细通道201的宽度W1＝第二毛细通道202的宽度W2＝第三毛细通道203的宽度W3≤2mm，2mm≥第一毛细通道201的深度H1≥第二毛细通道202的深度H2≥第三毛细通道203的深度H3≥0.01mm。
芯片基板上设置有一个气孔401。
微流体阀控系统包括设置在芯片基板上的第一气道301、第二气道302以及第三气道303。第一气道301的一端连接第二腔体102，第二气道302的一端连接第三腔体103，第三气道303的一端连接第四腔体104。进一步地，第一气道301的另一端连通与气孔401，第一气道301的延伸方向与第一毛细通道201相反。第二气道302的另一端连通与气孔401，第二气道302的延伸方向与第二毛细通道202相反。第三气道303的另一端连通与气孔401，第三气道303的延伸方向与第三毛细通道203相反。
微流体阀控系统还包括设置在芯片基板上的支路毛细通道600。支路毛细通道600的一端用于连接微流控芯片的液体入口，支路毛细通道600的另一端用于连接微流控芯片的第三腔体103。支路毛细通道600的长度L毛≥同一径向位置的第2毛细通道的长度L2。支路毛细通道600的宽度W毛≥同一径向位置的第2毛细通道的宽度W2；支路毛细通道600的深度H毛≥同一径向位置第2毛细通道的深度H2。支路毛细通道600的长度L毛可以根据需要的液体引流速度进行确定。
参见图4所示，芯片基板上还包括分支微流体，分支微流体包括第一分支腔体501、第二分支腔体502，微流体阀控系统上还包括设置在芯片基板上的第一支路通道601、第二支路通道602，微流体阀控系统上还包括设置在芯片基板上的第一支路气道。第一分支腔体501、第二分支腔体502由芯片基板的旋转中心向外依次顺序分布。第一分支腔体501、第二分支腔体502内可以预存试剂，试剂种类、性状、数目可不一致，试剂可以为冻干试剂、风干/干化试剂、封装液体试剂等。第一支路通道601连接在微流控芯片的第一支路腔体与第二支路腔体之间，第二支路通道602连接在第二支路腔体与微流控芯片的第三腔体103之间。其中，0.5mm≤第一支路通道601的长度L支路1≤第二支路通道602的长度L支路2≤20mm，2mm≥第一支路通道601的宽度W支路1≥第二支路通道602的宽度W支路2≥0.01mm，2mm≥第一支路通道601的深度H支路1≥第二支路通道602的深度H支路2≥0.01mm。由于第一支路通道601与第一毛细通道201位于同一径向位置上，因此，第一支路通道601的长度L支路1＝第一毛细通道201的长度L1，第一支路通道601的宽度W支路1＝第一毛细通道201的宽度W1，第一支路通道601的深度H支路1＝第一毛细通道201的深度H1；由于第二支路通道602与第二毛细通道202位于同一径向位置上，因此，第二支路通道602的长度L支路2＝第二毛细通道202的长度L2，第二支路通道602的宽度W支路2＝第二毛细通道202的宽度W2，第二支路通道602的深度H支路2＝第二毛细通道202的深度H2。
本实施例中，参见图4所示，(1)第一液囊/第一液袋801经过第一流体入口向第一腔体101内引入液体试剂；同步地，第二液囊/第二液袋802经过第二流体入口向第一分支腔体501内引入液体试剂。此过程液体试剂均保留在第一腔体101和第一分支腔体501；(2)配合适当混匀参数，使得两个腔体内被引入液体试剂分别与第1腔体内的第一冻干试剂组21和第一分支腔体501内的第二冻干试剂组22充分复融和混匀。此过程两个腔体内混合液体试剂均不突破第一腔体101和第一分支腔体501；(3)配合适当离心移液参数，第一腔体101内混合试剂突破第一毛细通道201进入第二腔体102，同步地，第一分支腔体501内混合试剂突破第一支路通道601进入第二分支腔体502；(4)配合适当混匀参数，使得第二腔体102内的风干/干化试剂组被上一步引入的混合液体试剂所溶解和混匀，此过程两部分混合液体试剂均不突破第二腔体102和第二分支腔体502；(5)配合适当离心移液参数，第二腔体102内混合试剂突破第二毛细通道202进入第三腔体103，与此同时，第二分支腔体502内混合试剂突破第二支路通道602也进入第三腔体103。此过程结束后第三腔体103内混合液体不突破第三毛细通道203；(6)配合适当混匀参数，使得最终混匀液体在第三腔体103内与第三冻干试剂组完成孵育和反应，此过程混合液体不突破第三毛细通道203；(7)配合适当离心移液参数，第三腔体103内混合试剂突破第三毛细通道203进入第四腔体104。
上述的微流体阀控系统，依靠至少一组毛细通道(具有一定的长度和形状且横截面积和所连腔室横截面积的巨大差异)与上下游腔室的适当组合编排配置，因毛细通道的不同三维尺寸会表现出不同的液体表面张力和流体阻力，这些差异可实现作为阀控单元的功能，再配合适当大小的离心力驱动，实现芯片内微流体时序位置控制，即在确定的时间段内让液体处于腔体内被阻隔状态或液体从上游腔体向下游腔体转移状态。本发明的微流体阀控系统解决了目前已有技术中需要在微流控芯片制备过程中额外向芯片内增加部件或较为复杂且不易实现的工序来实现阀门控制的难题；本发明的微流体阀控系统科通过多个毛细通道组合和搭配能够实现单次阀无法实现的阀门重复使用功能，且实现过程简单，能够彼此组合实现系统性联动流体复杂控制，有更强的操作性，解决现有技术部分阀门需要额外增加设备部件配合才能使用、芯片和设备结构复杂、阀门重复性和稳定性不足等缺点。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种微流体阀控系统，其特征在于，包括第一毛细通道，所述第一毛细通道用于连接在微流控芯片的第一腔体与第二腔体之间，其中，0.5mm≤所述第一毛细通道的长度L1≤20mm，0.01mm≤所述第一毛细通道的宽度W1≤2mm，0.01mm≤所述第一毛细通道的深度H1≤2mm。
2.根据权利要求1所述的微流体阀控系统，其特征在于，所述微流体阀控系统还包括第二毛细通道...第N毛细通道，其中，N≥2，所述第一毛细通道用于连接在微流控芯片的第一腔体与微流控芯片的第二腔体之间，所述第二毛细通道用于连接在所述第二腔体与微流控芯片的第三腔体之间，所述第N毛细通道用于连接在微流控芯片的第N腔体与微流控芯片的第N+1腔体之间，其中，所述第一腔体、所述第二腔体...所述第N腔体以及所述第N+1腔体由旋转中心向外依次顺序分布，其中，0.5mm≤所述第一毛细通道的长度L1≤所述第二毛细通道的长度L2≤...≤所述第N毛细通道的长度LN≤20mm，2mm≥所述第一毛细通道的宽度W1≥所述第二毛细通道的宽度W2≥...≥所述第N毛细通道的宽度WN≥0.01mm，2mm≥所述第一毛细通道的深度H1≥所述第二毛细通道的深度H2≥...≥所述第N毛细通道的深度HN≥0.01mm。
3.根据权利要求2所述的微流体阀控系统，其特征在于，所述微流体阀控系统还包括第一气道、第二气道...第N气道，所述第一气道用于连接所述第二腔体，所述第二气道用于连接所述第三腔体，所述第N气道用于连接在所述第N+1腔体。
4.根据权利要求2所述的微流体阀控系统，其特征在于，所述微流体阀控系统还包括支路毛细通道，所述支路毛细通道的一端用于连接微流控芯片的液体入口，所述支路毛细通道的另一端用于连接微流控芯片的第M腔体，其中，2≤M≤N，所述支路毛细通道的长度L毛≥同一径向位置的第M腔体相连的第M-1毛细通道的长度L(M-1)；所述支路毛细通道的宽度W毛≥同一径向位置的第M腔体相连的第M-1毛细通道的宽度W(M-1)；所述支路毛细通道的深度H毛≥同一径向位置的第M腔体相连的第M-1毛细通道的深度H(M-1)。
5.根据权利要求4所述的微流体阀控系统，其特征在于，所述第一毛细通道呈直线型结构、曲线型结构或者迂回弯曲型结构；和/或
所述第二毛细通道呈直线型结构、曲线型结构或者迂回弯曲型结构；和/或
...
和/或，所述第N毛细通道呈直线型结构、曲线型结构或者迂回弯曲型结构。
6.根据权利要求2-5任意一项所述的微流体阀控系统，其特征在于，控制液体试剂从上游腔体向下游腔体的转移时的离心参数范围包括，移液离心参数：离心旋转速度100rpm-2000rpm；加减速度500-20000rpm/s；混匀离心参数：离心旋转速度100rpm-2000rpm；加减速度500-20000rpm/s；摆动角度10°-3600°；摆动停顿时间0-10000ms；摆动次数0-1000次。
7.一种微流控芯片，其特征在于，包括芯片基板以及权利要求2-6任意一项所述的微流体阀控系统，所述芯片基板包括第一腔体、第二腔体...第N+1腔体，所述第一腔体、所述第二腔体...所述第N腔体以及所述第N+1腔体由芯片基板的旋转中心向外依次顺序分布，所述第一毛细通道连接在微流控芯片的第一腔体与第二腔体之间，所述第二毛细通道连接在所述第二腔体与微流控芯片的第三腔体之间，所述第N毛细通道连接在微流控芯片的第N腔体与微流控芯片的第N+1腔体之间。
8.根据权利要求7所述的微流控芯片，其特征在于，所述芯片基板上设置有气孔，所述微流体阀控系统的第一气道、第二气道...第N气道连通所述气孔。
9.根据权利要求8所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流体阀控系统的第一气道、第二气道...第N气道分别与一个所述气孔连通，或者，所述微流体阀控系统的第一气道、第二气道...第N气道中的一个或者几个共用一个所述气孔连通。
10.根据权利要求7所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一毛细通道的高度、所述第二毛细通道的高度...所述第N毛细通道中至少一个靠近于所述芯片基板的上表面，所述第一毛细通道的高度、所述第二毛细通道的高度...所述第N毛细通道中至少一个靠近于所述芯片基板的下表面。
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