CN116550400A - 用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了提供了用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片及工作方法，通过在覆盖层、进液混合层、气动混合层的对应位置设置有气动腔室，通过气动腔室对气动混合层上的样品储液池气动加压使样品储液池内的液体流经进液混合层上的试剂储液池进入混合通道进行混合，对试剂储液池、样品储液池体积的设置可实现对液体样品与试剂的定量加载混合，气动按压方式可使液体样品与试剂在混合通道内充分地混合，加快液体样品与试剂的混合速度。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，尤其涉及用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在化学、制药、食品等领域，为实现样品的分析和检测，常需要按一定比例混合两种或多种液体以配制特定的液相混合物。特别是，在蛋白质或DNA等生物成分检测以及药物研发等方面，常需要频繁进行样品与试剂的定量混合，对不同组分的混合比例精度通常要求较高。然而，传统的混合步骤一般由人工操作或继电器式的控制系统完成，但此类方式往往因为反应慢、混合样品计量不准确、混合不均匀而达不到特定液相混合物的精准度要求，同时传统的混合分析所需混合样品耗量大且容易出现样品污染等不足，导致检测分析效果不理想。因此，准确定量混合液体样品与试剂急需更可靠、自动化程度更高的新兴技术和方法。
微流控技术是指对以层流或低雷诺数为主要特征的微纳升流体进行主动性及被动性操控，以期在微观尺度分析流体特性，将相关制备、采集、输运、分离、计量、混合、稀释、反应及检测等操作集成到一部若干平方厘米或更小的微流控芯片上完成的一系列技术。通过减小流体系统的特征尺寸，减少试剂的使用量，微流控技术及相关器件可有效减少反应时间，提高传质速率，提高混合精度，增加系统的可靠性。目前，该技术已经被广泛应用于生物化学分析、即时诊断、药物研究、基因工程、材料筛选与合成、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定等领域。如何利用微流控技术解决传统的液体样品混合技术混合不均匀、混合比例不精确、混合样品耗量大、混合速率慢等问题，是目前亟待解决的问题。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片及工作方法，对试剂储液池、样品储液池体积的设置可实现对液体样品与试剂的定量加载混合，气动按压方式可使液体样品与试剂在混合通道内充分地混合，加快液体样品与试剂的混合速度。
为实现上述目的，本发明的第一个方面提供用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片，包括：依次设置的衬底层、气动混合层、进液混合层和覆盖层；
在所述覆盖层上设置有液体样品加载入口、试剂加载入口，所述液体样品加载入口、试剂加载入口分别与所述气动混合层上的样品储液池、所述进液混合层上的试剂储液池连通；
在所述进液混合层上设置有斜混合通道，所述斜混合通道与设置在气动混合层对应位置的水平混合通道连通形成混合通道；
在所述覆盖层、进液混合层、气动混合层的对应位置设置有气动腔室，通过挤压所述气动腔室使所述样品储液池内的液体流经所述试剂储液池进入所述混合通道进行混合。
本发明的第二个方面提供用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片的工作方法，包括：
自液体样品加载入口将液体样品注入样品储液池，自试剂加载入口将试剂注入试剂储液池；
通过对气动腔室进行加压，使样品储液池内液体样品进行气动加载，使液体样品经试剂储液池流入混合通道。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
在本发明中，通过在覆盖层、进液混合层、气动混合层的对应位置设置有气动腔室，通过气动腔室对气动混合层上的样品储液池气动加压使样品储液池内的液体流经进液混合层上的试剂储液池进入混合通道进行混合，对试剂储液池、样品储液池体积的设置可实现对液体样品与试剂的定量加载混合，气动按压方式可使液体样品与试剂在混合通道内充分地混合，加快液体样品与试剂的混合速度。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例一中气动式微流控芯片爆炸图；
图2为本发明实施例一中气动式微流控芯片装配示意图。
图中：
1、覆盖层，2、进液混合层，3、气动混合层，4、衬底层，5、定位导向孔，6、气动腔室，7、腔室密封胶环，8、橡胶薄膜，9、液体样品加载入口，10、试剂加载入口，11、液体样品加载通道，12、试剂加载通道，13、通气孔，14、试剂储液池，15、混合入口通道，16、混合出口通道，17、斜混合通道，18、水平混合通道，19、溶液检测腔室，20、压力通道，21、样品储液池，22、混合通道。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
如图1-图2所示，本实施例公开了用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片，包括：依次设置的衬底层4、气动混合层3、进液混合层2和覆盖层1；
在覆盖层1上设置有液体样品加载入口9、试剂加载入口10，液体样品加载入口9、试剂加载入口10分别与气动混合层3上设定大小的样品储液池21、进液混合层2上设定大小的试剂储液池14连通；
在进液混合层2上设置有斜混合通道17，斜混合通道17与设置在气动混合层3对应位置的水平混合通道18连通形成混合通道22；
在覆盖层1、进液混合层2、气动混合层3的对应位置设置有气动腔室6，通过外设动力部件挤压气动腔室6实现对样品储液池21加压使样品储液池21内的液体流经试剂储液池14进入混合通道进行混合。
在本实施例中，衬底层4、气动混合层3、进液混合层2和覆盖层1，四层主要结构与依靠外设曲柄部件按压的气动腔室6构成完整的微流控芯片。
具体的，在衬底层4、气动混合层3、进液混合层2和覆盖层1的边缘设计有定位导向孔5，从而使各个层可以正确对准并组装。
可选的，在本实施例中覆盖层1和衬底层4为PC材料，气动混合层3和进液混合层2为PMMA材料。
在气动混合层3、进液混合层2和覆盖层1的一侧设置有气动腔室6，通过腔室密封胶环7与橡胶薄膜8粘合。
在覆盖层1上设计有液体样品加载入口9、试剂加载入口10，液体样品加载入口9、试剂加载入口10在各层组装完成之后分别与液体样品加载通道11、试剂加载通道12的入口端相连通。液体样品加载入口9直径大于液体样品加载通道11的宽度，试剂加载入口10直径小于试剂加载通道12的宽度。液体样品加载后主要位于样品储液池21中，液体样品加载入口9直径大于液体样品加载通道11的宽度是为了方便加载液体样品，而试剂加载后主要位于试剂储液池14和试剂加载通道12，试剂加载入口10直径小于试剂加载通道12的宽度是为了产生足够的毛细阻力，防止加载后试剂流出。
在覆盖层1设计有通气孔13，在各层组装完成之后与设置在进液混合层2上的溶液检测腔室19连通，从而进行平衡压力。
在进液混合层2的长度方向的对称轴上设计有混合入口通道15、混合出口通道16、斜混合通道17，斜混合通道17在各层组装完成后与气动混合层3上的水平混合通道18连通构成22混合通道。
在进液混合层2上设计有溶液检测腔室19通过混合出口通道16与混合通道22连通，在各层组装完成后通过覆盖层1上的通气孔13平衡压力。
在进液混合层2设有液体样品加载通道11、试剂加载通道12，在试剂加载通道12出口处设有试剂储液池14。
气动混合层3在气动腔室6的一侧设有压力通道20，压力通道20与样品储液池21连通的，是通过挤压气动腔室6中的气体进入样品储液池21实现气动加载的。在与进液混合层2中斜混合通道17的对应位置设计有水平混合通道18，斜混合通道17与水平混合通道18通过连通孔连通，连通孔的直径要大于混合通道22的宽度。由于水平混合通道18和斜混合通道17位于不同层，当液体在两层的混合通道间交错流动时，若连通管直径小于混合通道宽度，则对应的毛细阻力会比较大，妨碍液体的流动混合；此处设置连通孔的直径大于混合通道的宽度是为了减小两层之间的流动混合阻力，使得液体样品与试剂在混合流动过程中所需气动压力与气动腔室所计算的有效容积相对应。
可选的，压力通道20与进液混合层2上的液体样品加载通道11两者可通过同一通孔进入样品储液池21的，气动加载是在加载完液体样品与试剂后仅为两者混合供压的。
具体的，样品储液池21的出口设置在混合通道入口处。
其中，斜混合通道17为多个且平行设置，水平混合通道18也为多个且平行设置，斜混合通道17与水平混合通道18具有一定的夹角，每一个水平混合通道18依次与斜混合通道17连通，混合入口通道15与第一个水平混合通道18进行连通。
在本实施例中，通过设定样品储液池21与试剂储液池14的储液体积以实现对液体样品与试剂的定量加载混合。
在本实施例中，样品储液池的体积约为90μl，试剂储液池的体积约为7μl，所需混合的试剂和液体样品耗量相较传统混合耗量是明显减少的。
实施例二
本实施例的目的是提供用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片的工作方法，采用实施例一中的用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片，包括：
自液体样品加载入口将液体样品注入样品储液池，自试剂加载入口将试剂注入试剂储液池；
通过对气动腔室进行加压，使样品储液池内液体样品进行气动加载，使液体样品经试剂储液池流入混合通道。
具体的，在初始时刻，通气孔13与大气连通，将液体样品移液到液体样品加载入口9，流经液体样品加载通道11进入样品储液池21，直至整个样品储液池21被填满(样品正面达到样品储液池出口)加载过程应缓慢进行以避免气泡产生。液体样品加载完成后，用橡胶胶膜密封液体样品加载入口9。利用10μL的移液枪将试剂移液到试剂加载入口10，流经试剂加载通道12，进入试剂储液池14，加载过程应缓慢进行以避免气泡产生，试剂加载完成后，用橡胶胶膜密封试剂加载入口10。
调整外设曲柄部件按压柱塞的位置使柱塞压紧橡胶薄膜8至样品储液池21内加载的液体样品开始产生气液界面，启动外设曲柄部件使得按压柱塞下移按压橡胶薄膜8，使得气动腔室6内气体压缩实现对样品储液池21中液体样品气动加载效果。液体样品从样品储液池21流经试剂储液池14通过混合入口通道15进入混合通道22，通过操控按压部件使得液相混合物在混合入口通道15和混合出口通道16之间的混合通道22中往复流动使得液体样品与试剂充分混合。液体样品与试剂充分混合后，控制外设曲柄部件按压橡胶薄膜8至将充分混合的液相混合物全部加载至溶液检测腔室19以便检测分析。通过设置气动腔室的有效容积(185μl)可实现将样品储液池21和试剂储液池14内全部的液体按压到混合通道22中。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片，其特征在于，包括：依次设置的衬底层、气动混合层、进液混合层和覆盖层；
在所述覆盖层上设置有液体样品加载入口、试剂加载入口，所述液体样品加载入口、试剂加载入口分别与所述气动混合层上的设定大小的样品储液池、所述进液混合层上设定大小的试剂储液池连通；
在所述进液混合层上设置有斜混合通道，所述斜混合通道与设置在气动混合层对应位置的水平混合通道连通形成混合通道；
在所述覆盖层、进液混合层、气动混合层的对应位置设置有气动腔室，通过挤压所述气动腔室使所述样品储液池内的液体流经所述试剂储液池进入所述混合通道进行混合。
2.如权利要求1所述的用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片，其特征在于，在所述进液混合层上设置有液体样品加载通道，所述液体样品加载入口通过所述液体样品加载通道与所述样品储液池连通；
在所述进液混合层上设置有试剂加载通道，所述试剂加载入口通过所述试剂加载通道与所述试剂储液池连通。
3.如权利要求1所述的用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片，其特征在于，在所述覆盖层上设置有通气孔，所述通气孔与设置在所述进液混合层上的溶液检测腔室连通。
4.如权利要求1所述的用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片，其特征在于，在所述进液混合层上沿长度方向设置有混合入口通道、混合出口通道；所述混合入口通道、混合出口通道分别与所述混合通道连通。
5.如权利要求3所述的用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片，其特征在于，所述溶液检测腔室与所述混合通道连通。
6.如权利要求1所述的用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片，其特征在于，在所述气动混合层上设置有压力通道，所述压力通道与所述气动腔室连通。
7.如权利要求1所述的用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片，其特征在于，还包括腔室密封胶环与橡胶薄膜，通过腔室密封胶环与橡胶薄膜与所述气动腔室粘合。
8.如权利要求1所述的用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片，其特征在于，所述斜混合通道与所述水平混合通道通过连通孔连接，所述连通孔的直径大于所述斜混合通道/水平混合通道的宽度。
9.如权利要求6所述的用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片，其特征在于，所述液体样品加载入口直径大于液体样品加载通道的宽度；所述压力通道的宽度小于液体样品加载通道的宽度。
10.用于定量混合微升级液体的气动式微流控芯片的工作方法，其特征在于，包括：
自液体样品加载入口将液体样品注入样品储液池，自试剂加载入口将试剂注入试剂储液池；
通过对气动腔室进行加压，使样品储液池内液体样品进行气动加载，使液体样品经试剂储液池流入混合通道。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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