CN116273224A - 磁热微流控系统及微流控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁热微流控系统及微流控方法，所述系统包括磁热单元、微流控芯片单元和检测单元，所述磁热单元包括电磁线圈、磁芯、交流谐振电源和电路控制模块，所述电磁线圈和磁芯均为两个，每个磁芯嵌入一个电磁线圈中，形成两个磁芯线圈正对排布，两个电磁线圈通过电路连接线相连，且电流方向相同，所述交流谐振电源为两个电磁线圈提供激励电流，并与电路控制模块相连；所述微流控芯片单元设置在两个磁芯之间，所述检测单元用于对微流控芯片单元中的样品进行检测。本发明可以将磁热样品加热体积由微升级提升到纳升级，并且实现了磁热技术在微流控芯片内的各种功能性应用。

Description

磁热微流控系统及微流控方法

技术领域

本发明涉及一种磁热系统，尤其是一种磁热微流控系统及微流控方法，属于磁热应用技术领域。

背景技术

磁热技术已经广泛应用于生物磁热疗、金属材料感应加热等领域。磁热效应是指材料在交变磁场内，由于磁化过程中的磁损耗而产生的，磁损耗按照其机制主要可以分为涡流效应、磁滞效应和磁化弛豫效应，每种磁热效应机制所致产热功率的大小由磁场(主要是磁场强度和频率)、材料属性及其体积大小等参数决定。

目前磁热技术的应用主要包括磁热疗和金属材料感应加热两个方面，磁热疗主要是利用磁化弛豫效应对纳米级的铁磁或者超顺磁介质进行加热，实现肿瘤磁热疗。例如Nanotherics公司的MagneTherm磁流体热疗分析系统，该系统能够达到的磁场频率为110kHz-987kHz，磁场强度最高为25mT。NB(Nano Scale Biomagnetics)公司推出DM100系列磁热疗效应分析仪能够在229.3k Hz-828k Hz频率范围里产生0-30mT的磁场强度。另外也有一小部分是利用磁滞和涡流效应对微米级或者毫米级的铁磁介质进行加热，实现肿瘤动脉栓塞热疗。目前磁热疗设备的频率大概在50-1000kHz，磁场强度不超过30mT。感应加热主要是利用感应电涡流效应对金属材料进行加热，其频率范围比较广，大概为1kHz-2MHz，而其感应线圈产生的磁场也在30mT以内。此外，无论是磁热疗还是金属感应加热，其加热对象的体积都是比较大的，例如磁热疗中加热的磁流体体积通常在毫升(mL)及以上级别。

目前利用磁热技术对微小体积磁性介质或者金属介质的高效加热研究还比较少，并且目前还没有将磁热技术用于微流控芯片的报道。如果能够在微流控内实现高效磁热，则可以结合磁热和微流控芯片的优点，扩展磁热技术的新应用，例如片上聚合酶链式反应(PCR反应，基于聚合酶制造的PCR仪实际就是一个温控设备，能在变性温度，复性温度，延伸温度之间很好地进行控制)[1]，片上磁热-热泳耦合的生物和化学样品高通量分选和检测[2]，以及液体中的微纳米尺度金属含量检测等。而目前的难点在于缺乏高效的磁热技术方案对微小的样品进行加热。

虽然磁热技术应用比较广泛，但其加热对象的体积通常在毫升(针对液体)或者立方厘米(针对固体)以上，对于微升或者纳升级别体积的材料，由于散热较快，其产热功率往往小于散热功率，因此目前的磁热系统无法对微小体积的材料样品进行磁热，而在微流控系统内，样品的体积通常在纳升或者皮升级别，目前尚无磁热微流控系统的报道。

上述参考文献如下：

[1]刘荭.聚合酶链式反应和基因芯片技术的研究及在主要水生动物病毒检疫和监测中的应用[D].华中农业大学,2004.

[2]Salafi T,Zeming K K,Zhang Y.Advancements in microfluidics fornanoparticle separation[J].Lab on a Chip,2017,17(1):11-33.

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的磁热技术在样品加热体积和在微流控系统中应用局限性的问题，提供了一种磁热微流控系统，该系统可以将磁热样品加热体积由微升级提升到纳升级，并且实现了磁热技术在微流控芯片内的各种功能性应用。

本发明的另一目的在于提供一种磁热微流控方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种磁热微流控系统，包括磁热单元、微流控芯片单元和检测单元，所述磁热单元包括电磁线圈、磁芯、交流谐振电源和电路控制模块，所述电磁线圈和磁芯均为两个，每个磁芯嵌入一个电磁线圈中，形成两个磁芯线圈正对排布，两个电磁线圈通过电路连接线相连，且电流方向相同，所述交流谐振电源为两个电磁线圈提供激励电流，并与电路控制模块相连；所述微流控芯片单元设置在两个磁芯之间，所述检测单元用于对微流控芯片单元中的样品进行检测。

进一步的，所述磁热单元还包括循环冷却模块，所述循环冷却模块包括循环冷却泵和循环冷却管道；

每个电磁线圈缠绕在一个第一支架上，每个磁芯固定在一个第二支架上，第一支架的内部和第二支架的内部形成一个冷却液通道，两个冷却液通道通过循环冷却管道相连，所述循环冷却泵与循环冷却管道相连。

进一步的，所述微流控芯片单元包括微流控芯片和液路控制模块，所述液路控制模块通过连接管路将样品驱动到微流控芯片中。

进一步的，所述微流控芯片为磁热阵列微流控芯片，所述磁热阵列微流控芯片包括磁热阵列芯片上基底、磁热阵列芯片层和磁热阵列芯片下基底，所述磁热阵列芯片下基底具有多个捕获微孔，所述捕获微孔用于捕获磁性介质，所述磁热阵列芯片层设置在磁热阵列芯片下基底上方，磁热阵列芯片层包括多个磁热微腔室，所述磁热微腔室的数量与捕获微孔的数量一致，每个捕获微孔位于对应磁热微腔室的下方中心处，所述磁热阵列芯片上基底设置在磁热阵列芯片层上方。

进一步的，所述微流控芯片为循环加热微流控芯片，所述循环加热微流控芯片包括循环加热芯片层、循环加热芯片基底和循环加热微流控模块，所述循环加热芯片层设置在循环加热芯片基底的上方，所述循环加热微流控模块设置在循环加热芯片层中。

进一步的，所述循环加热微流控模块包括依次相连的循环加热芯片入口、循环加热芯片入口微通道、循环加热与检测腔室、循环加热芯片出口微通道和循环加热芯片出口。

进一步的，所述微流控芯片为高通量金属检测微流控芯片，所述高通量金属检测微流控芯片包括金属检测芯片层、金属检测芯片基底和金属检测微流控模块，所述金属检测芯片层设置在金属检测芯片基底的上方，所述金属检测微流控模块设置在金属检测芯片层中。

进一步的，所述金属检测微流控模块包括第一金属检测芯片入口、第二金属检测芯片入口、第一金属检测芯片入口微通道、第二金属检测芯片入口微通道、金属检测芯片样品混合腔室、金属检测芯片腔室连接通道、金属检测芯片检测腔室、金属检测芯片出口微通道和金属检测芯片出口；

所述第一金属检测芯片入口与第一金属检测芯片入口微通道相连，所述第二金属检测芯片入口与第二金属检测芯片入口微通道相连，所述第一金属检测芯片入口微通道和第二金属检测芯片入口微通道分别与金属检测芯片样品混合腔室相连，所述金属检测芯片样品混合腔室、金属检测芯片腔室连接通道、金属检测芯片检测腔室、金属检测芯片出口微通道和金属检测芯片出口依次相连。

进一步的，所述检测单元包括热红外检测模块、数据采集模块和荧光检测模块，所述热红外检测模块和荧光检测模块的探头对准微流控芯片单元内的样品，所述数据采集模块通过数据连接线分别与热红外检测模块、荧光检测模块相连。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种微流控方法，基于上述的磁热微流控系统实现，所述方法包括：

通过电路控制模块控制交流谐振电源的输出频率、电流大小和通电时间；

通过交流谐振电源、电磁线圈和磁芯配合，在微流控芯片单元的特定区域产生交变强磁场；

通过检测单元对微流控芯片单元中的样品进行检测，从而实现金属样品、磁性样品或者生物样品的定量或定性检测。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

本发明通过磁热单元能够将交变磁场放大，并聚焦在特定区域(400kHz时磁场强度能够达到200mT)，能够对微流控芯片单元内的微量金属介质或磁性介质(体积在纳升或者皮升级别)的高效磁热，基于此实现了样品的快速升温和检测，能够应用于金属含量的快速检测、单个生物样品的热应激研究，以及PCR核酸扩增和检测等领域；此外，通过金属介质或磁性介质还能实现阵列化的磁热-热泳耦合效应，从而对生化样品进行高效富集分选和检测，其中通过阵列化的微流控芯片可以同时对1-10000个样品进行富集检测，相比目前的热泳富集检测方法(单个微腔室)，实现了对样品的高通量处理。

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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的磁热微流控系统整体构成图。

图2为本发明实施例1的磁热微流控系统整体结构俯视图。

图3为本发明实施例1的磁热微流控系统整体结构正视图。

图4为本发明实施例1的磁芯线圈及微流控芯片立体结构图。

图5为本发明实施例1的磁芯线圈及微流控芯片侧视结构图。

图6a～图6d为本发明实施例1的磁芯线圈装配示意图。

图7为本发明实施例1的磁芯线圈正视图。

图8为图7的A-A剖面图。

图9为图7的B-B剖面图。

图10为图7的C-C剖面图。

图11为本发明实施例1的磁芯线圈俯视图。

图12为图11的D-D剖面图。

图13为图11的E-E剖面图。

图14为图11的F-F剖面图。

图15为本发明实施例1的磁芯线圈侧视及其剖面图。

图16为本发明实施例2的磁热阵列微流控芯片立体结构图。

图17为本发明实施例2的磁热阵列微流控芯片俯视结构图。

图18为本发明实施例2的磁热阵列微流控芯片正视结构图。

图19为本发明实施例2的磁热阵列微流控芯片侧视结构图。

图20为本发明实施例2的磁热阵列微流控芯片对颗粒的热泳富集原理图。

图21为本发明实施例3的循环加热微流控芯片立体结构图。

图22为本发明实施例3的循环加热微流控芯片俯视结构图。

图23为本发明实施例3的循环加热微流控芯片正视结构图。

图24为本发明实施例3的循环加热微流控芯片侧视结构图。

图25为本发明实施例4的高通量金属检测微流控芯片立体结构图。

图26为本发明实施例4的高通量金属检测微流控芯片俯视结构图。

图27为本发明实施例4的高通量金属检测微流控芯片正视结构图。

图28为本发明实施例4的高通量金属检测微流控芯片侧视结构图。

其中，1-电磁线圈，2-磁芯，3-第一支架，4-第二支架，5-冷却液通道，6-支架连接口，7-循环冷却泵，8-循环冷却管道，9-交流谐振电源，10-电路控制模块，11-电路连接线，12-微流控芯片，13-液路控制模块，14-连接管路，15-热红外检测模块，16-数据采集模块，17-数据连接线，18-荧光检测模块，19-磁热微腔室，20-磁热阵列芯片层，21-磁热阵列芯片上基底，22-磁热阵列芯片下基底，23-捕获微孔，24-磁性介质，25-循环加热芯片层，26-循环加热芯片基底，27-第一循环加热芯片入口，28-第一循环加热芯片入口微通道，29-第一循环加热与检测腔室，30-第一循环加热芯片出口微通道，31-第一循环加热芯片出口，32第二循环加热芯片入口，33-第二循环加热芯片入口微通道，34-第二循环加热与检测腔室，35-第二循环加热芯片出口微通道，36-第二循环加热芯片出口，37-第三循环加热芯片入口，38-第三循环加热芯片入口微通道，39-第三循环加热与检测腔室，40-第三循环加热芯片出口微通道，41-第三循环加热芯片出口，42-金属检测芯片层，43-金属检测芯片基底，44-第一金属检测芯片入口，45-第一金属检测芯片入口微通道，46-第二金属检测芯片入口，47-第二金属检测芯片入口微通道，48-金属检测芯片样品混合腔室，49-金属检测芯片腔室连接通道，50-金属检测芯片检测腔室，51-金属检测芯片出口微通道，52-金属检测芯片出口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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：

如图1所示，本实施例提供了一种磁热微流控系统，该系统包括磁热单元、微流控芯片单元和检测单元，磁热单元的作用是为微流控芯片单元的特定区域提供交变强磁场，进而给该区域内的金属介质或磁性介质进行加热；微流控芯片单元的作用是样品的反应、控制和检测载体，在微量样品高效加热的基础上，通过特定的微通道结构实现各种生化样品的富集、检测和反应等功能，例如利用磁珠实现磁热-热泳耦合效应对生化样品进行富集分选的功能，对需要进行检测的金属或者磁性介质进行预聚集的功能，以及生物样品热应激反应和PCR扩增反应等功能；检测单元的作用是对微流控芯片中的样品进行热红外检测和/或荧光检测，从而实现金属样品、磁性样品或者生物样品的定量或定性检测。

如图1～图3所示，磁热单元包括电磁线圈1、磁芯2、交流谐振电源9和电路控制模块10，电磁线圈1和磁芯2均为两个，每个磁芯2嵌入一个电磁线圈1中，形成两个磁芯线圈正对排布，两个电磁线圈1通过电路连接线11相连，且电流方向相同，交流谐振电源9为两个电磁线圈1提供激励电流，并与电路控制模块10相连。

进一步地，每个电磁线圈1缠绕在一个第一支架3上，电磁线圈1的材质为铜、铝等导电金属，线径范围为0.3-10mm，每个线圈的匝数为1-3000匝，电磁线圈1沿着磁芯2长度方向缠绕，电磁线圈1的最里层线圈到磁芯2表面的距离为1-50mm，两个电磁线圈1通过电路连接线11同向串联或者同向并联，本实施例采用的是串联，即电流方向相同；磁芯2固定在一个第二支架4上，磁芯2可以是任意形状截面(例如截面为矩形、圆形、三角形等)的柱状体，长度为10-200mm，截面积为1-10000mm²，磁芯2的材质为高导磁材料，例如坡莫合金、硅钢、铁氧体等，磁芯2可以是一体结构，也可以是由片状结构堆叠而成，两个磁芯2之间的距离为1-300mm；当电磁线圈1通入交流电时将会产生交变磁场，此时磁芯2将会被磁化，进而对线圈磁场进行放大并聚焦到两个磁芯之间的区域，即微流控芯片12所在区域。

进一步地，交流谐振电源9能够给电磁线圈1提供可调的交流电源，用于驱动电磁线圈1产生高强度的交变磁场，该交变磁场将由磁芯2进一步放大并聚焦到微流控芯片12所在的特定区域，通过该交变磁场能够对微流控芯片12内的金属介质和磁性介质产生磁热效应，其中电路控制模块10可以控制交流谐振电源9的输出频率、电流大小和通电时间，进而控制微流控芯片12内的升降温和温度梯度，其中输出频率调节范围为20-1000kHz，输出电流调节范围为1-100A，通电时间可以是任意时间；通过交流谐振电源9、电磁线圈1和磁芯2配合，能够在微流控芯片12的特定区域产生交变强磁场，其中在400kHz频率下最大磁场强度能达到200mT，为微流控芯片12内的微量样品加热提供了磁场基础。

进一步地，磁热单元还包括循环冷却模块，循环冷却模块可以磁芯2和电源电子元器件降温，实现电源的长时间工作，循环冷却模块包括循环冷却泵7和循环冷却管道8，第一支架和第二支架通过支架连接口6密封连接在一起，使两个支架的内部形成了一个冷却液通道5，两个冷却液通道5通过循环冷却管道8相连，循环冷却泵7与循环冷却管道8相连，在循环冷却泵7的作用下将冷却液循环注入两个却液通道5，从而为磁芯2冷却降温。

进一步地，微流控芯片单元包括微流控芯片12和液路控制模块13，液路控制模块13通过连接管路14将样品驱动到微流控芯片12中；微流控芯片12可根据具体应用场景由不同的微腔室和微通道构成，例如：1)阵列化的磁热-热泳微腔室，用于生化样品的高通量富集与分选，或者生物样品热应激研究；2)循环加热微腔室，用于PCR核酸扩增；3)高通量微腔室，用于金属或者磁性介质含量检测，以上芯片结构均可由液路控制模块13来控制控制样品位置，进而控制样品的升降温；微腔室内的样品由液路控制模块13和连接管路14控制，能够根据具体应用将样品驱动到相应功能的微腔室内；通过磁热效应，能够在微流控芯片12内的微腔室内特定区域实现升温，并形成一定的温度梯度，再结合特定结构的微腔室和液路控制模块，便可实现芯片内局部升降温和片上热泳，用于实现微纳米尺度生化样品的分选和富集、片上PCR等功能，以及借助功能磁珠实现对生物样品的热应激研究。

进一步地，微流控芯片中样品的升降温和聚集状态可以通过检测单元进行检测，本实施例的检测单元具有两种检测方式，分别为热红外检测和荧光检测，因此检测单元可以包括热红外检测模块15、数据采集模块16和荧光检测模块18，热红外检测模块15和荧光检测模块18的探头对准微流控芯片单元内的样品，本实施例使得热红外检测模块15和荧光检测模块18正对排布，数据采集模块16通过数据连接线17分别与热红外检测模块15、荧光检测模块18相连，本实施例将热红外检测模块15设置在微流控芯片12的上方，以及将荧光检测模块18设置在微流控芯片12的下方，但本领域技术人员容易理解，也可以将热红外检测模块15设置在微流控芯片12的下方，以及将荧光检测模块18设置在微流控芯片12的上方，热红外检测模块15和荧光检测模块18连接同一个数据采集模块16，数据采集模块16能够实时显采集和显示荧光信号和热红外信号，并且能够将荧光信号或者热红外信号转换成电信号，这里通过数据采集模块能够同时采集两种检测信号，也能够单独采集其中一种信号，能够满足不同应用场景；其中，热红外检测能够直接监测微腔室溶液表面的温度变化，进而检测金属或者磁性介质的含量；荧光检测需要结合相应的荧光染料，包括热敏荧光染料和常规荧光染料，热敏荧光染料能够感知温度变化并发出不同强度的荧光，即将温度信号转换成荧光信号，通过荧光检测系统即可检测到微腔室内的温度变化和温度分布，从而实现微流控芯片内的金属或磁性介质的含量检测，除此之外，通过常规的荧光染料对生化样品进行标记后，还可以通过荧光信号检测来确定样品的聚集状态，例如通过前面的片上热泳对样品进行富集或者分选之后，可以通过荧光信号的变化来对富集之后的样品进行检测。

图4和图5显示了磁芯线圈和微流控芯片相对位置的示意图，其中微流控芯片12位于两个磁芯2之间的区域，该区域能够通过磁芯2产生交变强磁场，在磁场强度达到一定程度时，磁芯会发热，因此在工作时需要进行冷却，冷却液从第二支架4中一侧的冷却液通道5进入，然后流经第一支架3内部的磁芯2区域，磁芯2进行冷却，最后从另一侧的冷却液通道5流出，冷却液通过冷却循环管道8可以同时对两个磁芯2进行冷却。

图6a～图6d显示了磁芯线圈的装配示意图，电磁线圈1缠绕在第一支架3上，第一支架3的尺寸可以根据线圈尺寸进行调整，第二支架4能够固定磁芯2，并且将其嵌入第一支架3中，从而将磁芯2置于电磁线圈1的内部，能够更好地受到线圈磁场的磁化作用；第一支架3和第二支架4通过支架连接口6密封连接，形成冷却液通道5，这种支架分体设计能够灵活适应各种形状磁芯2和各种规格参数的电磁线圈1。

图7～图10、图11～图14、图15所示为电磁线圈1、磁芯2、第一支架3和第二支架4装配之后的三个视角(正视、俯视、侧视)的透视图和剖面图，其中第一支架3和第二支架4的材质为塑料、尼龙、树脂等材质，可由3D打印、注塑等工艺制作，第一支架4中固定磁芯2的部分可以根据磁芯2的形状进行适配(图7～图10、图11～图14、图15的磁芯为长方体结构)，使磁芯2和第一支架3之间形成冷却液通道5，在工作时能够全方位给磁芯2冷却降温。

实施例2：

本实施例的磁热微流控系统同样包括磁热单元、微流控芯片单元和检测单元，区别之处在于本实施例的微流控芯片为磁热阵列微流控芯片，如图16～图19所示，该磁热阵列微流控芯片主要用于磁热-热泳耦合的生化样品高通量富集分选，其包括磁热阵列芯片上基底19、磁热阵列芯片层20和磁热阵列芯片下基底21，磁热阵列芯片下基底21具有多个捕获微孔23，捕获微孔23用于捕获磁性介质24；磁热阵列芯片层20设置在磁热阵列芯片下基底21上方，磁热阵列芯片层20包括多个磁热微腔室19，磁热微腔室19的数量与捕获微孔23的数量一致，每个捕获微孔23位于对应磁热微腔室19的下方中心处，磁热阵列芯片上基底19设置在磁热阵列芯片层20上方。

进一步地，磁热阵列芯片下基底22材质为高导热率的玻璃，例如蓝宝石玻璃，其表面的捕获微孔23通过激光雕刻、刻蚀等工艺制作而成，捕获微孔23的形状为圆形或者正方形，截面积为0.5-10000μm²，深度为1-100μm，数量范围为1-1000个，本实施例为4×6个微腔室阵列；同样地，磁热阵列芯片上基底21的材质也为高导热率的玻璃。

进一步地，磁性介质24的材质为金属微粒、磁性氧化物、磁性纳米线、碳纳米管、石墨烯等能够产生磁热效应的微纳米材料，该磁性介质24可以是单个颗粒形状，也可以是由较小的微纳米颗粒聚集而成的团状物，本实施例为球形颗粒，其截面积尺寸是其对应的捕获微孔23截面尺寸的1.1-3倍，这样能够保证磁性介质处于捕获微孔23的上方而不会完全陷进去。

进一步地，磁热阵列芯片层20材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、亚克力板(PMMA)、玻璃、塑料、透明树脂等，厚度为100-2000μm，其中的磁热微腔室19是通过PDMS模具、激光切割、线切割等方式加工出来的通孔，其形状为圆形或者正方形，截面积是捕获微孔23截面积的50-2000倍。

在磁热阵列微流控芯片装配时，首先让带有磁性介质24溶液流过磁热阵列芯片下基底22的表面(有捕获微孔一侧)，与此同时在磁热阵列芯片下基底22的下方放置一块永磁体，当磁性介质24流过捕获微孔23上方时，将会受到磁力的作用而嵌入捕获微孔23，由于磁性介质24比捕获微孔23大一些，因此只有一部分体积的磁性介质24会嵌入捕获微孔23中，另外一部分则暴露在磁热微腔室19中；当大部分或者所有捕获微孔23都带有磁性介质24时，再用纯水将未捕获的磁性介质24冲洗干净，使其离开磁热阵列芯片下基底22的表面。然后将磁热阵列芯片层20对准放置在磁热阵列芯片下基底22上方，使磁性介质24位于磁热微腔室19的下方中心处，并将所需要富集分选的样品溶液滴入磁热微腔室19中；最后将磁热阵列芯片上基底21扣在磁热阵列芯片层20上方，将磁热微腔室19封闭；其中磁热阵列芯片层20和上下两个基底通过键合、胶粘或者夹子夹扣的方式紧贴在一起，形成完整的磁热阵列微流控芯片。

图20所示是磁热阵列芯片对微粒样品的热泳富集原理图，分为两种方式，一种是热泳向热源运动，一种是热泳向冷源运动，这两个运动方向可以通过调整热泳温度差或者样品溶质浓度实现灵活调控，其中温度差和持续时间可以通过电路控制模块10进行调整，磁性介质的升温范围在0-15℃，即温度差在0-15℃范围内可调。在热泳向热源的情况中，一方面，样品中的微粒会受到热泳力而向着磁性介质24(热源)运动，另一方面，热源还会引起样品的对流运动，使样品在磁热微腔室19内循环流动，在热泳和对流两种效应的共同作用下，微粒样品将富集在磁性介质24周围，形成一个环状的富集区域(图20中的黑色区域)。在热泳向冷源的情况中，样品中的微粒会受到热泳力而远离磁性介质24(热源)运动，在热泳和对流的共同作用下，样品微粒将富集在靠近底部腔室外围的地方，同样形成一个环状的富集区域(图20中的黑色区域)。这两种情况都能够实现微纳尺度颗粒样品的富集分选。

实施例3：

本实施例的磁热微流控系统同样包括磁热单元、微流控芯片单元和检测单元，区别之处在于本实施例的微流控芯片为循环加热微流控芯片，如图21～图24所示，该循环加热微流控芯片包括循环加热芯片层25、循环加热芯片基底26和循环加热微流控模块，循环加热芯片层25设置在循环加热芯片基底26的上方，循环加热微流控模块设置在循环加热芯片层25中。

进一步地，循环加热微流控模块包括依次相连的循环加热芯片入口、循环加热芯片入口微通道、循环加热与检测腔室、循环加热芯片出口微通道和循环加热芯片出口。

进一步地，循环加热芯片入口、循环加热芯片入口微通道、循环加热与检测腔室、循环加热芯片出口微通道和循环加热芯片出口均为三个，三个循环加热芯片入口分别为第一循环加热芯片入口27、第二循环加热芯片入口32和第三循环加热芯片入口37，三个循环加热芯片入口微通道分别为第一循环加热芯片入口微通道28、第二循环加热芯片入口微通道33和第三循环加热芯片入口微通道39，三个循环加热与检测腔室分别为第一循环加热和检测腔室29、第二循环加热和检测腔室34和第三循环加热和检测腔室39，三个循环加热芯片出口微通道分别为第一循环加热芯片出口微通道30、第二循环加热芯片出口微通道35和第三循环加热芯片出口微通道40，三个循环加热芯片出口分别为第一循环加热芯片出口31、第二循环加热芯片出口36和第三循环加热芯片出口41。

进一步地，第一循环加热芯片入口27、第一循环加热芯片入口微通道28、第一循环加热和检测腔室29、第一循环加热芯片出口微通道30和第一循环加热芯片出口31用于核酸样品A的加热和检测；第二循环加热芯片入口32、第二循环加热芯片入口微通道33、第二循环加热和检测腔室34、第二循环加热芯片出口微通道35和第二循环加热芯片出口36用于核酸样品B的加热和检测；第三循环加热芯片入口37、第三循环加热芯片入口微通道38、第三循环加热和检测腔室39、第三循环加热芯片出口微通道40和第三循环加热芯片出口36用于核酸样品C的加热和检测。

以核酸样品A为例进行说明，核酸样品A和磁珠(磁性介质)均匀混合后，通过第一循环加热芯片入口27和第一循环加热芯片入口微通道28进入第一循环加热和检测腔室29，在第一循环加热和检测腔室29中，核酸样品A可以被加热扩增，加热温度和时间可以通过电路控制模块10控制，升温范围在0-70℃可调，样品扩增后产生的荧光信号通过荧光检测模块18和数据采集模块16检测，检测之后的样品通过第一循环加热芯片出口微通道30进入第一循环加热芯片出口31。

此外，本实施例的循环加热微流控芯片还可以对磁珠标记的单细胞样品(已进行荧光染色)进行热应激研究，将样品通入循环加热和检测腔室，在不同的控制加热时间和温度下，细胞会产生不同的热应激，使其表面的蛋白荧光信号发生变化，再通过荧光检测便可对其热应激结果进行表征研究，该循环加热微流控芯片理论上可以同时进行若干个样品的加热和检测，样品通过液路控制模块13控制。

进一步地，循环加热芯片基底26的材质为玻璃、塑料或者透明树脂，循环加热芯片层25的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、亚克力板(PMMA)、玻璃、塑料、透明树脂等，其中的微通道和微腔室结构通过MEMS工艺、软光刻或者3D打印的方式制作，其中循环加热芯片层25和循环加热芯片基底26通过键合、胶粘或者夹子夹扣的方式紧贴在一起；第一循环加热和检测腔室29、第二循环加热和检测腔室和第三循环加热和检测腔室39的体积容量为0.001-2000μL，循环加热和检测腔室的个数范围为1-100000个，若有更多的循环加热和检测腔室，其体积范围和如图21～图24中这三个腔室的一致。

实施例4：

本实施例的磁热微流控系统同样包括磁热单元、微流控芯片单元和检测单元，区别之处在于本实施例的微流控芯片为高通量金属检测微流控芯片，如图25～图28所示，该高通量金属检测微流控芯片包括金属检测芯片层42、金属检测芯片基底43和金属检测微流控模块，金属检测芯片层42设置在金属检测芯片基底43的上方，金属检测微流控模块设置在金属检测芯片层42中。

进一步地，金属检测微流控模块包括第一金属检测芯片入口44、第二金属检测芯片入口46、第一金属检测芯片入口微通道45、第二金属检测芯片入口微通道47、金属检测芯片样品混合腔室48、金属检测芯片腔室连接通道49、金属检测芯片检测腔室50、金属检测芯片出口微通道51和金属检测芯片出口52。

第一金属检测芯片入口44与第一金属检测芯片入口微通道45相连，第二金属检测芯片入口46与第二金属检测芯片入口微通道47相连，第一金属检测芯片入口微通道45和第二金属检测芯片入口微通道47分别与金属检测芯片样品混合腔室48相连，金属检测芯片样品混合腔室48、金属检测芯片腔室连接通道49、金属检测芯片检测腔室50、金属检测芯片出口微通道51和金属检测芯片出口52依次相连。

本实施例的高通量金属检测微流控芯片有两种检测方式，一种是热红外检测，另一种是荧光检测。使用热红外检测时，含有金属的液体样品从第一金属检测芯片入口44和第二金属检测芯片入口46注入芯片，通过第一金属检测芯片入口微通道45和第二金属检测芯片入口微通道47后进入金属检测芯片样品混合腔室48，在此腔室中，样品中的金属微粒能够通过流体混合作用均匀分散；然后均匀分散之后的样品通过金属检测芯片腔室连接通道49进入金属检测芯片检测腔室50，该金属检测芯片检测腔室50为开放型腔室，即金属检测芯片层42在该腔室处是贯穿的，直接和外部空气接触，这是为了让热红外检测模块15能够直接探测样品表面的热红外信号，通过热红外信号变化可以反映样品中的金属含量。最后检测之后的样品通过金属检测芯片出口微通道51进入金属检测芯出口52；使用荧光检测时，含有金属的液体样品从第一金属检测芯片入口44注入芯片，并通过第一金属检测芯片入口微通道45进入金属检测芯片样品混合腔室48；与此同时，热敏荧光指示剂通过第一金属检测芯片入口46注入芯片，通过第一金属检测芯片入口微通道45进入金属检测芯片样品混合腔室48；在金属检测芯片样品混合腔室48中金属样品和热敏荧光指示剂将充分混合均匀，然后通过金属检测芯片腔室连接通道49进入金属检测芯片检测腔室50；在金属检测芯片检测腔室50中，样品中的金属将被加热，此时热敏荧光指示剂将感受到样品温度变化而产生荧光信号，并被荧光检测模块18探测到，通过热红外信号变化可以反映样品中的金属含量。最后检测之后的样品通过金属检测芯片出口微通道51进入金属检测芯出口52；经过清洗后该芯片可以重复利用，除了检测金属含量，该芯片用同样的方法也可以检测样品中的磁性介质含量。

进一步地，金属检测芯片基底43的材质为玻璃、塑料或者透明树脂。金属检测芯片层42的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、亚克力板(PMMA)、玻璃、塑料、透明树脂等，其中的微通道和微腔室结构通过MEMS工艺、软光刻或者3D打印的方式制作，其中金属检测芯片基底43和金属检测芯片层42通过键合、胶粘或者夹子夹扣的方式紧贴在一起。金属检测芯片检测腔室50的容量为0.001-5000μL。

综上所述，本发明的磁热微流控系统具有如下优点：

1)利用限域增效原理极大地提高了磁热的交变磁场强度，在400kHz频率下最大磁场强度能达到200mT，在目前的磁热疗或者感应加热设备中，最大的磁场强度均小于50mT。

2)首次将磁热和微流控系统相结合，实现了微流控系统内微量样品的高效磁热，并且在流控体系中具有广泛适用性，配合不同结构的微流控芯片和各类功能磁珠，能够在生化领域实现不同的功能。

3)能够实现磁热-热泳耦合的生物和化学样品高通量分选和检测，包括微米级和纳米级的样品。

4)能够实现液体中的微纳米尺度金属含量检测，用于油液或水中的金属污染物标定测量。

5)能够实现单个生物样品(例如单细胞)的热应激，以及聚合酶链式反应(PCR)等研究。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁热微流控系统，其特征在于，包括磁热单元、微流控芯片单元和检测单元，所述磁热单元包括电磁线圈、磁芯、交流谐振电源和电路控制模块，所述电磁线圈和磁芯均为两个，每个磁芯嵌入一个电磁线圈中，形成两个磁芯线圈正对排布，两个电磁线圈通过电路连接线相连，且电流方向相同，所述交流谐振电源为两个电磁线圈提供激励电流，并与电路控制模块相连；所述微流控芯片单元设置在两个磁芯之间，所述检测单元用于对微流控芯片单元中的样品进行检测。

2.根据权利要求1所述的磁热微流控系统，其特征在于，所述磁热单元还包括循环冷却模块，所述循环冷却模块包括循环冷却泵和循环冷却管道；

每个电磁线圈缠绕在一个第一支架上，每个磁芯固定在一个第二支架上，第一支架的内部和第二支架的内部形成一个冷却液通道，两个冷却液通道通过循环冷却管道相连，所述循环冷却泵与循环冷却管道相连。

3.根据权利要求1所述的磁热微流控系统，其特征在于，所述微流控芯片单元包括微流控芯片和液路控制模块，所述液路控制模块通过连接管路将样品驱动到微流控芯片中。

4.根据权利要求3所述的磁热微流控系统，其特征在于，所述微流控芯片为磁热阵列微流控芯片，所述磁热阵列微流控芯片包括磁热阵列芯片上基底、磁热阵列芯片层和磁热阵列芯片下基底，所述磁热阵列芯片下基底具有多个捕获微孔，所述捕获微孔用于捕获磁性介质，所述磁热阵列芯片层设置在磁热阵列芯片下基底上方，磁热阵列芯片层包括多个磁热微腔室，所述磁热微腔室的数量与捕获微孔的数量一致，每个捕获微孔位于对应磁热微腔室的下方中心处，所述磁热阵列芯片上基底设置在磁热阵列芯片层上方。

5.根据权利要求3所述的磁热微流控系统，其特征在于，所述微流控芯片为循环加热微流控芯片，所述循环加热微流控芯片包括循环加热芯片层、循环加热芯片基底和循环加热微流控模块，所述循环加热芯片层设置在循环加热芯片基底的上方，所述循环加热微流控模块设置在循环加热芯片层中。

6.根据权利要求5所述的磁热微流控系统，其特征在于，所述循环加热微流控模块包括依次相连的循环加热芯片入口、循环加热芯片入口微通道、循环加热与检测腔室、循环加热芯片出口微通道和循环加热芯片出口。

7.根据权利要求3所述的磁热微流控系统，其特征在于，所述微流控芯片为高通量金属检测微流控芯片，所述高通量金属检测微流控芯片包括金属检测芯片层、金属检测芯片基底和金属检测微流控模块，所述金属检测芯片层设置在金属检测芯片基底的上方，所述金属检测微流控模块设置在金属检测芯片层中。

8.根据权利要求7所述的磁热微流控系统，其特征在于，所述金属检测微流控模块包括第一金属检测芯片入口、第二金属检测芯片入口、第一金属检测芯片入口微通道、第二金属检测芯片入口微通道、金属检测芯片样品混合腔室、金属检测芯片腔室连接通道、金属检测芯片检测腔室、金属检测芯片出口微通道和金属检测芯片出口；

所述第一金属检测芯片入口与第一金属检测芯片入口微通道相连，所述第二金属检测芯片入口与第二金属检测芯片入口微通道相连，所述第一金属检测芯片入口微通道和第二金属检测芯片入口微通道分别与金属检测芯片样品混合腔室相连，所述金属检测芯片样品混合腔室、金属检测芯片腔室连接通道、金属检测芯片检测腔室、金属检测芯片出口微通道和金属检测芯片出口依次相连。

9.根据权利要求1-8任一项所述的磁热微流控系统，其特征在于，所述检测单元包括热红外检测模块、数据采集模块和荧光检测模块，所述热红外检测模块和荧光检测模块的探头对准微流控芯片单元内的样品，所述数据采集模块通过数据连接线分别与热红外检测模块、荧光检测模块相连。

10.一种微流控方法，基于权利要求1-9任一项所述的磁热微流控系统实现，其特征在于，所述方法包括：

通过电路控制模块控制交流谐振电源的输出频率、电流大小和通电时间；

通过交流谐振电源、电磁线圈和磁芯配合，在微流控芯片单元的特定区域产生交变强磁场；

通过检测单元对微流控芯片单元中的样品进行检测，从而实现金属样品、磁性样品或者生物样品的定量或定性检测。

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