CN116459882A - 磁性数字微流控系统及微流控方法 - Google Patents

磁性数字微流控系统及微流控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁性数字微流控系统及微流控方法，所述系统包括液滴操控单元、磁芯线圈阵列通断单元、逻辑控制单元和信号检测单元，所述液滴操控单元包括微流控平台和磁芯线圈阵列，所述磁芯线圈阵列设置在微流控平台的下方，磁芯线圈阵列与磁芯线圈阵列通断单元相连，所述逻辑控制单元分别与磁芯线圈阵列通断单元、信号检测单元相连。本发明利用磁芯线圈阵列，能够直接驱动微流控平台中的磁性液滴和非磁性液滴，并实现对液滴的控制以及运输、合并、分配、加热以及检测等一系列操作，可以解决现有的磁性数字微流控系统只能局限于驱动磁性液滴，以及生物相容性较差的问题。

Description

磁性数字微流控系统及微流控方法
技术领域
本发明涉及一种微流控系统，尤其是一种磁性数字微流控系统及微流控方法，属于磁性数字微流控技术领域。
背景技术
数字微流控(digital microfluidic，DMF)芯片技术凭借其可配置性强、可同时处理多个液滴和试剂消耗速率低等优势，受到了广大科研工作者的青睐,同时该技术已经广泛应用于分析化学、临床诊断、DNA测序和环境监测等领域[1]。
同时，传统的连续流动微流控系统已显示出高吞吐量和强大的流体处理能力[2-4]。然而，微流控系统中定义流体路径和几何约束的操作严重限制了它们的适应性和自动化，且在大规模设置中的微流控系统施加了相同的限制。
为了解决这些限制，出现了数字微流体驱动技术，相较于传统需要制备微沟道的微流控芯片，数字微流控芯片结构简单，不需要制作微通道和微流体动力源，不易造成样品堵塞污染和死区，便于大规模集成。数字微流控芯片的基础是数字液滴驱动技术，基于介电润湿效应(Electrowetting on Dielectric，EWOD)的液滴驱动技术凭借其集成性好、操控便捷、不易造成电极的污染等优势已成为芯片上驱动液滴的主流技术，能够以可编程方式在开放表面上传输离散液滴[5-7]，但是该技术也受限于液滴的表面电荷，以及电极(通常是一次性的)的制作成本等，并且需要预先设计电极的分布路径，液滴只能按照电极的固有路径进行移动，这些缺点可能会限制其使用寿命以及与其他外围组件的兼容性，从而影响其应用多样性[8-9]。
磁性数字微流控(Magnetic digital microfluidics)就是指利用磁力驱动控制液滴的数字微流体技术。与其它数字微流体平台相比，磁性数字微流控中使用的磁性液滴具有多种功能，除了作为驱动执行器之外，它们还为分子靶向结合提供功能性固体基质，从而在分子诊断和免疫诊断中得到广泛应用。
磁性数字微流控的基本作用原理就是磁场和磁响应结构的相互作用。其中磁场可分为永磁场和电磁场两大类，永磁场广泛用于无电源环境，适用于长期的户外生化分析，并且磁场强度高，磁力作用更强，但是永磁铁通常需要借助机械系统进行移动，这将导致系统复杂而庞大。而电磁场与永磁场相比灵活得很多，这是因为电磁铁占据的空间更小，形式更灵活，如印刷电路铜线圈和电磁柱，并且可以通过电流灵活地调节所需磁场，其缺点就是磁场强度较弱，对弱磁性液滴的驱动能力不足，目前利用电磁场控制磁性液滴的系统，通常都需要外加一个静态磁场，以增强磁力。。
磁响应结构可分为磁性液滴和磁性基板，前者可以通过磁场直接驱动液滴，而后者则是通过磁性基板的形变来驱动液滴。磁性液滴可分为包含磁性微粒的液滴、磁流体和磁性液态弹珠。其中包含磁性颗粒的液滴主要是指在液滴中有一定量的铁磁性或者超顺磁性磁珠，通过磁珠对磁场的响应来拖拽液滴进行移动，同时磁珠还具备靶向结合的功能。磁流体则是一种稳定的胶体溶液，由磁性固体纳米颗粒(通常是纳米级的氧化铁或者四氧化三铁颗粒)、基础载液(水或者油)和表面活性剂组成，具有样品运输、驱动和表面润湿等功能。磁流体通常具有更高的磁化系数，能够有更强的磁响应，但其在固体表面上移动的摩擦力也更大，并且由于生物相容性问题很难拥有特异性结合功能。磁性液体弹珠是体积为数百皮升到数十微升的液滴，上面覆盖有疏水磁性粉末(例如氧化铁和聚乙二醇)，通过表面的磁性粉末可以驱动液滴的移动，与传统液滴的主要区别是磁性粉末不会在液滴内形成塞子，而是留在液态弹珠表面。磁性液态弹珠具有高度稳定性，并且可以减少液体蒸发，但在液滴溶液等操作中存在难度。以上这些液滴通常处于有疏水涂层的平面或者充满油的微腔室中，微粒避免污染，疏水涂层平面或者油基微腔室通常是一次性使用的，因此对其成本有较高要求。磁性基板是能够产生磁性形变的柔性疏水基板，柔性基板很容易变形以在表面上产生凹痕。液滴滚向势能最低的凹痕。通过变形和移动柔性基板上凹痕的位置，可以轻松控制磁性和非磁性液滴的运动，但磁性基板的制备通常是复杂和昂贵的。
从以上现状可以得出，而在磁场方面，永磁铁虽然能够产生强磁场，对磁性液滴的驱动能力较强，但是需要额外的机械移动系统来控制永磁铁，而电磁从虽然灵活可控，但磁场较弱，通常需要外加静磁场叠加才能驱动磁性液滴。在液滴方面，现有的磁性数字微流控系统大部分都只能操控具磁性液滴，虽然磁珠具有特异性结合的优点，但是也有大量的磁流体不具备良好的生物相容性，限制了磁性数字微流控的后端应用。而能够操控非磁性液滴的磁性基板的成本比带有疏水涂层的平面或者油基微腔室高很多，不利于在不同环境中的即时诊断等应用。
上述参考文献如下：
[1]SAMIEI E,TABRIZIAN M,HOORFAR M.Areview of digital microfluidics asportable platforms for lab-on-a-chip application[J].Lab on a Chip,2016,16(13):2376-2396.
[2]M.Antfolk,T.Laurell,Continuous flow microfluidic separation andprocessing of rare cells and bioparticles found in blood–Areview.Anal.Chim.Acta 965,9-35(2017).
[3]M.Karle,S.K.Vashist,R.Zengerle,F.von Stetten,Microfluidicsolutions enabling continuous processing and monitoring of biologicalsamples:Areview.Anal.Chim.Acta929,1-22(2016).
[4]D.Di Carlo,D.Irimia,R.G.Tompkins,M.Toner,Continuous inertialfocusing,ordering,and separation of particles in microchannels.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.104,18892-18897(2007).
[5]M.Abdelgawad,A.R.Wheeler,The digital revolution:Anew paradigm formicrofluidics.Adv.Mater.21,920-925(2009).
[6]M.G.Pollack,R.B.Fair,A.D.Shenderov,Electrowetting-based actuationof liquid droplets for microfluidic applications.Appl.Phys.Lett.77,1725(2000).
[7]K.Choi,A.H.C.Ng,R.Fobel,A.R.Wheeler,Digital Microfluidics.Annu.Rev.Anal.Chem.5,413-440(2012).
[8]M.Mibus,G.Zangari,Performance and reliability of electrowetting-on-dielectric(EWOD)systems based on tantalum oxide.ACS Appl.Mater.Interfaces9,42278-42286(2017).
[9]Y.Zhang,N.-T.Nguyen,Magnetic digital microfluidics-Areview.LabChip 17,994-1008(2017).
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的磁性数字微流控系统只能局限于驱动磁性液滴，以及生物相容性较差的问题，提供了一种磁性数字微流控系统，该系统利用磁芯线圈阵列，能够直接驱动微流控平台中的磁性液滴和非磁性液滴，并实现对液滴的控制以及运输、合并、分配、加热以及检测等一系列操作。
本发明的另一目的在于提供一种磁性数字微流控方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种磁性数字微流控系统，包括液滴操控单元、磁芯线圈阵列通断单元、逻辑控制单元和信号检测单元，所述液滴操控单元包括微流控平台和磁芯线圈阵列，所述磁芯线圈阵列设置在微流控平台的下方，磁芯线圈阵列与磁芯线圈阵列通断单元相连，所述逻辑控制单元分别与磁芯线圈阵列通断单元、信号检测单元相连。
进一步的，所述液滴操控单元还包括磁芯线圈阵列散热结构，所述磁芯线圈阵列散热结构堆叠嵌套在磁芯线圈阵列的外轮廓上。
进一步的，所述微流控平台为三层夹心结构，包括从上到下依次设置的上基底、微通道层和下基底；
所述上基底包括介质入口、介质出口和样品入口，所述介质入口和介质出口位于磁芯线圈阵列的外围，所述样品入口位于磁芯线圈阵列的上方；
所述微通道层包括微腔室与微通道结构，所述微腔室与微通道结构位于磁芯线圈阵列的正上方，微腔室与微通道结构的所覆盖的区域大于磁芯线圈阵列的截面，微腔室与微通道结构与磁芯线圈阵列之间通过下基底隔开，微腔室与微通道结构分别与介质入口、介质出口、样品入口相连通。
进一步的，所述微腔室与微通道结构包括液滴基本功能区、液滴加热功能区和液滴检测功能区，所述磁芯线圈阵列的控制区域覆盖液滴基本功能区、液滴加热功能区和液滴检测功能区，所述液滴基本功能区与样品入口相连通，液滴基本功能区的液滴基本功能包括液滴运输、合并和分配，所述信号检测单元布置在液滴检测功能区的上方。
进一步的，所述微流控平台为单层疏水平台结构。
进一步的，所述磁芯线圈阵列包括多个磁芯线圈，磁芯线圈阵列能够通过多个磁芯线圈排列成任意阵列形状，每个磁芯线圈包括磁芯和电磁线圈，所述电磁线圈紧密绕在磁芯上。
进一步的，还包括人机交互单元，所述人机交互单元与逻辑控制单元相连。
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，基于上述的磁性数字微流控系统实现，所述方法包括：
在微流控平台中注入液滴，通过磁芯线圈阵列通断单元控制磁芯线圈阵列产生磁场，以驱动微流控平台中的液滴运动；
当信号检测单元检测到液滴的信号变化后，信号检测单元将信号变化反馈给逻辑控制单元，使逻辑控制单元根据信号变化激活下一阶段的液滴操控路径，并通过磁芯线圈阵列通断单元控制磁芯线圈阵列中各磁芯线圈的通断，以产生相应的磁场。
进一步的，所述微流控平台为三层夹心结构；
所述在微流控平台中注入液滴，通过磁芯线圈阵列通断单元控制磁芯线圈阵列产生磁场，以驱动微流控平台中的液滴运动，具体包括：
若操控液滴为磁性液滴，则在微流控平台的微通道层中注满非磁性液体介质，该非磁性液体介质和磁性液滴互不相溶，将磁性液滴从微流控平台的样品入口注入；通过磁芯线圈阵列通断单元控制磁性液滴下方的磁芯线圈通电，通过电磁感应在该磁芯线圈的磁芯上方产生磁场，将磁性液滴吸引固定在该磁芯线圈的磁芯上方；通过磁芯线圈阵列通断单元控制该磁芯线圈断电，并控制该磁芯线圈相邻的磁芯线圈通电，磁性液滴被吸引而移动到相邻磁芯线圈的上方，实现对磁性液滴的运动操控；
若操控液滴为非磁性液滴，则在微流控平台的微通道层中注满磁性液体介质，该磁性液体介质和非磁性液滴互不相溶，将非磁性液滴从微流控平台的样品入口注入；通过磁芯线圈阵列通断单元控制非磁性液滴下方的磁芯线圈通电，通过电磁感应在该磁芯线圈的磁芯上方产生磁场，该磁场吸引非磁性液滴周围的磁性液体介质，从而对非磁性液滴产生挤压排斥力，使非磁性液滴移动到该磁芯线圈相邻的不通电的磁芯线圈上方，从而实现对非磁性液滴的运动操控。
进一步的，所述微流控平台为单层疏水平台结构；
所述在微流控平台中注入液滴，通过磁芯线圈阵列通断单元控制磁芯线圈阵列产生磁场，以驱动微流控平台中的液滴运动，具体包括：
将磁性液滴注入磁芯线圈阵列上方的微流控平台中，通过磁芯线圈阵列通断单元控制磁性液滴下方的磁芯线圈通电，通过电磁感应在该磁芯线圈的磁芯上方产生磁场，将磁性液滴吸引固定在该磁芯线圈的磁芯上方；通过磁芯线圈阵列通断单元控制该磁芯线圈断电，并控制该磁芯线圈相邻的磁芯线圈通电，磁性液滴被吸引而移动到相邻磁芯线圈的上方，实现对磁性液滴的运动操控。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
本发明利用简单磁芯线圈阵列产生的电磁场，便可操控磁性液滴或者非磁性液滴，或者同时操控磁性和非磁性液滴，对于非磁性液滴，还能够实现对其的三维操控；此外，本发明中的微流控平台是一个开放性平台，无需复杂的微通道结构，也无需PCB(印制电路板)电路和电极，具有高度可扩展性，制作和更换成本极低，利用磁芯线圈阵列能够同时控制高达500个液滴，极大地提高了液滴操控效率。
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的磁性数字微流控系统构成图。
图2为本发明实施例1的液滴操控单元结构示意图。
图3为本发明实施例1的液滴操控单元正视结构图。
图4为图3的A-A剖面图。
图5为本发明实施例1的示出磁芯线圈阵列的液滴操控单元正视结构图。
图6为本发明实施例1的示出磁芯线圈阵列的液滴操控单元侧视结构图。
图7为本发明实施例1的液滴操控单元俯视结构图。
图8为本发明实施例1的微流控平台结构示意图。
图9为本发明实施例1的微流控平台功能分区示意图。
图10为本发明实施例1的磁芯线圈阵列结构示意图。
图11为本发明实施例1的磁芯线圈阵列散热结构示意图。
图12为本发明实施例1的磁性液滴运动基本原理图。
图13为本发明实施例1的非磁性液滴运动基本原理图。
图14为本发明实施例1的水平方向液滴运输示意图。
图15a～图15c为本发明实施例1的其中一种水平方向液滴分配及合并示意图。
图16a～图16c为本发明实施例1的另一种水平方向液滴分配及合并示意图。
图17a～图17c为本发明实施例1的垂直方向非磁性液滴的运动控制示意图。
其中，1-液滴操控单元，2-微流控平台，3-磁芯线圈阵列，4-磁芯线圈阵列散热结构，5-磁芯线圈阵列控制连接线，6-磁芯线圈阵列通断单元，7-磁芯线圈电源连接线，8-线圈供电电源，9-信号检测单元，10-信号反馈传输线，11-逻辑控制单元，12-磁芯线圈通断控制线，13-逻辑控制单元电源及传输线，14-人机交互单元，15-上基底，16-微通道层，17-下基底，18-介质入口，19-介质出口，20-样品入口，21-微腔室与微通道结构，22-磁芯，23-电磁线圈，24-液滴基本功能区，25-液滴加热功能区，26-液滴检测功能区，27-磁性液滴，28-非磁性液滴，29-凹槽结构。
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和图2所示，本实施例提供了一种磁性数字微流控系统，该系统包括液滴操控单元1、磁芯线圈阵列通断单元6、逻辑控制单元11、信号检测单元9和线圈供电电源8，液滴操控单元1包括微流控平台2和磁芯线圈阵列3，微流控平台用于承载磁性液滴或者非磁性液滴，并完成液滴的各种操控，液滴包括水基液滴和油基液滴，磁芯线圈阵列3设置在微流控平台2的下方，用于产生磁场驱动液滴运动，磁芯线圈阵列3与磁芯线圈阵列通断单元6相连，具体地，磁芯线圈阵列3中的每个磁芯线圈分别通过磁芯线圈阵列控制连接线5与磁芯线圈阵列通断单元6的一端相连，使得每个磁芯线圈的通断都可以通过磁芯线圈阵列通断单元6单独控制，磁芯线圈阵列通断单元6的另一端与磁芯线圈电源连接线7与线圈供电电源8相连，线圈供电电源8的电流调节范围为0-400A，最多能够同时驱动200路磁芯线圈；逻辑控制单元11分别与磁芯线圈阵列通断单元6、信号检测单元9相连，具体地，磁芯线圈阵列通断单元6的通断点位和持续时间由逻辑控制单元11控制，磁芯线圈阵列通断单元6和逻辑控制单元11之间通过磁芯线圈通断控制线12相连，同时逻辑控制单元11通过信号传输线10与信号检测单元9相连，磁芯线圈阵列通断单元6为继电器开关阵列或者场效应管阵列，逻辑控制单元11为单片机、芯片等微控制器。
进一步地，本实施例的信号检测单元9布置在微流控平台2的上方，根据不同的应用需求可以使用色彩检测器，荧光检测器或者热红外检测器，检测到液滴的信号变化后，将信号变化反馈到逻辑控制单元11，然后根据信号变化自动激活下一阶段的液滴操控路径，并通过逻辑控制单元11控制磁芯线圈通断程序，使磁芯线圈阵列通断单元6进行相应的磁芯线圈通断操作。
进一步地，本实施例的磁性数字微流控系统还包括人机交互单元14，人机交互单元14与逻辑控制单元11相连，具体地，人机交互单元14和逻辑控制单元11之间通过逻辑控制单元电源及传输线13相连，信号检测单元9将信号变化反馈到逻辑控制单元11之后，可以通过人机交互单元14进行采集显示，人机交互单元14中的交互软件能够自定义线圈阵列的排布和线圈通断控制流程，调节参数包括线圈阵列的排布、线圈选择、通电持续时间、电流大小和通电切换时间，并且具备光电检测信号采集程序和反馈控制程序，通过该软件能够自定义多路和多个控制流程，逻辑控制单元11能够按照所定义定的流程自动执行线圈通断程序。
如图2～图8所示，液滴操控单元1中的微流控平台2为三层夹心结构，其包括从上到下依次设置的上基底15、微通道层16和下基底17，上基底包括介质入口18、介质出口19和样品入口20，介质入口18和介质出口19位于磁芯线圈阵列3的外围(即其下方没有磁芯线圈)，样品入口20位于磁芯线圈阵列3的上方；微通道层16包括微腔室与微通道结构21，微腔室与微通道结构21位于磁芯线圈阵列3的正上方，微腔室与微通道结构21的所覆盖的区域比磁芯线圈阵列3的截面更大，微腔室与微通道结构21与磁芯线圈阵列3之间通过下基底17隔开，微腔室与微通道结构21分别与介质入口18、介质出口19、样品入口20相连通。
进一步地，微腔室与微通道结构21可按照应用需求划分不同的功能区域，如图9所示，例如液滴基本功能区24、液滴加热功能区25和液滴检测功能区26，各个功能区域可以根据磁芯线圈阵列3的排布形状以及应用需求自由划定，液滴基本功能区24与样品入口20相连通，液滴基本功能区24的液滴基本功能包括液滴运输、合并和分配，在液滴加热功能区25中，液滴的加热温度范围为0℃-99℃。
进一步地，下基底17的厚度为0.1mm-2mm，微通道层16的厚度，即微腔室与微通道结构21的高度为0.05mm-10mm；磁芯线圈阵列3的控制区域能够覆盖所有微腔室与微通道结构21中的功能区域，即磁芯线圈阵列3的控制区域能够覆盖液滴基本功能区24、液滴加热功能区25和液滴检测功能区26，使得样品入口20的下方有磁芯线圈；样品入口20的数量为1-500个；微通道层16的微腔室与微通道结构21是利用激光切割、机械切割打孔等方式加工而成；上基底15的材质为透明的塑料薄膜、亚克力板、玻璃片等，下基底17和微腔室与微通道结构21的材质为透明或者不透明的塑料薄膜、亚克力板、玻璃片、陶瓷片、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等；微流控平台2不同层之间采用胶粘、热压、键合或者夹子夹扣等方式进行密封。
磁芯线圈阵列3的结构如图10所示，其包括多个磁芯线圈，每个磁芯线圈包括磁芯22和电磁线圈23，电磁线圈23由导线绕制而成，使得电磁线圈23紧密绕在磁芯22上。
进一步地，磁芯线圈个数为1-10000个，可以排布成任意形状，例如10×10的阵列，或者其他任意形状；磁芯22可以是任意形状截面(例如截面为圆形、矩形、三角形等)的柱状体，本实施例的磁芯22为圆柱形(图10所示)，长度为1mm-200mm，截面积为0.1mm2-20mm2，磁芯材质为高导磁合金，例如坡莫合金、硅钢、铁氧体等，磁芯可以是一体结构，也可以是由片状结构堆叠而成；本领域技术人员容易理解，除了柱状体，磁芯22也可以是两头粗、中间细的“工”字型结构，电磁线圈23缠绕在“工”字型结构中间细的柱状体中，该柱状体长度为1mm-200mm，截面积为0.1mm2-20mm2，两头的长度为0.1-5mm，截面积为0.2mm2-40mm2；绕制电磁线圈23的导线直径为0.02mm-5mm，导线紧密缠绕在磁芯柱状体上，形成螺线管状电磁线圈，螺线管的缠绕层数为1-500层，导线的材质为铜、铝、银等导电材料，表面涂覆绝缘漆。
如图11所示，本实施例的液滴操控单元1还包括磁芯线圈阵列散热结构4，磁芯线圈阵列散热结构4是根据磁芯线圈阵列3的形状而定制的散热片结构，磁芯线圈阵列散热结构4堆叠嵌套在磁芯线圈阵列3的外轮廓上，除了散热作用，也起到固定磁芯线圈的作用。
进一步地，磁芯线圈阵列散热结构4的材质为氧化铝、氮化铝、石墨、导热硅胶、蓝宝石/红宝石玻璃等具有高导热系数，且不导磁的材料，每片磁芯线圈阵列散热结构4通过激光切割等方式加工成能够包裹住磁芯线圈阵列3的形状，并堆叠嵌套在磁芯线圈阵列3外轮廓上，在起到散热作用的同时也起到对磁芯线圈阵列3的固定作用。
本实施例在液滴基本功能区24，能对磁性液滴和非磁性液滴在水平方向进行运输、合并以及分配的操控，以及在垂直方向的三维运动操控。
在对磁性液滴进行操控时，先通过介质入口18往微腔室与微通道结构21中注满非磁性液体介质，这里的非磁性液体介质和磁性液滴互不相溶，例如磁性液滴为水基的磁流体、磁性盐溶液或者含有磁珠的水溶液，非磁性液体介质为油基的矿物油等，或者磁性液滴为油基的样品溶液，非磁性液体介质为水基的纯水等；然后将磁性液滴从样品入口20滴入微腔室与微通道结构21，此时磁性液滴将位于磁芯线圈上方；磁性液滴运动的基本原理如图12所示，当磁性液滴下方的磁芯线圈通电时，通过电磁感应在该磁芯线圈的磁芯上方能够产生磁场，将磁性液滴吸引固定在该磁芯线圈的磁芯上方，接着将该磁芯线圈断电，对该磁芯线圈相邻的磁芯线圈通电时，磁性液滴则将被吸引而移动到相邻磁芯线圈的上方，即利用磁泳效应对磁性液滴进行吸引，通过控制下方的磁芯线圈的通断顺序而产生磁场变化，便可吸引磁性液滴按照既定的路径移动，实现对磁性液滴的运动操控。
在对非磁性液滴进行操控时，先通过介质入口18往微腔室与微通道结构21中注满磁性液体介质，这里的磁性液体介质和非磁性液滴互不相溶，例如磁性液体介质为水基的磁流体、磁性盐溶液或者含有磁珠的水溶液，非磁性液滴为油基的矿物油等样品，或者磁性液体介质为油基的磁性溶液，非磁性液滴为水基的纯水、细胞培养液等；然后将磁性液滴从样品入口20滴入微腔室与微通道结构21，此时磁性液滴将位于磁芯线圈上方；非磁性液滴运动的基本原理如图13所示，当磁性液滴下方的磁芯线圈不通电时，上方的微腔室与微通道结构21中没有磁场，此时处于磁性液体介质中的非磁性液滴由于没有受力，将会停留在样品入口20处，当磁性液滴下方的磁芯线圈通电，而该磁芯线圈相邻的磁芯线圈不通电时，通过电磁感应在该磁芯线圈的磁芯上方能够产生磁场，该磁场能够吸引非磁性液滴周围的磁性液体介质，从而对非磁性液滴产生挤压排斥力，即利用负磁泳效应对磁性液体介质中的非液滴进行排斥，使非磁性液滴移动到该磁芯线圈相邻的不通电的磁芯线圈上方，从而实现对非磁性液滴的运动操控；这里可以通过同时对液滴周围的多个线圈通电，使其产生定向的排斥力，精确控制非磁性液滴向着既定的无磁场方向运动；除此之外，非磁性液滴还能够受到磁场排斥力而在垂直方向上实现升降运动，从而实现非磁性液滴的三维运动操控。
液滴在水平方向运输的示意图如图14所示；为了更好进行说明，在此对磁芯线圈先进行标号，即1-12号；对于磁性液滴，其利用磁场吸引力，即磁泳力实现运动，图中当2号磁芯线圈通电时，磁性液滴由于受到磁力的吸引而固定在2号磁芯线圈上方；当2号磁芯线圈断点，5号磁芯线圈通电时，2号磁芯线圈的磁力消失，5号磁芯线圈将对磁性液滴产生吸引力，从而驱动磁性液滴从2号磁芯线圈上方运动到5号磁芯线圈上方，此时便完成了磁性液滴的基本运输，通过操控线圈的通电顺序和时间，便可操控磁性液滴沿着任意路径进行运输移动。对于非磁性液滴，为了精确控制其运动方向，首先将2号、4号和6号磁芯线圈通电，并且2号磁芯线圈与其它两个磁芯线圈的电流方向相反，即产生的磁场方向相反，从而在4号-2号-6号磁芯线圈上方将形成一个凹槽形状的磁场，此时处于5号磁芯线圈上方的非磁性液滴便会受到该磁场产生的负磁泳排斥力，从而向着8号磁芯线圈移动。同理，接着将2号、4号和6号磁芯线圈断电，对5号、7号和9号磁芯线圈通电，此时非磁性液滴便会继续受到负磁泳排斥力而向着11号磁芯线圈上方移动，通过自定义线圈的通电情况，便可实现对非磁性液滴的精确运输操控。
液滴在水平方向上的分配即合并示意图如图15a～图15c、图16a～图16c所示，液滴的分配和合并有两种形式，第一种形式是针对磁性液滴，将磁性液滴下方的磁芯线圈断电，同时给其相邻的两个磁芯线圈通电，即可将磁性液滴一分为二，分别吸引到相邻两个磁芯线圈上方，在需要合并时，将这两个相邻的磁芯线圈断电，再给中间线圈通道，便可以将分开的两个磁性液滴吸引到中间而实现液滴合并，如图15a～图15c所示；第二种形式是针对磁芯液滴或者非磁性液滴，这种形式需要借助边缘辅助微结构，即在微通道层16的微腔室与微通道结构21中事先切割出如图所示的凹槽结构29，利用前面所述的液滴操控方式，让液滴紧贴凹槽结构29边缘移动，便可将液滴分配到凹槽结构29中，留在凹槽内的液滴体积由凹槽大小决定，需要合并液滴时，只需再将液滴驱动到凹槽结构29处，让两个液滴接触合并，如图16a～图16c所示。
非磁性液滴由于是受到负磁泳排斥力驱动的，因此非磁性液滴还能够在垂直方向上运动，实现非磁性液滴的三维操控，其垂直运动控制示意图如图17a～图17c所示；首先将非磁性液滴四周的磁芯线圈通电产生磁场，将利用负磁泳排斥力将非磁性液滴固定在中间磁芯线圈上方，然后再将中间磁芯线圈通电，并调节其电流始终小于四周线圈的电流，即中间磁芯线圈产生的磁场小于四周线圈产生的磁场，这样非磁性液滴将会受到中间线圈磁场的排斥力而上升，同时由于四周磁场更强，该非磁性液滴不会向四周运动，这样就实现了其在垂直方向上的运动；结合非磁性液滴在水平方向的运动，本实施例的磁性数字微流控系统能够对非磁性液滴进行三维运动操控。
进一步地，本实施例所操控的液滴(包括磁性液滴和非磁性液滴)的体积范围为1pL-100μL，液滴移动速度为1μm/s-20mm/s。
除此之外，本实施例的磁性数字微流控系统还可以同时对磁性液滴和非磁性液滴进行操控，当磁性液体介质(与液滴互不相溶)的磁化率处于磁性液滴和非磁性液滴之间时，即磁性液体介质的磁化率大于非磁性液滴，但小于磁性液滴，此时，在磁场的作用下，磁性液滴将受到磁泳力而向着磁场移动，而非磁性液滴将受到负磁泳力而远离磁场运动；先通过介质入口18往微腔室与微通道结构21中注满磁性液体介质，然后将磁性液滴和非磁性液滴从样品入口20滴入微腔室与微通道结构21，最后采取上述操控磁性液滴和非磁性液滴的方案，便可对实现对磁性液滴和非磁性液滴的同时操控。
在液滴加热功能区25中，本实施例的磁性数字微流控系统能够根据液滴操控或者反应所需的温度，对液滴进行加热，液滴的加热温度范围为0℃-99℃，该液滴加热功能区25能够用于各类化学反应或者核酸扩增等生物反应。首先通过系统的运输功能，将液滴运输到液滴加热功能区25，然后将该功能区下方的磁芯线圈通电，此时电磁线圈23和磁芯22都会产生热量，并且升温幅度和速率随着电流的增加而增加，最后热量通过下基底17传导至液滴加热功能区25中的微腔室中，对该微腔室内的液滴进行加热。加热温度和持续时间可以通过电流大小和通电时间来控制，在此液滴的温度范围可控制在0℃-99℃。
在液滴检测功能区26的上方，布置了信号检测单元9，该信号检测单元9是用于检测液滴状态的传感器，例如用于检测液滴颜色变化的色彩传感器、用于检测液滴荧光变化的荧光传感器、或者用于检测液滴温度变化的红外传感器等。当液滴用于特异性标志物检测时，可用特定的荧光染料和液滴样品共孵育一段时间，标志物将会被染色而发出荧光，通过荧光传感器便能对液滴样品中的特异性标志物进行检测。当液滴样品用于核酸扩增和提取时，样品的荧光、颜色或者温度均有可能发生变化，此时可以通过荧光传感器、色彩传感器或者热红外传感器对液滴进行检测。通过检测信号能够判断液滴样品的反应进度或者状态，进而决定下一阶段的样品操控步骤。
液滴的操控是通过微流控平台2下方的磁芯线圈阵列3产生的磁场来实现的，而磁场的产生是通过线圈的电磁效应产生的。首先磁芯线圈阵列3的每路线圈都将连接到磁芯线圈阵列通断单元6，该磁芯线圈阵列通断单元6可以是开关阵列或者场效应管等控制单元，磁芯线圈阵列通断单元6的一端通过磁芯线圈阵列控制连接线与磁芯线圈阵列3连接，另一端则通过磁芯线圈电源连接线7与线圈供电电源8相连，而每个线圈的通断与否、电流大小和方向、以及通断的逻辑顺序，则由逻辑控制单元11控制，逻辑控制单元11通过磁芯线圈通断控制线12来控制磁芯线圈阵列通断单元6的通断，进而控制磁芯线圈阵列3中各个线圈的通断，以产生相应的磁场，该逻辑控制单元11是单片机或者可编程的集成芯片；此外，信号检测单元9的信号也将通过信号反馈传输线10反馈给逻辑控制单元11，用于信号的采集，以及决定下一阶段的液滴操控，最后逻辑控制单元11将通过逻辑控制单元电源及传输线13与人机交互单元14相连，在单片机中或者电脑中实现人机交互控制，实现液滴操控路径和信号采集输出的自定义功能。
本实施例的磁性数字微流控系统能够实现磁芯线圈阵列3中任意磁芯线圈的通断控制，包括一个磁芯线圈的单独控制，以及多个磁芯线圈的同时通断控制，多路同时控制上限为磁芯线圈阵列3的磁芯线圈个数；磁芯线圈的电流调节范围为0.2A-4A，控制方式为恒流模式，并且每个磁芯线圈的电流方向可单独调控；磁芯线圈的通电持续时间可调范围为0.1s-2s，磁芯线圈的通电切换时间为0s-0.1s；系统参数通过人机交互软件控制，软件能够自定义磁芯线圈阵列3的排布和磁芯线圈通断控制流程，调节参数包括磁芯线圈阵列3的排布，磁芯线圈选择、通电持续时间、电流大小和通电切换时间，具备检测信号采集程序和反馈控制程序。
实施例2：
本实施例的磁性数字微流控系统同样包括液滴操控单元、磁芯线圈阵列通断单元、逻辑控制单元、信号检测单元、线圈供电电源和人机交互单元，液滴操控单元也包括微流控平台和磁芯线圈阵列，区别之处在于微流控平台为单层疏水平台结构，其只能对磁性液滴进行操控，具体为：将磁性液滴滴到磁芯线圈阵列上方的微流控平台中，当磁性液滴下方的磁芯线圈通电时，通过电磁感应在该磁芯线圈的磁芯上方产生磁场，将磁性液滴吸引固定在该磁芯线圈的磁芯上方，将该磁芯线圈断电，并将该磁芯线圈相邻的磁芯线圈通电，磁性液滴被吸引而移动到相邻磁芯线圈的上方，实现对磁性液滴的运动操控。
综上所述，本发明的磁性数字微流控系统具有如下优点：
1)本发明利用简单磁芯线圈阵列产生的电磁场，便可操控磁性液滴和非磁性液滴，彻底解决磁性数字微流控生物相容性差，以及对磁珠的依赖等问题。
2)本发明的微流控平台中没有复杂的微通道结构，也没有电极，液滴移动路径能够自定义，是一个开放性平台，具有高度可扩展性，能够实现液滴的运输、合并、分配、加热以及检测等各种操作，在生物化学领域具有广泛的应用。
3)本专利中的磁芯线圈阵列能够重复使用，微流控平台只有简单的微腔室，没有复杂的PCB电路，也没有电极，面对不同的应用需求，能够以极低的成本更换微流控平台。
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)

1.一种磁性数字微流控系统，其特征在于，包括液滴操控单元、磁芯线圈阵列通断单元、逻辑控制单元和信号检测单元，所述液滴操控单元包括微流控平台和磁芯线圈阵列，所述磁芯线圈阵列设置在微流控平台的下方，磁芯线圈阵列与磁芯线圈阵列通断单元相连，所述逻辑控制单元分别与磁芯线圈阵列通断单元、信号检测单元相连。
2.根据权利要求1所述的磁性数字微流控系统，其特征在于，所述液滴操控单元还包括磁芯线圈阵列散热结构，所述磁芯线圈阵列散热结构堆叠嵌套在磁芯线圈阵列的外轮廓上。
3.根据权利要求1所述的磁性数字微流控系统，其特征在于，所述微流控平台为三层夹心结构，包括从上到下依次设置的上基底、微通道层和下基底；
所述上基底包括介质入口、介质出口和样品入口，所述介质入口和介质出口位于磁芯线圈阵列的外围，所述样品入口位于磁芯线圈阵列的上方；
所述微通道层包括微腔室与微通道结构，所述微腔室与微通道结构位于磁芯线圈阵列的正上方，微腔室与微通道结构的所覆盖的区域大于磁芯线圈阵列的截面，微腔室与微通道结构与磁芯线圈阵列之间通过下基底隔开，微腔室与微通道结构分别与介质入口、介质出口、样品入口相连通。
4.根据权利要求3所述的磁性数字微流控系统，其特征在于，所述微腔室与微通道结构包括液滴基本功能区、液滴加热功能区和液滴检测功能区，所述磁芯线圈阵列的控制区域覆盖液滴基本功能区、液滴加热功能区和液滴检测功能区，所述液滴基本功能区与样品入口相连通，液滴基本功能区的液滴基本功能包括液滴运输、合并和分配，所述信号检测单元布置在液滴检测功能区的上方。
5.根据权利要求1所述的磁性数字微流控系统，其特征在于，所述微流控平台为单层疏水平台结构。
6.根据权利要求1-5任一项所述的磁性数字微流控系统，其特征在于，所述磁芯线圈阵列包括多个磁芯线圈，磁芯线圈阵列能够通过多个磁芯线圈排列成任意阵列形状，每个磁芯线圈包括磁芯和电磁线圈，所述电磁线圈紧密绕在磁芯上。
7.根据权利要求1-5任一项所述的磁性数字微流控系统，其特征在于，还包括人机交互单元，所述人机交互单元与逻辑控制单元相连。
8.一种微流控方法，基于权利要求1-7任一项所述的磁性数字微流控系统实现，其特征在于，所述方法包括：
在微流控平台中注入液滴，通过磁芯线圈阵列通断单元控制磁芯线圈阵列产生磁场，以驱动微流控平台中的液滴运动；
当信号检测单元检测到液滴的信号变化后，信号检测单元将信号变化反馈给逻辑控制单元，使逻辑控制单元根据信号变化激活下一阶段的液滴操控路径，并通过磁芯线圈阵列通断单元控制磁芯线圈阵列中各磁芯线圈的通断，以产生相应的磁场。
9.根据权利要求8所述的微流控方法，其特征在于，所述微流控平台为三层夹心结构；
所述在微流控平台中注入液滴，通过磁芯线圈阵列通断单元控制磁芯线圈阵列产生磁场，以驱动微流控平台中的液滴运动，具体包括：
若操控液滴为磁性液滴，则在微流控平台的微通道层中注满非磁性液体介质，该非磁性液体介质和磁性液滴互不相溶，将磁性液滴从微流控平台的样品入口注入；通过磁芯线圈阵列通断单元控制磁性液滴下方的磁芯线圈通电，通过电磁感应在该磁芯线圈的磁芯上方产生磁场，将磁性液滴吸引固定在该磁芯线圈的磁芯上方；通过磁芯线圈阵列通断单元控制该磁芯线圈断电，并控制该磁芯线圈相邻的磁芯线圈通电，磁性液滴被吸引而移动到相邻磁芯线圈的上方，实现对磁性液滴的运动操控；
若操控液滴为非磁性液滴，则在微流控平台的微通道层中注满磁性液体介质，该磁性液体介质和非磁性液滴互不相溶，将非磁性液滴从微流控平台的样品入口注入；通过磁芯线圈阵列通断单元控制非磁性液滴下方的磁芯线圈通电，通过电磁感应在该磁芯线圈的磁芯上方产生磁场，该磁场吸引非磁性液滴周围的磁性液体介质，从而对非磁性液滴产生挤压排斥力，使非磁性液滴移动到该磁芯线圈相邻的不通电的磁芯线圈上方，从而实现对非磁性液滴的运动操控。
10.根据权利要求8所述的微流控方法，其特征在于，所述微流控平台为单层疏水平台结构；
所述在微流控平台中注入液滴，通过磁芯线圈阵列通断单元控制磁芯线圈阵列产生磁场，以驱动微流控平台中的液滴运动，具体包括：
将磁性液滴注入磁芯线圈阵列上方的微流控平台中，通过磁芯线圈阵列通断单元控制磁性液滴下方的磁芯线圈通电，通过电磁感应在该磁芯线圈的磁芯上方产生磁场，将磁性液滴吸引固定在该磁芯线圈的磁芯上方；通过磁芯线圈阵列通断单元控制该磁芯线圈断电，并控制该磁芯线圈相邻的磁芯线圈通电，磁性液滴被吸引而移动到相邻磁芯线圈的上方，实现对磁性液滴的运动操控。
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