CN117181326A - 一种流道结构、离心微流控芯片及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离心微流控芯片技术领域，特别是涉及一种流道结构、离心微流控芯片及其使用方法，流道结构包括主流道、检测液仓、密封液仓和多个反应仓，检测液仓布置在主流道的内侧且设有与主流道连通的第一出液口，密封液仓布置在主流道的内侧且设有与主流道连通的第二出液口，设基准坐标系为以主流道的圆心为极点建立的极坐标系，第一出液口布置在检测液仓的极角较小的一侧，且第二出液口布置在密封液仓的极角较大的一侧，或者第一出液口布置在检测液仓的极角较大的一侧，且第二出液口布置在密封液仓的极角较小的一侧，通过控制离心微流控芯片的旋转方向，能够分别控制待测液体与密封液的流动。

Description

一种流道结构、离心微流控芯片及其使用方法

技术领域

本发明涉及离心微流控芯片技术领域，特别是涉及一种流道结构、离心微流控芯片及其使用方法。

背景技术

微流控技术综合了多种学科技术，通过分析化学、微机电加工、计算机、电子学、材料学及生物学、医学的交叉实现了从试样处理到检测的整体微型化、集成化和便携化，在微小尺寸上操纵流体完成检测液加载、混合、反应、检测等，随着元件尺寸变小，流体的奇异特性加快了检测液的运送，而且制造成本低，检测液消耗少。微流控技术用于驱动流体的方式多种多样，比如注射泵、毛细管驱动、数字微流体、表面波驱动微流体、电动微流体和离心微流体等。其中，使用离心微流体的平台叫作盘上实验室或光盘上的实验室，可以将不同的生化过程集成在一块芯片上，比如试剂的混合和培养、基因扩增、核酸检测、细胞分离、DNA提取。

离心微流控芯片是微流控芯片的重要分支，已广泛应用于生物医药和生化分析，以其集成度高、占地面积小、便携、成本低廉、易于大规模生产等优势受到青睐。如图1所示，现有的离心微流控芯片的流道结构包括检测液腔100、密封液腔200、主流道腔300和多个反应腔400，其中主流道腔300呈圆弧形布置，检测液腔100和密封液腔200均位于主流道腔300内侧，检测液腔100设置在密封液仓200与主流道腔300之间，检测液腔100的第一端与主流道腔300连通，检测液腔100的另一端与密封液腔200连通，各反应腔400沿主流道腔300的周向依次间隔布置，且各反应腔400均与主流道腔300连通；微流控芯片离心过程中，与主流道腔300直接连通的检测液腔100中的待测液体在离心力的作用下先流入主流道腔300，进而流入各反应腔400；与此同时，密封液腔200中的密封液在离心力的作用下逐渐流入检测液腔100中，待检测液腔100中的待测液体完全流入各反应腔400后，密封液流入主流道腔300中，实现对各反应腔400的密封。

然而，该微流控芯片的流道结构在离心过程中，密封液腔200中的密封液与检测液腔100中的待测液体是同步流动的，且密封液的界面与待测液体的界面直接接触，在待测液体流入反应腔400之前会混有密封液，先从检测液腔100流出的待测液体中不含有密封液，后从检测液腔100中流动的待测液体同密封液存在接触，因此待测液体中混有的密封液是不均匀的，因此会导致各个反应腔400中的待测液体含量不一致。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的微流控芯片的流道结构无法分别控制密封液与待测检测液的流动，使待测液体在流入反应腔之前混合有密封液，导致各个反应腔中的待测液体含量不一致。

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种流道结构，包括：

主流道，呈圆弧形；

多个反应仓，各所述反应仓均与所述主流道连通，且各所述反应仓沿所述主流道的外侧周向间隔布置；

检测液仓，所述检测液仓布置在所述主流道的内侧，所述检测液仓设有与所述主流道连通的第一出液口；

密封液仓，所述密封液仓布置在所述主流道的内侧，所述密封液仓设有与所述主流道连通的第二出液口；

设基准坐标系为以所述主流道的圆心为极点建立的极坐标系，所述第一出液口布置在所述检测液仓的极角较小的一侧，且所述第二出液口布置在所述密封液仓的极角较大的一侧，或者所述第一出液口布置在所述检测液仓的极角较大的一侧，且所述第二出液口布置在所述密封液仓的极角较小的一侧。

作为优选方案，所述流道结构包括第一增阻流道，所述第一增阻流道的第一端与所述第二出液口连通，所述第一增阻流道的第二端与所述主流道连通，所述第一增阻流道设有向所述极点方向凸起的弯曲段。

作为优选方案，所述流道结构包括与所述主流道连通的密封液缓冲仓，所述述第一增阻流道的第二端与所述密封液缓冲仓连通。

作为优选方案，所述检测液仓靠近所述主流道的第一端布置，所述第一出液口与所述主流道的第一端连通，所述密封液仓靠近所述主流道的第二端布置，所述第二出液口与所述主流道的第二端连通。

作为优选方案，所述流道结构包括与所述主流道连通的检测液缓冲仓，所述第一出液口与所述检测液缓冲仓连通。

作为优选方案，所述流道结构包括第二增阻流道，所述第二增阻流道的第一端与所述检测液缓冲仓连通，所述第二增阻流道的第二端与所述主流道连通，所述第二增阻流道设有弯折段。

作为优选方案，所述检测液仓和所述密封液仓均呈扇环形，所述第一出液口设置在所述检测液仓远离所述极点的一端的转角处，所述第二出液口设置在所述密封液仓远离所述极点的一端的转角处。

作为优选方案，所述流道结构包括与所述主流道连通的排气孔、与所述检测液仓连通的第一加液孔和与所述密封液仓4连通的第二加液孔。

一种离心微流控芯片，包括芯片本体，所述芯片本体设有多个上述的流道结构，各所述流道结构环绕所述芯片本体的旋转中心线间隔布置。

一种上述的离心微流控芯片的使用方法，包括以下步骤：

步骤S1、向检测液仓中加入检测液、向密封液仓中注入密封液；

步骤S2、沿第一方向转动芯片本体，使得所述检测液仓中的检测液受离心力作用流入各反应仓；

步骤S3、沿第二方向转动所述芯片本体，使得所述密封液仓中的密封液受离心力作用流入各所述反应仓的入口。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的流道结构，包括主流道、检测液仓、密封液仓和多个反应仓，主流道呈圆弧形，各反应仓均与主流道连通，且各反应仓沿主流道的外侧周向间隔布置，检测液仓布置在主流道的内侧，检测液仓设有与主流道连通的第一出液口，密封液仓布置在主流道的内侧，密封液仓设有与主流道连通的第二出液口，设基准坐标系为以主流道的圆心为极点建立的极坐标系，第一出液口布置在检测液仓的极角较小的一侧，且第二出液口布置在密封液仓的极角较大的一侧，因此上述的流道结构逆时针转动时，检测液仓中的待测液体受离心力作用向靠近第一出液口的方向流动，从而使得逆时针转动流道结构时检测液能够流入主流道，进而从主流道流入各反应仓，而且密封液仓中的密封液受离心力作用向远离第二出液口的方向流动，从而使得逆时针转动流道结构时，密封液无法从密封液仓中流出；需要释放密封液时，顺时针转动流道结构，即可使得密封液仓中的密封液受离心力作用向靠近第二出液口的方向流动，从而使得密封液流入主流道，进而流入各反应仓；或者第一出液口布置在检测液仓的极角较大的一侧，且第二出液口布置在密封液仓的极角较小的一侧；采用此种设置方式时，顺时针转动流道结构，可使检测液流入主流道，逆时针转动流道结构可使密封液流入主流道；因此，对设有本发明的流道结构的离心微流控芯片进行离心时，能够通过控制离心微流控芯片的旋转方向，分别控制检测液仓中的待测液体与密封液仓中的密封液的流动，且密封液的界面与待测液体的界面未接触，在待测液体完全流入反应仓之前不会混有密封液，保证了各个反应仓中的待测液体的含量均匀。

附图说明

图1为现有的离心微流控芯片的流道结构的示意图；

图2为本发明的离心微流控芯片的流道结构的示意图；

图3为图2中A处局部放大图；

图4为图2中B处局部放大图；

图5为本发明的离心微流控芯片的爆炸图；

图6为本发明的离心微流控芯片的俯视图；

图7本发明的离心微流控芯片的基板的结构示意图；

图中，100、检测液腔；200、密封液腔；300、主流道腔；400、反应腔；1、主流道；11、透气槽；12、透气仓；2、反应仓；3、检测液仓；31、第一出液口；4、密封液仓；41、第二出液口；51、第一增阻流道；52、第二增阻流道；61、密封液缓冲仓；62、检测液缓冲仓；71、基板；72、盖板；721、排气孔；722、第一加液孔；723、第二加液孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”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。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

本发明的描述中，极坐标是以主流道的圆心为极点建立，极坐标的极轴为以极点为起点的射线，极轴不穿过检测液仓和密封液仓，极角以极轴为参考线，沿逆时针方向为正向。

如图2至图4所示，本发明一种流道结构的优选实施例，包括主流道1、检测液仓3、密封液仓4和多个反应仓2，主流道1呈圆弧形，各反应仓2均与主流道1连通，且各反应仓2沿主流道1的外侧周向间隔布置，检测液仓3布置在主流道1的内侧，检测液仓3设有与主流道1连通的第一出液口31，密封液仓4布置在主流道1的内侧，密封液仓4设有与主流道1连通的第二出液口41；设基准坐标系为以主流道1的圆心为极点建立的极坐标系，第一出液口31布置在检测液仓3的极角较小的一侧，且第二出液口41布置在密封液仓4的极角较大的一侧，或者第一出液口31布置在检测液仓3的极角较大的一侧，且第二出液口41布置在密封液仓4的极角较小的一侧。

具体的，如图2所示，本实施例中，第一出液口31布置在检测液仓3的极角较小的一侧，且第二出液口41布置在密封液仓4的极角较大的一侧，上述的流道结构逆时针转动时，检测液仓3中的待测液体受离心力作用向靠近第一出液口31的方向流动，从而使得逆时针转动流道结构时检测液能够流入主流道1，进而从主流道1流入各反应仓2，而且逆时针转动上述的流道结构时，密封液仓4中的密封液受离心力作用向远离第二出液口42的方向流动，从而使得逆时针转动流道结构时，密封液无法从密封液仓4中流出；需要释放密封液时，顺时针转动流道结构，即可使得密封液仓4中的密封液受离心力作用向靠近第二出液口42的方向流动，从而使得密封液流入主流道1，进而流入各反应仓2。本实施例中，主流道1与各反应仓2之间通过微通道连通，在离心过程中，待测液体受到离心力作用能够通过微通道进入反应仓，在离心运动停止后，微通道对待测液体的流道造成阻碍，避免了不同反应仓之间的交叉污染；进一步地，各微通道中均设有定量阀。

本发明的其他实施例中，第一出液口31布置在检测液仓3的极角较大的一侧，且第二出液口41布置在密封液仓4的极角较小的一侧；采用此种设置方式时，顺时针转动流道结构，可使检测液流入主流道1，逆时针转动流道结构可使密封液流入主流道1；因此，对设有本发明的流道结构的离心微流控芯片进行离心时，能够通过控制离心微流控芯片的旋转方向，分别控制检测液仓3中的待测液体与密封液仓4中的密封液的流动，且密封液的界面与待测液体的界面未接触，在待测液体完全流入反应仓2之前不会混有密封液，保证了各个反应仓3中的待测液体的含量均匀。

本实施例中，为避免向密封液仓4加入密封液时，密封液流入主流道1，本实施例中，流道结构包括第一增阻流道51，第一增阻流道51的第一端与第二出液口41连通，第一增阻流道51的第二端与主流道1连通，第一增阻流道51设有向极点方向凸起的弯曲段511。具体的，弯曲段511的结构类似虹吸阀，从而避免向密封液仓4加入密封液时，密封液流入主流道1。

进一步地，流道结构包括与主流道1连通的密封液缓冲仓61，述第一增阻流道51的第二端与密封液缓冲仓61连通。密封液缓冲仓61的设置，能够对向密封液仓4加入密封液时，从第一增阻流道51意外流出的密封液进入主流道1，进一步保证了待测液体流入主流道1之前，对密封液流入主流道1的隔绝效果。

为便于从检测液仓3中流出的待测液体流入主流道，并且便于流入主流道1内的待测液体流入各反应仓2，检测液仓3靠近主流道1的第一端布置，第一出液口31与主流道1的第一端连通；为便于从密封液仓4中流出的密封液流入主流道1，并且便于流入主流道1，密封液仓4靠近主流道1的第二端布置，第二出液口41与主流道1的第二端连通。进一步地，检测液仓3和密封液仓4均呈扇环形，第一出液口31设置在检测液仓3远离极点的一端的转角处，第二出液口41设置在密封液仓4远离极点的一端的转角处。如图2所示，将第一出液口31设置在检测液仓3远离极点的一端的转角处，保证了逆时针转动流道结构时待测液体能够顺利从第一出液口31全部流出；第二出液口41设置在密封液仓4远离极点的一端的转角处，保证了顺时针转动流道结构时密封液能够顺利从第二出液口41全部流出。

本实施例中，流道结构包括与主流道1连通的检测液缓冲仓62，第一出液口31与检测液缓冲仓62连通。检测液缓冲仓62能够避免向检测液仓3中加入待测液体过程中，待测液体流入主流道1。其中，流道结构包括第二增阻流道52，第二增阻流道52的第一端与检测液缓冲仓62连通，第二增阻流道52的第二端与主流道1连通，第二增阻流道52设有弯折段。第二增阻流道52控制了待测液体的流动速度不会很快，防止产生湍流。进一步地，本实施例中，第一增阻流道51和第二增阻流道52的转角处均设有圆弧倒角，控制流体的流动速度，防止产生湍流；本实施例中，检测液仓3、密封液仓4、密封液缓冲仓61和检测液缓冲仓62的深度均为0.8mm，反应仓2的深度为0.6mm，第一增阻流道51和第二增阻流道52的深度为0.4mm。

本实施例中，流道结构包括与主流道1连通的排气孔721、与检测液仓3连通的第一加液孔722和与密封液仓4连通的第二加液孔723。

一种离心微流控芯片的优选实施例，包括芯片本体7，芯片本体7设有多个上述的流道结构，各流道结构环绕芯片本体7的中心线间隔布置。具体的，本实施例中，如图5至图7所示，芯片本体7包括基板71和盖板72，主流道1、反应仓2、检测液仓3和密封液仓4均设置在基板71中，盖板72与基板密封贴合，排气孔721、第一加液孔722和第二加液孔723均设置在盖板72上。进一步地，如图2所示，基板71上设有与主流道1连通的透气槽11，透气槽11的另一端设有透气仓12，排气孔721与透气仓12连通。

本实施例中，芯片本体7设有三个上述的流道结构，由于设计了三个独立的流道结构，可以同时进行多种病毒或病原体的PCR反应，每个独立的流道结构又包含了多个反应仓，增加对照，提高了检测效率；通过离心驱动力的方式可以将样品仓1的待测液体均匀分到各反应仓；在等分待测液体之后，利用矿物油进行密封，防止PCR反应时温度变化引起样品蒸发，同时更好地隔离了不同反应室之间的交叉污染。

进一步地，基板71采用疏水性材料制成，盖板72为透明膜，透明膜与基板71粘和，透明膜粘和在基板71上之后，通过注射器扎出排气孔721、第一加液孔722和第二加液孔723。具体的，基板71采用PMMA材料机加工制成。

本实施例中，芯片本体7的中心与各主流道1的圆心同心的位置出设有用于加过你芯片本体3安装在离心设备上的安装孔。

一种上述的离心微流控芯片的使用方法的实施例，包括以下步骤：

步骤S1、向检测液仓3中加入检测液、向密封液仓4中注入密封液；

步骤S2、沿第一方向转动芯片本体7，使得检测液仓3中的检测液受离心力作用流入各反应仓2；

步骤S3、沿第二方向转动芯片本体7，使得密封液仓4中的密封液受离心力作用流入各反应仓2的入口。

综上，本发明的流道结构，包括主流道1、检测液仓3、密封液仓4和多个反应仓2，主流道1呈圆弧形，各反应仓2均与主流道1连通，且各反应仓2沿主流道1的外侧周向间隔布置，检测液仓3布置在主流道1的内侧，检测液仓3设有与主流道1连通的第一出液口31，密封液仓4布置在主流道1的内侧，密封液仓4设有与主流道1连通的第二出液口41，设基准坐标系为以主流道1的圆心为极点建立的极坐标系，第一出液口31布置在检测液仓3的极角较小的一侧，且第二出液口41布置在密封液仓4的极角较大的一侧，因此逆时针转动上述的流道结构时，检测液仓3中的待测液体受离心力作用向靠近第一出液口31的方向流动，从而使得逆时针转动流道结构时检测液能够流入主流道1，进而从主流道1流入各反应仓2，而且密封液仓4中的密封液受离心力作用向远离第二出液口41的方向流动，从而使得逆时针转动流道结构时，密封液无法从密封液仓4中流出；需要释放密封液时，顺时针转动流道结构，即可使得密封液仓4中的密封液受离心力作用向靠近第二出液口41的方向流动，从而使得密封液流入主流道1，进而流入各反应仓2；或者第一出液口31布置在检测液仓3的极角较大的一侧，且第二出液口41布置在密封液仓4的极角较小的一侧；采用此种设置方式时，顺时针转动流道结构，可使检测液流入主流道1，逆时针转动流道结构可使密封液流入主流道1；因此，对设有本发明的流道结构的离心微流控芯片进行离心时，能够通过控制离心微流控芯片的旋转方向，分别控制检测液仓3中的待测液体与密封液仓4中的密封液的流动，且密封液的界面与待测液体的界面未接触，在待测液体完全流入反应仓2之前不会混有密封液，保证了各个反应仓2中的待测液体的含量均匀。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种流道结构，其特征在于，包括：

主流道(1)，呈圆弧形；

多个反应仓(2)，各所述反应仓(2)均与所述主流道(1)连通，且各所述反应仓(2)沿所述主流道(1)的外侧周向间隔布置；

检测液仓(3)，所述检测液仓(3)布置在所述主流道(1)的内侧，所述检测液仓(3)设有与所述主流道(1)连通的第一出液口(31)；

密封液仓(4)，所述密封液仓(4)布置在所述主流道(1)的内侧，所述密封液仓(4)设有与所述主流道(1)连通的第二出液口(41)；

设基准坐标系为以所述主流道(1)的圆心为极点建立的极坐标系，所述第一出液口(31)布置在所述检测液仓(3)的极角较小的一侧，且所述第二出液口(41)布置在所述密封液仓(4)的极角较大的一侧，或者所述第一出液口(31)布置在所述检测液仓(3)的极角较大的一侧，且所述第二出液口(41)布置在所述密封液仓(4)的极角较小的一侧。

2.根据权利要求1所述的流道结构，其特征在于，所述流道结构包括第一增阻流道(51)，所述第一增阻流道(51)的第一端与所述第二出液口(41)连通，所述第一增阻流道(51)的第二端与所述主流道(1)连通，所述第一增阻流道(51)设有向所述极点方向凸起的弯曲段(511)。

3.根据权利要求2所述的流道结构，其特征在于，所述流道结构包括与所述主流道(1)连通的密封液缓冲仓(61)，所述述第一增阻流道(51)的第二端与所述密封液缓冲仓(61)连通。

4.根据权利要求1所述的流道结构，其特征在于，所述检测液仓(3)靠近所述主流道(1)的第一端布置，所述第一出液口(31)与所述主流道(1)的第一端连通，所述密封液仓(4)靠近所述主流道(1)的第二端布置，所述第二出液口(41)与所述主流道(1)的第二端连通。

5.根据权利要求1所述的流道结构，其特征在于，所述流道结构包括与所述主流道(1)连通的检测液缓冲仓(62)，所述第一出液口(31)与所述检测液缓冲仓(62)连通。

6.根据权利要求5所述的流道结构，其特征在于，所述流道结构包括第二增阻流道(52)，所述第二增阻流道(52)的第一端与所述检测液缓冲仓(62)连通，所述第二增阻流道(52)的第二端与所述主流道(1)连通，所述第二增阻流道(52)设有弯折段。

7.根据权利要求1所述的流道结构，其特征在于，所述检测液仓(3)和所述密封液仓(4)均呈扇环形，所述第一出液口(31)设置在所述检测液仓(3)远离所述极点的一端的转角处，所述第二出液口(41)设置在所述密封液仓(4)远离所述极点的一端的转角处。

8.根据权利要求1所述的流道结构，其特征在于，所述流道结构包括与所述主流道(1)连通的排气孔(721)、与所述检测液仓(3)连通的第一加液孔(722)和与所述密封液仓4连通的第二加液孔(723)。

9.一种离心微流控芯片，其特征在于，包括芯片本体(7)，所述芯片本体(7)设有多个权利要求1至8任一项所述的流道结构，各所述流道结构环绕所述芯片本体(7)的旋转中心线间隔布置。

10.一种权利要求9所述的离心微流控芯片的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、向检测液仓(3)中加入检测液、向密封液仓(4)中注入密封液；

步骤S2、沿第一方向转动芯片本体(7)，使得所述检测液仓(3)中的检测液受离心力作用流入各反应仓(2)；

步骤S3、沿第二方向转动所述芯片本体(7)，使得所述密封液仓(4)中的密封液受离心力作用流入各所述反应仓(2)的入口。