CN1482465A - 变轴心微流体系统及控制微流体在该系统中运动的方法 - Google Patents

Abstract

一种变轴心微流体系统及控制微流体在该系统中运动的方法，该系统包括芯片，在芯片上具有试剂池和管道，试剂池经管道连通，芯片可绕一转轴转动，转轴的轴心可在所述芯片所处的平面上移动其位置。当变化所述转轴轴心的位置，使离心力方向与试剂池方向的夹角大于90度时，试剂池中液体受到的离心力使其停留在所述试剂池中不会流出；当变化所述转轴轴心的位置，使离心力方向与试剂池方向的夹角小于90度时，所述试剂池中液体受到的离心力使其流出所述试剂池；本发明具有控制简单灵活、易于试剂混合、避免交叉感染、清洗干净、无需精密调速电动机、可在同一芯片上实现不同诊断程序，适于微流体控制的分析、合成和提纯等基因、生化、制药和化学过程中使用。

Description

变轴心微流体系统及控制微流体在该系统中运动的方法

技术领域

本发明涉及微分析、微合成等分析和过程的方法和仪器中的微流体控制的分析、合成和提纯等基因、生化、制药和化学过程的微型化技术，特别是变轴心微流体系统及控制微流体在该系统中运动的方法。

在本文中，为了表述方便，我们放试剂、样品、或者混合物等的腔体，有时统称为“试剂池”。

背景技术

现有的绝大多数微流体系统都采用各种形式的微泵和微阀来实现微流体流动的控制。按原理分类，有多种不同的微泵和微阀。

一种是采用微机械工艺制作的微机械泵和微机械阀，其基本原理类似于现有的大型泵和阀，利用泵内外的压差来驱动微流体流动，利用微机械制作的可动阀来控制流体的流入和流出。这种微泵的典型代表是薄膜容积式微泵。该泵利用微机械制作的薄膜通过不同的驱动机制(静电、电磁、热等)使薄膜往复运动从而改变泵腔体积使泵腔内外产生压力差，并由压差推开同样是微机械制作的阀门来驱动流体流动。利用微机械泵和阀来控制微流体流动的技术控制精度高，可以按照分析程序的需要准确地输送液体到所需的位置，但这种微流体控制系统存在微机械泵和阀等可动部件，按照目前的工艺技术，其可靠性难以保证，而且制作工艺复杂和成本高，难于将其集成到以微流体为平台的生物芯片、微反应器上去。另外，这种泵和阀的泄漏问题始终没有得到很好的解决。

另一种典型的微流体控制系统基于电渗流原理。简单地说就是当某种特定的电解质溶液(PH值)在某种特定材料(管道表面有不动的负电荷)的微管道中时，在溶液的两端加高电压，可以使液体在管道中产生运动。这种微流体控制技术需要高压(几千到上万伏)，使得其用于生物和人样品的检测时，存在安全性问题以及难于使仪器小型化等问题。而且这种微流体控制系统对样品的要求比较高(PH值等)，对微流体结构的表面特性也有特定的要求(管道表面要有不动的负电荷)，这限制了其控制样品的种类和应用的范围。

其它基于热等原理的微流体控制技术一般都存在控制精度差、流速低、适用范围小或者对生物样品有损害等问题。

利用离心力来控制微流体的流动有很多优点，例如适用范围广(几乎任何液体)、控制方便(通过调节转速就可以有效控制进样顺序等流动参数)、可靠性高等。但目前的离心力驱动的微流体控制系统也存在很多问题，例如控制精度差，不够方便，无法实现准确而可靠地将样品在特定的时间和步骤上输送、停止和排出到指定位置等。目前利用离心力原理的微流体控制系统的例子有Gamera公司的Lab-on-CD系统，该系统通过使盘片绕其轴心旋转产生离心力和毛细微阀来控制系统中液体的微流动。这样的系统保留了离心力控制技术的适用范围广、可靠性高等一般优点且不需要主动阀，但其不能实现让反应物在所需的反应池内停留需要的时间，不能实现样品的定位和不同样品分时或分步地进入或离开特定的池。而如果无法做到这点，就使得很多检测和反应过程不能顺利地完成。例如容易使不同的样品相互作用，在生物、化学或者医学应用中造成交叉感染，影响检测的精确度。在Gamera公司的Lab-on-CD系统中，液体的流动靠离心力驱动，靠微毛细阀来控制。由于各个微毛细阀距离转动轴心的距离不同，所以各个微毛细阀打开的阈值转速也相应不同，通过调节转台的转速，可以实现微毛细阀的顺序打开，但这样的系统需要可以精密调节转速的电机及控制系统，成本较高。另一方面，Lab-on-CD系统不容易实现液体的混合，因为在Lab-on-CD系统中，两种试剂如果先后进入混合池中混合，在后一种试剂进入该混合池的同时，先进入的试剂也在流出混合池，两种试剂不能停留在混合池中，这样造成两种试剂不能充分混合；Lab-on-CD系统不容易将样品清洗干净，因为在Lab-on-CD系统中，如果要将一种试剂排出试剂池，必须使用后一种试剂对该试剂进行挤压，使作用完的试剂被即将发挥作用的试剂挤出混合池，这样两种试剂会交叉感染。

本发明的内容

针对上述微流体控制技术的缺点，本发明的目的是提供一种微流体控制平台，其不仅可靠(不需要微型的可动部件，如微泵和微阀)、适用样品范围广、控制方便，而且可以精确、快速地控制流体流动，并从时间和空间上较精确地定位流体。它可以容易地实现样品的混合，可以容易地清洗样品，可以用同一个芯片根据不同的需要执行不同的诊断程序。且无需精密调节转速的电动机及控制系统。

本发明的目的是按如下技术方案实现的。本发明一种变轴心微流体系统，其特征是：它包括芯片，在所述芯片上具有试剂池和管道，所述试剂池经管道连通，所述芯片可绕一转轴转动，所述转轴的轴心可在所述芯片所处的平面上移动其位置。在试剂池的出口与管道连接处具有微阀。当变化所述转轴轴心的位置，使离心力方向与试剂池方向的夹角大于90度时，所述试剂池中液体受到的离心力使其停留在所述试剂池中不会流出；

当变化所述转轴轴心的位置，使离心力方向与试剂池方向的夹角小于90度时，所述试剂池中液体受到的离心力使其流出所述试剂池。

本发明通过改变芯片转动轴心的位置和离心力驱动来实现上述发明目的的。发明原理如下：

如果在疏水材料制成的芯片中，当水溶液从大横截面的试剂池流入到小横截面的管道时，毛细力可起到阻止流动作用。形成了微阀，只有当试剂池内溶液受到一定力的作用克服微阀阻力后，溶液才可流出，如果试剂池的方向保持不变，我们假定由试剂池1的中心指向出口管道的方向L为试剂池的方向，见图1。当芯片旋转时，试剂池中液体所受的离心力的方向F是由转动轴心O向外。当离心力F的方向与试剂池的方向L的夹角α大于90度的时候，离心力F的作用是阻止管道2中的液体外流，如图1所示；当离心力F的方向与试剂池的方向L的夹角α小于90度的时候，离心力F的作用是驱动液体向外流动，如图2所示。

如果试剂池1的方向保持不变，而转动轴心O的位置发生变化，我们就可以控制试剂池1中液体的状态。例如当变化转动轴心O的位置使得离心力的方向F与试剂池的方向的夹角大于90度的时候，如图1所示，这时试剂池中的液体受到的离心力使得它停留在试剂池中不会流出；当移动转动轴心O的位置到图2所示的位置使离心力的方向F与试剂池的方向L的夹角α小于90度时，这时试剂池1中的液体所受的离心力使得液体流出试剂池1。这样我们就通过移动转动轴心O相对于试剂池1的位置实现了试剂池中液体的流出和停止控制。如果有多个试剂池具有不同的出口方向，移动转动轴心O到适合的位置，就可以阻止一些管道中液体流出，而同时驱动另一些管道中液体流出，从而实现液体的顺序供给、混合等功能。

如图3所示，在平台7上装有芯片6，芯片6上具有试剂池，当转动轴心位O于两个试剂池101、102中间，并且两个试剂池101、102的方向相同，当芯片6平台7转动时，离心力的作用就可以使试剂池101中的液体流出，而同时阻止试剂池102中的液体流出。如果芯片6的材料用疏水材料制成，这时由于试剂池的直径比管道宽度大，所以自然形成一个微阀，即疏水阀。如果合理布置试剂池的位置和出口管道的方向，我们就可以通过不断移动转动轴心O的位置使得不同的疏水阀顺序打开，而且转动角速度ω可以只要一个而不需要精密调节。即使芯片6的材料不是用疏水材料制作，我们同样也可以利用上述的方法实现管道液体的顺序流出。

下面以实施例对本发明具体介绍。

附图说明

图1为本发明原理图(离心力为阻止液体流出的力)，

图2为本发明原理图(离心力为驱动液体流出的力)，

图3为本发明原理图(多个试剂池的控制)，

图4、5为本发明的流体混合时的工作状态图，

图6为本发明中转动轴心按一维移动时的液体流动控制示意图，

图7、8为本发明中转动轴心按二维移动时的液体流动控制示意图。

图中代号：1试剂池              2管道                  3试剂4混合池              5废液池                6芯片7平台                F离心力方向            L试剂池方向O、O1至O8转动轴心    ω转动角速度α离心力方向与试剂池方向的夹角      101至108试剂池

实施例：在各实施例中，为了简化图面，芯片及转动平台均未示出。整个系统由转动平台、平移装置、芯片、电动机和控制电路组成。转动平台由电动机控制转动，平移装置用来移动转动轴心，芯片采用疏水材料PMMA制作。

如图4为变轴心微流体系统的试剂混合设计，芯片上具有试剂池101、102和管道201、202，试剂池101、102分别经管道201、202与混合池4连通。混合池4经管道2与废液池5相连。芯片可绕转轴O₁转动，该转轴O₁可在芯片所处的平台上移动其位置。芯片可固定在该平台上，由可移动轴心位置的转轴带动该平台转动，从而带动芯片转动。在现有技术LAB-ON-CD系统中，转动轴心是固定的，当芯片转动时，需要混合的试剂池中的试剂会克服疏水阀或亲水阀的作用流出到混合池，但是由于离心力在管道各处都有作用，当不同试剂池中的试剂流入混合池的同时，它们也在流出混合池，这样做的结果是试剂没有得到充分混合就流出了混合池。在本发明的设计中(图4)，芯片的转动轴心位置是可移动的。在开始的时候，芯片的转动轴心在O₁，这时当芯片转动时，离心力的作用是使试剂池101和试剂池102中的试剂流出到混合池4，而同时阻止混合池4中的混合液体流出混合池4进入废液池5，从而可以实现两种试剂的充分混合，见图4；当两种试剂混合充分后，将芯片的转动轴心移到O的位置，然后转动芯片，这时离心力的作用是使混合池4中的混合好的液体流出到废液池5，而同时不会流回到原来的试剂池101、102，见图5。通过这种设计，我们可以使得多种试剂充分混合，而且可以使混合液体在一定的位置停留到我们想要的时间。

图6所示是利用移动转动轴心原理的另一种芯片的设计，在这种设计中，我们可以通过芯片转动轴心的一维移动使得不同试剂池中的试剂顺序流出和混合。当移动芯片转动轴心到O₁时，离心力的作用是使试剂池101中的试剂流出到混合池4的同时，阻止试剂池102和试剂池103中的试剂流出，并且能够阻止流入到混合池4中的试剂流出到废液池，也能够阻止废液池5中的液体流出，也就是说我们可以利用离心力只使试剂池101中的试剂流入到混合池4。当需要混合池4中的试剂或混合物流出到废液池5时，我们可以移动转动轴心到O的位置并转动芯片，这时离心力的作用是使混合池4中的液体流出到废液池5，而同时阻止试剂池102和试剂池103中的试剂流出。同样道理，当需要试剂池102中的试剂流出时，可以将转动轴心移到O₂的位置；这样我们依次将转动轴心的位置按O₁-O-O₂-O-O₃-O的顺序移动，并在每个移动后以一定的转速转动芯片，就可以使得试剂池101、102和103中的液体分别顺序流入混合池4然后排出到废液池5。这种操作可以使得试剂池101、102、103中的试剂避免接触，而且可以使得各种试剂在混合池中停留到我们需要的时间。同样道理如果将转动轴心的位置按O₂-O-O₃-O的顺序移动，可以使试剂池101和试剂池102中的试剂先在混合池4混合，然后排出废液池，试剂池103中的试剂再进入混合池4。

同理，如果二维移动芯片转动轴心的位置，我们也可以实现上面所说的试剂顺序供给和混合的功能。图7是另一种芯片的设计。在这种芯片设计中，当芯片转动轴心的位置按照O₁-O-O₂-O-O₃-O-O₄-O-O₅-O-O₆-O的顺序移动并转动芯片就可以使得试剂池101到106中的试剂分别顺序流入到混合池4，停留，然后流出到废液池5。图8是另一种设计。在这种芯片设计中，当芯片转动轴心的位置按照O₁-O-O₂-O-O₃-O-O₄-O-O₅-O-O₆-O-O₇-O-O₈-O的顺序移动并转动芯片就可以使得试剂池101到108中的试剂分别流入到混合池4，停留，然后流出到废液池5。同样，改变转动轴心的移动顺序，可以改变试剂流出的顺序，或者使几种试剂先在混合池4中混合后再流出到废液池5。

利用同样的原理，也可以设计更为复杂的动作。而且芯片的转动速度可以是一固定的，而不需要精密调速的电机。

另一方面由于移动转动轴心的位置的程序是可以改变的，我们通过不同的移动程序就可以实现在同一块芯片上完成不同的操作步骤。例如在图6的芯片设计中，我们可以按照O₁-O-O₂-O-O₃-O的顺序移动芯片的转动轴心的位置，使得在试剂池101、102和103中的试剂分别顺序流出到混合池4然后再排出到废液池5；我们也可以按照O₂-O-O₃-O的顺序移动芯片转动轴心的位置，使得试剂池101和102中的试剂先在混合池4混合后再排出到废液池5，然后试剂池103中的试剂再进入混合池4，最后排出到废液池5。对于图8的设计，显然可以实现的操作步骤的种类将更多。通过这种不同的转动轴心位置的移动顺序的改变，我们可以在同一块芯片上实现不同的诊断程序。

综上所述，由于采用了可移动位置的转动轴，与现有技术比较，本发明具有以下的优点：

1、控制简单、灵活；可精确快速控制流体流动，并从时间和空间上较精确地定位流体；

2、易于试剂混合、避免交叉感染；

3、清洗干净

4、系统实现简单，只需一固定转速的电机，不需要精密调速电机；

5、易于系统的小型化，降低成本；

6、可以在同一个芯片上实现不同的诊断程序。

本发明适于微流体控制的分析、合成和提纯等基因、生化、制药和化学过程中使用。

Claims (4)

1、一种变轴心微流体系统，其特征是：它包括芯片，在所述芯片上具有试剂池和管道，所述试剂池经管道连通，所述芯片可绕一转轴转动，所述转轴的轴心可在所述芯片所处的平面上移动其位置。

2、根据权利要求1所述的一种变轴心微流体系统，其特征是：所述芯片所处的平面为一平台，所述芯片固定在所述平台上，由所述可移动轴心位置的转轴带动所述平台转动。

3、根据权利要求1或2所述的一种变轴心微流体系统，其特征是：在所述试剂池的出口和管道连接处具有微阀。

4、一种控制微流体在变轴心微流体系统中运动的方法，其特征是：

当变化所述转轴轴心的位置，使离心力方向与试剂池方向的夹角大于90度时，所述试剂池中液体受到的离心力使其停留在所述试剂池中不会流出；

当变化所述转轴轴心的位置，使离心力方向与试剂池方向的夹角小于90度时，所述试剂池中液体受到的离心力使其流出所述试剂池。

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