CN117443464A - 微流控芯片的气泡阻隔消除结构和微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流控技术领域，公开了一种微流控芯片的气泡阻隔消除结构和微流控芯片。该气泡阻隔消除结构包括消泡阱(2)以及与消泡阱(2)连通的第一微通道(1)和第二微通道(3)，使得液体能够依次流经第一微通道(1)、消泡阱(2)和第二微通道(3)；其中，所述第一微通道(1)和所述第二微通道(3)的截面积均为400μm2以下；所述消泡阱(2)的截面积为1mm2以上。本发明的气泡阻隔消除结构具有制备方法简便、无需配合外部设备、阻隔消除气泡效果好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，具体涉及一种微流控芯片的气泡阻隔消除结构和微流控芯片。
背景技术
微流控芯片技术，即在小尺寸芯片上完成进样、混合、反应、信号读取等过程，由于体积小、试剂用量低、高通量、高效、环保等优点在生物、医药、环境、食品等方面引发广泛关注。
利用微流控芯片技术进行反应、检测等活动时，流体在注入芯片以及在流体在芯片中的流动混合过程都常常出现气泡，这些气泡来自于表面张力、固液混合、温度变化等，由于微流控芯片技术中通道尺寸为微米级，气泡相对于通道尺寸不可忽视，它们的存在对反应、传输、以及信号读取都存在不利影响。
当前通过在微流控芯片上设置气泡捕集器、气泡去除器的方式排除气泡，但前者对气泡的捕集数量和效率有限，后者需要额外的真空或气动设备，且对于处于流体中间的稳定气泡排除效果也不理想。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的微流控芯片气泡消除困难问题，提供一种微流控芯片的气泡阻隔消除结构和微流控芯片，该气泡阻隔消除结构具有制备方法简便、无需配合外部设备、阻隔消除气泡效果好的优点。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种微流控芯片的气泡阻隔消除结构，其特征在于，该气泡阻隔消除结构包括消泡阱以及与消泡阱连通的第一微通道和第二微通道，使得液体能够依次流经第一微通道、消泡阱和第二微通道；其中，所述第一微通道和所述第二微通道的截面积各自独立地为40000μm2以下；所述消泡阱的截面积为0.25μm2～50mm2，深度为0.5μm以上；所述消泡阱的截面积为所述第一微通道和所述第二微通道的截面积的5倍以上。
优选地，所述第一微通道和所述第二微通道的截面积各自独立地为0.0025-40000μm2。
优选地，所述消泡阱的截面积为0.25μm2～25mm2，优选为1-25mm2。
优选地，所述第一微通道和所述第二微通道的截面为矩形。
优选地，所述第一微通道和所述第二微通道的宽度为50nm～200μm，深度为50nm～200μm。
优选地，所述第一微通道和所述第二微通道的长度均为3-10mm。
优选地，所述消泡阱的截面积为所述第一微通道和所述第二微通道的截面积的10倍以上。
优选地，所述第一微通道和所述第二微通道通过在靠近所述消泡阱的侧壁的顶端或者底端的位置上开口而设置。
优选地，所述消泡阱的宽度为500nm～5mm，深度为500nm～5mm。
优选地，所述消泡阱的截面为矩形、圆形或椭圆形。
优选地，所述气泡阻隔消除结构设置在微流控芯片的流道上，且流道的截面积为第一微通道的截面积的3倍以上，优选10倍以上。
优选地，所述第一微通道1和所述第二微通道3的设置条数分别为1-5条。
优选地，该气泡阻隔消除结构还包括设置在所述消泡阱的顶面上的疏水透气膜。
优选地，所述疏水透气膜为TPU膜或者EPTFE膜。
本发明第二方面提供一种微流控芯片，该微流控芯片包括流道以及设置在该流道上的气泡阻隔消除结构；所述气泡阻隔消除结构为上述本发明第一方面的气泡阻隔消除结构；优选地，所述气泡阻隔消除结构串联设置有一个或者多个。
优选地，所述微流控芯片为玻璃芯片、PMMA芯片、PDMS芯片、PC芯片、COC芯片中的一种或多种。
通过上述技术方案，本发明的气泡阻隔消除结构是直接在原芯片上刻画、构建，与芯片是一体结构，与芯片一体成型，简化加工过程。通过采用上述气泡阻隔消除结构，无需引入外部设备(如真空、加压结构)，靠液体流动及通道尺寸变化带来的压力实现气泡的消除。
本发明的气泡阻隔消除结构以及微流控芯片用于多数微流体中对于体系具有不利效果的气泡消除情况，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明的一种气泡阻隔消除结构的侧视示意图，其中(A)为液体流动过程中，(B)为液体流经状态；
图2是本发明的另一种气泡阻隔消除结构的侧视示意图；
图3是本发明的另一种气泡阻隔消除结构的侧视示意图；
图4是一种与光学检测池连用的本发明的气泡阻隔消除结构的侧视示意图；
图5是本发明的一种气泡阻隔消除结构的俯视图；
图6是利用未采用阻泡消泡结构(对比例1，消泡前)的芯片与采用本发明的气泡阻隔消除结构(实施例1，消泡后)的芯片多次测定的吸光度数据及重复性对比图；
图7是利用未采用阻泡消泡结构(对比例2，消泡前)的芯片与采用本发明的气泡阻隔消除结构(实施例2，消泡后)的芯片多次测定的吸光度数据及重复性对比图。
附图标记说明
1、第一微通道 2、消泡阱 3、第二微通道
4、流道 5、检测池 6、发光器件
7、光学探测器 8、气泡 9、疏水透气膜
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明一方面提供一种微流控芯片的气泡阻隔消除结构，如图1-4所示，该气泡阻隔消除结构包括消泡阱2以及与消泡阱2连通的第一微通道1和第二微通道3，使得液体能够依次流经第一微通道1、消泡阱2和第二微通道3；其中，所述第一微通道1和所述第二微通道3的截面积各自独立地为40000μm2以下；所述消泡阱2的截面积为0.25μm2～50mm2，深度为0.5μm以上；所述消泡阱2的截面积为所述第一微通道1和所述第二微通道3的截面积的5倍以上。
优选地，所述第一微通道1和所述第二微通道3的截面积各自独立地为0.0025-40000μm2，优选为100-40000μm2，更优选为1000-40000μm2，进一步优选为5000-40000μm2。
优选地，所述消泡阱2的截面积为0.25μm2～25mm2，优选为1-25mm2。
在本发明中，截面是指相对于液体在气泡阻隔消除结构中的流动方向(以下也简称流动方向)上的横截面，截面积是指上述流动方向上的横截面的面积。所述第一微通道1和所述第二微通道3的截面积和截面形状可以相同或者不同。
在本发明中，由于所述第一微通道1和所述第二微通道3与所述消泡阱2具有较大的截面积差距，使含有气泡的液体依次流经第一微通道1、消泡阱2和第二微通道3时，可以使得气泡被第一微通道1、消泡阱2和第二微通道3阻隔和消除，避免气泡进入后续的反应池等。
根据本发明，所述第一微通道1和所述第二微通道3的截面形状没有特别的限定，可以为矩形、三角形、多边形等，优选为矩形。另外，在液体的流动方向上，所述第一微通道1和所述第二微通道3可以形成为直线、折线或曲线状，优选为直线状。在此，所述第一微通道1和所述第二微通道3的形状可以相同或者不同。
根据本发明，优选的情况下，所述第一微通道1和所述第二微通道3的宽度为50nm～200μm，深度为50nm～200μm。其中，上述宽度和深度分别指所述第一微通道1和所述第二微通道3的最大宽度和最大深度。
根据本发明，优选的情况下，所述第一微通道1和所述第二微通道3的长度为3-10mm。
根据本发明，优选的情况下，如图1-4的侧视示意图所示，所述第一微通道1和所述第二微通道3在所述消泡阱2的侧壁上相对设置，即分别设置在所述消泡阱2的两侧，从而便于液体依次流经第一微通道1、消泡阱2和第二微通道3。并且，所述第一微通道1和所述第二微通道3的设置高度可以相同或者不同，优选所述第一微通道1和所述第二微通道3通过在靠近所述消泡阱2的侧壁的顶端或者底端的位置上开口而设置。具体地，所述第一微通道1和所述第二微通道3的设置高度可以为消泡阱2侧壁上的任意位置，例如可以均设置在消泡阱2侧壁的顶部(如图1所示)，也可以其中一个设置在消泡阱2侧壁的顶部，另一个设置在消泡阱2侧壁的底部(如图3所示)，优选第一微通道1设置在消泡阱2侧壁的顶部，而第二微通道3设置在消泡阱2侧壁的底部、中部或者顶部。
根据本发明，优选的情况下，所述消泡阱2在俯视方向上的形状可以为矩形、圆形、椭圆形等。在本发明中，俯视方向是指垂直于微流控芯片的基板的方向，该方向也垂直于液体在气泡阻隔消除结构流动方向。
在本发明中，第一微通道1和第二微通道3的设置条数没有特别的限定，可以为1条或者2条以上，例如1-5条。通过设置多条第一微通道1和第二微通道3，可以在保证消泡效果的情况下，提高输送液体的流速。例如，第一微通道1和第二微通道3设置均为1条时，优选消泡阱2为圆形或椭圆形；第一微通道1和第二微通道3设置均为2条以上时，优选消泡阱2为矩形。
根据本发明，消泡阱2的截面形状没有特别的限定，可以为矩形、圆形或椭圆形等，优选为矩形。
根据本发明，优选的情况下，消泡阱2的宽度可以为500nm～5mm，深度可以为500nm～5mm。其中，上述宽度和深度分别指所述消泡阱2的最大宽度和最大深度。
根据本发明，所述气泡阻隔消除结构设置在微流控芯片的流道4上，且流道4的截面积为第一微通道1的截面积的3倍以上，优选10倍以上，更优选为20倍以上，例如可以为50-500倍。
根据本发明的一个优选的实施方式，该气泡阻隔消除结构还包括设置在所述消泡阱2的顶面上的疏水透气膜9，如图2所示。该疏水透气膜9可以以胶粘等方式覆盖消泡阱2。通过设置疏水透气膜9，可以使得消泡阱中的气泡随着液体的填充与挤压，迫使气泡与疏水透气膜接触，促使气泡消散，无气泡液体继续沿第二微通道3进入芯片上其他通道。
作为本发明中的疏水透气膜，例如可以使用TPU膜或者EPTFE膜，其中优选为EPTFE膜。
本发明第二方面提供一种微流控芯片，该微流控芯片包括流道4以及设置在该流道4上的气泡阻隔消除结构；所述气泡阻隔消除结构为上述本发明第一方面的气泡阻隔消除结构。
优选地，所述气泡阻隔消除结构串联设置有一个或者多个，例如2-5个，优选2-3个。通过串联设置多个气泡阻隔消除结构，可以进一步提高气泡阻隔和/或消除的效果。
根据本发明，所述微流控芯片只要是硬质芯片即可，没有特别的限定，例如可以为玻璃芯片或者高分子芯片等，例如可以为PMMA芯片、PDMS芯片、PC芯片、COC芯片中的一种或多种。该芯片以及气泡阻隔消除结构可以采用机加工或注塑加工的方式得到。
在本发明中，所述通道4可以与芯片的其他结构相联通，包括但不限于混合、反应等芯片结构。本发明的气泡阻隔消除结构可以直接通过第二微通道3与检测池5相连，也可以经过其他结构以后与检测池5相连，但中间的其他结构应不再引入气泡。
在本发明中，所述检测池5可以为基于光学测定(如紫外-可见光、荧光的吸收、反射)的检测池5。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例和对比例中，芯片由机加工的方式得到。
实施例1
本实施例用于说明气泡阻隔消除结构的基本组成及其与光学检测池连用的情况。
如图4所示，本发明的气泡阻隔消除结构由消泡阱2和与消泡阱2的顶部两端连通的第一微通道1和第二微通道3组成，第一微通道1和第二微通道3的设置高度均与消泡阱2的顶端齐平。该气泡阻隔消除结构设置在芯片的流道4上，即第一微通道1直接与流道4相连，第二微通道3与基于光学测定(用于吸光度测定)的检测池5相连，检测池5具有高透光性能。流道4、第一微通道1、消泡阱2、第二微通道3和检测池5之间依次联通，能够容纳并允许液体流过。检测池5的上方和下方分别设置有发光器件6和光学探测器7。
流道4的宽度为800μm、深度为800μm；第一微通道1和第二微通道3的宽度为100μm，深度为100μm，长度为5mm；消泡阱2俯视为长轴2mm、短轴1.5mm的椭圆形，深度为3mm。第一微通道1和第二微通道3均为直线型，二者与检测池5以直线方式相连。该芯片以及上述结构均由PMMA构成。
对比例1
在与实施例1相同的芯片结构基础上，不设置气泡阻隔消除结构。
测试例1
利用该实施例1和对比例1的芯片分别进行光学检测(测定物质为水中氨氮，浓度为6mg/L)，重复两次，结果如图6所示。
测试过程中，将芯片用作基于固液反应的检测芯片，流道4中包含有因试剂溶解、温度变化等原因引发的气泡3。
利用实施例1的芯片测试的过程中，当芯片上的流道4中含有气泡3的液体流经气泡阻隔消除结构时，由于气泡阻隔消除结构中微通道2的尺寸较小，大部分气泡3被阻隔在流道4中而无法进入微通道2。部分情况下，当流道4中的少量气泡3未被阻隔在微通道2前部而是进入消泡阱2时，由于消泡阱的截面积远大于微通道，导致流量迅速下降，部分气泡3浮在液面顶端而自动消除。
利用对比例1的芯片测试的过程中，由于未设置气泡阻隔消除结构，检测池中存在气泡。
从图6可知，在未引入本发明的气泡阻隔消除结构时，由于检测池中存在气泡，导致检测基线和吸光度信号不稳定，对于同一样品的两次测定结果基线不同，且曲线中部分数据信号波动较大，这是因为气泡的存在影响了光路长度和光的传播方向从而引起的数据准确性和重复性降低，而引入气泡阻隔消除结构后，气泡被阻隔消除，光学检测池的信号变得正常、稳定，对同一样品的两次测定曲线重合性较好，说明阻泡消泡结构通过对气泡的消除提高了光学数据测定的准确性和重复性。
实施例2
本实施例用于说明微通道在消泡阱上下两侧气泡阻隔消除结构的基本组成及其与光学检测池连用的情况。
如图3和图5所示，本发明的气泡阻隔消除结构由消泡阱2和与消泡阱2相对的两端连通的第一微通道1和第二微通道3组成，其中第一微通道1与消泡阱2的设置高度与消泡阱2的顶端齐平，第二微通道3与消泡阱2的设置高度与消泡阱2的底端齐平。该气泡阻隔消除结构设置在芯片的流道4上，即第一微通道1直接与流道4相连，第二微通道3与基于光学测定(用于吸光度测定)的检测池5相连，检测池5具有高透光性能。流道4、第一微通道1、消泡阱2、第二微通道3和检测池5之间依次联通，能够容纳并允许液体流过。检测池5的上方和下方分别设置有发光器件6和光学探测器7。
流道4的宽度为500μm、深度为500μm；第一微通道1和第二微通道3的宽度为100μm，深度为60μm，长度为12mm；消泡阱2为截面直径、深度均为3mm的圆柱阱。第一微通道1、第二微通道3俯视图为S型曲线并与检测池5相连，具体如图5所示。
对比例2
在与实施例2相同的芯片结构基础上，不设置气泡阻隔消除结构。
测试例2
利用该实施例2和对比例2的芯片分别进行光学检测(测定物质为水中亚硝酸，浓度为3mg/L)，结果如图7所示。
测试过程中，将芯片用作基于固液反应的检测芯片，流道4中包含有因试剂溶解、温度变化等原因引发的气泡3。
利用实施例2的芯片测试的过程中，当液体从第一微通道进入消泡阱时，一部分气泡被阻隔在微通道之前，少量进去消泡阱的气泡在浮力作用下向上漂移，并消散使得进去检测池中的液体无气泡。而利用对比例2的芯片测试的过程中，由于未设置气泡阻隔消除结构，检测池中存在气泡。
从图7可知，在未引入本发明的气泡阻隔消除结构时，由于检测池中气泡的存在影响了光的传播及吸收从而导致多次测量的吸光度曲线重合性差，而引入气泡阻隔消除结构后，气泡被阻隔消除，光学检测池的信号变得更加稳定，多次测定之间的重复性良好。
实施例3
使用如实施例1的气泡阻隔消除结构，区别仅在于，第一微通道1和第二微通道3的宽度为200μm，深度为100μm。
实施例4
使用如实施例1的气泡阻隔消除结构，区别仅在于，第一微通道1和第二微通道3的宽度为200μm，深度为200μm，且串联设置了三组阻泡消泡结构。
测试例3
按照测试例1的方法利用实施例3和4的芯片进行光学检测，结果显示，经过本发明的阻泡消泡结构，绝大部分气泡被成功阻隔或消除，在非最优尺寸设置情况下，少量气泡无法通过单组阻泡消泡结构完全消除时，多组串联可以将气泡更好的阻隔/消除。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种微流控芯片的气泡阻隔消除结构，其特征在于，该气泡阻隔消除结构包括消泡阱(2)以及与消泡阱(2)连通的第一微通道(1)和第二微通道(3)，使得液体能够依次流经第一微通道(1)、消泡阱(2)和第二微通道(3)；
其中，所述第一微通道(1)和所述第二微通道(3)的截面积各自独立地为40000μm2以下；
所述消泡阱(2)的截面积为0.25μm2～50mm2，深度为0.5μm以上；
所述消泡阱(2)的截面积为所述第一微通道(1)和所述第二微通道(3)的截面积的5倍以上。
2.根据权利要求1所述的气泡阻隔消除结构，其中，所述第一微通道(1)和所述第二微通道(3)的截面积各自独立地为0.0025-40000μm2；
优选地，所述消泡阱(2)的截面积为0.25μm2～25mm2，优选为1-25mm2。
3.根据权利要求1所述的气泡阻隔消除结构，其中，所述第一微通道(1)和所述第二微通道(3)的截面为矩形；
优选地，所述第一微通道(1)和所述第二微通道(3)的宽度为50nm～200μm，深度为50nm～200μm。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的气泡阻隔消除结构，其中，所述第一微通道(1)和所述第二微通道(3)的长度均为3-10mm。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的气泡阻隔消除结构，其中，所述消泡阱(2)的截面积为所述第一微通道(1)和所述第二微通道(3)的截面积的10倍以上。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的气泡阻隔消除结构，其中，所述第一微通道(1)和所述第二微通道(3)通过在靠近所述消泡阱(2)的侧壁的顶端或者底端的位置上开口而设置。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的气泡阻隔消除结构，其中，所述消泡阱(2)的宽度为500nm～5mm，深度为500nm～5mm。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的气泡阻隔消除结构，其中，所述消泡阱(2)的截面为矩形、圆形或椭圆形。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的气泡阻隔消除结构，其中，所述气泡阻隔消除结构设置在微流控芯片的流道(4)上，且流道(4)的截面积为第一微通道(1)的截面积的3倍以上，优选10倍以上。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的气泡阻隔消除结构，其中，所述第一微通道1和所述第二微通道3的设置条数分别为1-5条。
11.根据权利要求1-10中任意一项所述的气泡阻隔消除结构，其中，该气泡阻隔消除结构还包括设置在所述消泡阱(2)的顶面上的疏水透气膜(9)；
优选地，所述疏水透气膜(9)为TPU膜或者EPTFE膜。
12.一种微流控芯片，其特征在于，该微流控芯片包括流道(4)以及设置在该流道(4)上的气泡阻隔消除结构；
所述气泡阻隔消除结构为权利要求1-11中任意一项所述的气泡阻隔消除结构；
优选地，所述气泡阻隔消除结构串联设置有一个或者多个。
13.根据权利要求12所述的微流控芯片，其中，所述微流控芯片为玻璃芯片、PMMA芯片、PDMS芯片、PC芯片、COC芯片中的一种或多种。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210841754.4A CN117443464A (zh) | 2022-07-18 | 2022-07-18 | 微流控芯片的气泡阻隔消除结构和微流控芯片 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210841754.4A CN117443464A (zh) | 2022-07-18 | 2022-07-18 | 微流控芯片的气泡阻隔消除结构和微流控芯片 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN117443464A true CN117443464A (zh) | 2024-01-26 |
Family
ID=89586087
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210841754.4A Pending CN117443464A (zh) | 2022-07-18 | 2022-07-18 | 微流控芯片的气泡阻隔消除结构和微流控芯片 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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2022
- 2022-07-18 CN CN202210841754.4A patent/CN117443464A/zh active Pending
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