CN220004081U - 一种可实现定量分配的卡式微流控分析芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，属于微流控芯片领域，包括：一个或多个检测单元；检测单元包括：用于添加反应式试剂的加样口和多个预埋有反应指示剂的反应腔室；各反应腔室通过疏水微通道与加样口相连，且各反应腔室与加样口之间的疏水微通道长度相等；用于连接各反应腔室与加样口的疏水微通道位于同一芯片层，且呈树状结构分布；加样口表面覆盖有可溶膜；检测单元中，树状结构中，加样口位于主干上，各反应腔室位于叶节点处，并且，沿加样口向反应腔室的方向，同一节点引出的分支具有相同的长度。本实用新型通过对卡式芯片内部微通道的布局进行改进，实现定量分配，从而提高检测准确性。

Description

一种可实现定量分配的卡式微流控分析芯片

技术领域

本实用新型属于微流控芯片领域，更具体地，涉及一种可实现定量分配的卡式微流控分析芯片。

背景技术

微流控技术作为一种新兴的科学技术，已经应用于化学、生物学、工程学和物理学等诸多领域，学科交叉性强，在时间、空间和分析对象的精密操控上进行了突破，能够解决生命分析的许多关键问题。微流控技术能够将原本只能在实验室才能完成的检测实验集成到一小块芯片上，不仅节约了耗材成本和时间成本，更重要的是能够集成多种检测技术于一体，提高检测效率。随着微流控技术的不断发展，其在分析检测领域的优势越来越明显，不仅可以缩小试剂的损耗，同时微尺度下的微反应器更加有利于各种生化反应的进行。

目前基于微流控技术的检测分析芯片主要分为离心式芯片和卡式芯片两大类，相较于离心全集成式芯片，卡式芯片体积更小，操控更简单，容易集成，越来越受到研究者和企业家们的关注。

但是，现有的卡式芯片往往通过在芯片内形成负压，配合微流道达到引流的目的，在引流过程中，液体反应试剂的均匀性无法保证，也无法实现定量分配，检测准确性无法保证。同时，受限与芯片面积，现有卡式芯片的检测通量仍无法达到很高的水平。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本实用新型提供了一种可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，其目的在于，通过对卡式芯片内部微通道的布局进行改进，实现定量分配，从而提高检测准确性。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，包括：一个或多个检测单元；

检测单元包括：用于添加反应式试剂的加样口和多个预埋有反应指示剂的反应腔室；

各反应腔室通过疏水微通道与加样口相连，且各反应腔室与加样口之间的疏水微通道长度相等；用于连接各反应腔室与加样口的疏水微通道位于同一芯片层，且呈树状结构分布；

加样口表面覆盖有可溶膜。

进一步地，检测单元中，树状结构中，加样口位于主干上，各反应腔室位于叶节点处，并且，沿加样口向反应腔室的方向，同一节点引出的分支具有相同的长度。

进一步地，树状结构为沿其主干对称的结构，且自加样口沿主干的方向宽度逐渐增加。

进一步地，检测单元有多个时，各检测单元内的反应腔室以及连接反应腔室与加样口的疏水微通道位于同一芯片层，以一行或多行的形式排布，并且，同一行检测单元中，相邻两个检测单元内疏水微通道构成的树状结构互为倒置。

进一步地，加样口从上到下为锥状。

在一些可选的实施例中，芯片从上至下依次包括：加样层和检测层；

各检测单元内的反应腔室以及连接反应腔室与加样口的疏水微通道均位于检测层，各检测单元的加样口跨越加样层与检测层相连。

在一些可选的实施例中，芯片还包括抽气结构，并且芯片从上至下依次包括：加样层、抽气层和检测层；

各检测单元内的反应腔室以及连接反应腔室与加样口的疏水微通道均位于检测层；各检测单元内的加样口跨越加样层和抽气层与检测层相连；

抽气层中设置有与检测单元一一对应的一个或多个气孔单元；气孔单元包括抽气口，以及对应检测单元内反应腔室对应位置处的连接孔；各连接孔与对应的反应腔室连接，且通过疏水微通道与抽气口连接；各气孔单元的抽气口通过疏水微通道与抽气结构相连；

抽气结构跨越加样层与抽气层相连。

在一些可选的实施例中，抽气结构为主抽气孔；

主抽气孔由上到下为锥状，且由胶状物质密封。

在一些可选的实施例中，抽气结构为气泵装置；

气泵装置包括：外壳，设置于外壳内、可沿外壳移动的柱塞，以及设置于外壳一端的卡扣；

外壳内密封有一段空气柱。

在一些可选的实施例中，芯片还包括总抽气口，并且芯片从上到下依次包括：顶层、检测层、透气层、抽气层以及底层；

各检测单元内的反应腔室以及连接反应腔室与加样口的疏水微通道均位于检测层；各检测单元内的加样口跨越顶层与检测层相连；总抽气口跨越顶层与检测层相连；

抽气层包括：设置于各反应腔室对应位置处的负压仓，以及设置于总抽气口对应位置处的副抽气口；各负压仓通过气控微通道与副抽气口相连。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本实用新型提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，同一检测单元内连接各反应腔室与加样口的疏水微通道具有相同的长度，在负压环境下，等长的疏水微通道使得加样口与各反应腔室之间的压差相同，从而经加样口加入的液体反应试剂可均匀流向各个反应腔室，实现定量分配，最终提高检测准确性；进一步地，检测单元内疏水微通道呈树状结构分布，同一检测单元内反应腔室的排布更为紧凑，且检测单元内的反应腔室以及连接反应腔室与加样口的疏水微通道可设置于同一层，由此可以进一步提高芯片集成度和检测通量。

(2)本实用新型提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，在其进一步优选的方案中，检测单元内的疏水微通道排布形成的树状结构为沿其主干对称的结构，且自加样口沿主干的方向宽度逐渐增加，该结构下，检测单元整体外轮廓类似于三角形，由此能够进一步节省空间，在有限面积下同一检测单元内可设置更多的反应腔室，进一步提高检测通量。在其进一步优选的方案中，检测单元设置有多个且位于同一芯片层，相邻检测单元互为倒置排布，由此能够进一步节省空间，在有限面积下，可设置更多的检测单元，进一步提高检测通量。

附图说明

图1为本实用新型实施例1提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中检测单元的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中检测层的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中加样口的结构示意图；

图4为本实用新型实施例2提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中加样层的结构示意图；

图5为本实用新型实施例2提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中抽气层的结构示意图；

图6为本实用新型实施例2提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中气孔单元的结构示意图；

图7为本实用新型实施例2提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中抽气口的结构示意图；

图8为本实用新型实施例2提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中检测层的结构示意图；

图9为本实用新型实施例3提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中加样层的结构示意图；

图10为本实用新型实施例3提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中气泵装置的结构示意图；

图11为本实用新型实施例3提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中抽气层的结构示意图；

图12为本实用新型实施例3提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中检测层的结构示意图；

图13为本实用新型实施例4提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片中各芯片层的结构示意图；其中，(a)为顶层，(b)为检测层，(c)为透气层，(d)为抽气层，(e)为顶层；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1-加样口，2-反应腔室，3-疏水微通道；4,5-树状结构中的节点；

11-加样层，12-检测层；

21-加样层，22-抽气层，23-检测层；211-主抽气孔；221-抽气口，222-连接孔，223-疏水微通道，224-疏水微通道；

31-加样层，32-抽气层，33-检测层；311-气泵装置；

41-顶层，42-检测层，43-透气层，44-抽气层，45-底层；411-加样口，412-总抽气口；441-副抽气口，442-负压仓，443-气控微通道。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本实用新型中，本实用新型及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了解决现有的卡式微流控芯片在进行检测时存在的液体反应试剂不均匀、无法实现定量分配的技术问题，本实用新型提供了一种可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，其整体思路在于：对对卡式芯片内部微通道的布局进行改进，使得加样口与各反应腔室之间其连接作用的疏水微通道具有相等的长度，在负压环境下，等长的疏水微通道使得加样口与各反应腔室之间的压差相同，从而经加样口加入的液体反应试剂可均匀流向各个反应腔室，实现定量分配，最终提高检测准确性。

在实际应用中，使加样口与各反应腔室间具有等长的疏水微通道的方式有多种，例如，反应腔室沿加样口呈圆形分布，又例如，疏水微通道可跨越多层，以实现等长设计等。但是，实现等长定量分配通道的方案会影响芯片的集成度，也不利于检测通量的提高。

为了在实现定量分配的同时，进一步提高卡式微流控芯片的检测通量，本实用新型在保证同一检测单元内，加样口与各反应腔室之间存在等长的定量分配通道的情况下，进一步对连接加样口与各反应腔室的疏水微通道的排布方式设计为了树状结构，使得反应腔室与疏水微通道可设置于同一芯片层，且整个检测单元在同一芯片层的结构更为紧凑，从而在芯片面积受限的情况下，可以设置更多的检测单元，有效提高检测通量。

基于以上构思，本实用新型所设计的检测单元的结构如图1所示，其包括：用于添加反应式试剂的加样口1和多个预埋有反应指示剂的反应腔室2；各反应腔室2通过疏水微通道3与加样口1相连，且各反应腔室2与加样口1之间的疏水微通道3长度相等；

如图1所示，本实用新型中，用于连接各反应腔室2与加样口1的疏水微通道3位于同一芯片层，且呈树状结构分布；具体地，该树状结构中，加样口1位于主干上，各反应腔室2位于叶节点处，并且，沿加样口向反应腔室的方向，同一节点引出的分支具有相同的长度；以树状结构中的节点4和5为例，节点4引出了3个分支，这3个分支的长度相等；节点5引出了两个分支，两个分支的长度相等；采用这种树状结构设计，检测单元内的反应腔室以及连接反应腔室与加样口的疏水微通道可设置于同一层；

继续参阅图1，本实用新型中，检测单元内，疏水微通道排布形成的树状结构为沿其主干对称的结构，且自加样口沿主干的方向宽度逐渐增加；在这种结构下，可充分利用空间，在单个检测单元内布置下更多的反应腔室，而且，单个检测单元整体形状接近与三角形，如图2所示，检测单元有多个时，将所有检测单元设置于同一芯片层，以一行或多行的形式排布，并且，通过使同一行检测单元中，相邻两个检测单元内疏水微通道构成的树状结构互为倒置，可以在有限的芯片面积下布置更多的检测单元，进一步提高检测通量。

本实用新型中，加样口1的表面覆盖有可溶膜，可以在芯片内，结合疏水微通道组成一个相对密封空间，可短暂维持芯片内负压环境，进一步利于样品/试剂在芯片内的定量分配；在芯片内形成负压环境时，直接向加样口加入液体反应试剂，可溶膜溶解，在大气压作用下，液体反应试剂将通过等长的疏水微通道定量分配至各反应腔室，在反应腔室内混合并发生反应。用于覆盖加样口的可溶膜可通过聚乙烯醇(PVA)等可溶性材料制成。

为了便于加样及引流，如图3所示，加样口1具体设计为了从上到下的锥形结。

在上述结构的基础上，可采用不同的方式使芯片形成负压环境，相应地，芯片整体可设计为2～5层的结构。以下为实施例。

实施例1：

一种可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，如图1～图3所示。本实施例具体包括多个检测单元，本实施例中，检测单元的结构如图1所示；芯片为两层结构；两层分别为加样层11和检测层12，检测层的结构具体如图2所示；如图3所示，本实施例中，各检测单元的加样口跨越加样层与检测层相连。

本实施例中，检测单元的具体结构，加样口的具体结构，以及检测单元在检测层中的排布方式，具体可参考前文中的描述，在此将不作赘述。

需要说明的是，由于本实施例中，卡式微流控芯片依靠大气压驱动流体运动，大气压与芯片内部压差的大小与样品/试剂分配效率相关，压差越大，分配效率和准确度越高；因此，在实际应用中，可根据具体的分配效率和检测通量设置疏水微通道的长度。

本实施例提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，在加工生产后，需要运用不透气的密闭材质(如锡纸)包装，并抽去真空封锁空气；使用时，即开即用，直接向加样口滴入样品/试剂，迅速进样后在反应检测腔室中进行反应，短时间即可根据颜色变化得到检测结果。

另外，本实用新型中微流控芯片的加工材料可为PDMS，加工方式包括但不限于CNC数控加工、激光雕刻、软光刻技术、3D打印及注塑形成模具等方式。例如，由于芯片主要结构为加样层及检测层，当利用CNC技术加工芯片时，芯片只有双层结构贴合；当利用激光雕刻技术加工时，芯片只需要加上上下盖片即可。

实施例2：

一种可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，如图4～8所示。本实施例包括多个检测单元，各检测单元的结构如图1所示，具体可参考前文中的描述。

本实施例具体为三层结构，且三层从上至下依次为：加样层21、抽气层22和检测层23，这三层结构分别如图4、图5和图8所示；

各检测单元内的反应腔室以及连接反应腔室与加样口的疏水微通道均位于检测层；各检测单元内的加样口跨越加样层21和抽气层22与检测层23相连；本实施例中，检测层23内疏水微通道以及反应腔室的布置方式可参考前文中的描述，在此将不作复述。

本实施例中，芯片还包括抽气结构，且该抽气结构具体为主抽气口211。

如图5所示，抽气层22中设置有与检测单元一一对应的一个或多个气孔单元；气孔单元的结构如图6所示，具体包括抽气口221，以及设置于对应检测单元内反应腔室对应位置处的连接孔222；各连接孔222与对应的反应腔室连接，且通过疏水微通道223与抽气口连接；各气孔单元的抽气口221通过疏水微通道224与主抽气孔211相连；

本实施例中，主抽气口的结构如图7所示，主抽气孔211由上到下为锥状，且由胶状物质密封；基于该结构设计，主抽气口允许针管等插入，并在针管拔出后恢复密封。

同样需要说明的是，由于本实施例中，卡式微流控芯片依靠大气压驱动流体运动，大气压与芯片内部压差的大小与样品/试剂分配效率相关，压差越大，分配效率和准确度越高；因此，在实际应用中，可根据具体的分配效率和检测通量设置疏水微通道的长度。

本实施例提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片无需密封包装抽真空；使用时，首先借助软针管连接主抽气口和25mL注射器，将注射器的柱塞向外拉并固定在预定位置，夹紧软管，褪去注射器；随后向加样口滴入样品/试剂，迅速进样后在反应检测腔室中进行反应，短时间即可根据颜色变化得到检测结果。

另外，本实用新型实施例中微流控芯片的加工材料可为PDMS，加工方式包括但不限于CNC数控加工、激光雕刻、软光刻技术、3D打印及注塑形成模具等方式。例如，由于芯片主要结构为加样层及微流通道层，当利用CNC技术加工芯片时，芯片只有三层结构贴合；当利用激光雕刻技术加工时，芯片只需要加上盖片即可。

实施例3：

一种可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，如图9～图12所示。本实施例与上述实施例2类似，同样为三层结构，从上到下依次为加样层31、抽气层32和检测层33，各层分别如图9、图11和图12所示；

本实施例与上述实施例2所不同之处在于，本实施例中，抽气结构具体为气泵装置311，该气泵装置311的具体结构如图10所示，具体包括：外壳，设置于外壳内、可沿外壳移动的柱塞，以及设置于外壳一端的卡扣；

外壳内密封有一段空气柱。

同样地，该气泵装置跨越加样层与抽气层相连。

可选地，本实施例中，气泵装置内的空气柱为25-30mL。

同样需要说明的是，由于本实施例中，卡式微流控芯片依靠大气压驱动流体运动，大气压与芯片内部压差的大小与样品/试剂分配效率相关，压差越大，分配效率和准确度越高；因此，在实际应用中，可根据具体的分配效率和检测通量设置疏水微通道的长度。

本实施例提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，无需密封包装抽真空；使用时，首先拉动气泵装置上柱塞至尾部，并用装置上卡扣固定；随后向加样口滴入样品/试剂，迅速进样后在反应检测腔室中进行反应，短时间即可根据颜色变化得到检测结果。

另外，本实施例中微流控芯片的加工材料可为PDMS，加工方式包括但不限于CNC数控加工、激光雕刻、软光刻技术、3D打印及注塑形成模具等方式。例如，由于芯片主要结构为加样层及微流通道层，当利用CNC技术加工芯片时，芯片只有三层结构贴合；当利用激光雕刻技术加工时，芯片只需要加上盖片即可。

实施例4：

一种可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，如图13所示。本实施例同样包括1个或多个检测单元，各检测单元的结构如图1所示，具体可参考前文中的描述。

本实施例所提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片为5层结构，从上到下依次是顶层41、检测层42、透气层43、抽气层44以及底层45，各层分别如图13中的(a)、(b)、(c)、(d)和(e)所示。

如图13中的(b)所示，各检测单元内的反应腔室以及连接反应腔室与加样口的疏水微通道均位于检测层42；各检测单元内的加样口跨越顶层41与检测层42相连。

本实施例还包括总抽气口412，该总抽气口412跨越顶层41与检测层42相连。

如图13中的(d)所示，抽气层41包括：设置于各反应腔室对应位置处的负压仓442，以及设置于总抽气口412对应位置处的副抽气口441；各负压仓442通过气控微通道443与副抽气口441相连。

本实施例中，总抽气口和副抽气口分别位于检测层和抽气层，通过图13中的(c)所示的透气层分离，可以在形成负压的同时隔绝样品，以免样品直接进入负压仓；由于总抽气口和副抽气口位置相对应，通过总抽气口抽气时，副抽气口所在位置的压强将发生变化，通过气控微通道与副抽气口相连的各负压仓内的压强也将随之变化，进而影响反应腔室内的压强，形成负压环境。

同样需要说明的是，由于本实施例中，卡式微流控芯片依靠大气压驱动流体运动，大气压与芯片内部压差的大小与样品/试剂分配效率相关，压差越大，分配效率和准确度越高；因此，在实际应用中，可根据具体的分配效率和检测通量设置疏水微通道的长度。

本实施例提供的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片无需密封包装抽真空；使用时，首先借助软针管连接总抽气口和25mL注射器，将注射器的柱塞向外拉并固定在预定位置，夹紧软管，褪去注射器；随后向加样口滴入样品/试剂，迅速进样后在反应检测腔室中进行反应，短时间即可根据颜色变化得到检测结果。本实施例中，总抽气口的具体结构，可参考上述实施例2中的主抽气口的结构描述。

另外，本实施例中微流控芯片的加工材料可为PDMS，加工方式包括但不限于CNC数控加工、激光雕刻、软光刻技术、3D打印及注塑形成模具等方式。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，其特征在于，包括：一个或多个检测单元；

所述检测单元包括：用于添加反应式试剂的加样口和多个预埋有反应指示剂的反应腔室；

各反应腔室通过疏水微通道与所述加样口相连，且各反应腔室与所述加样口之间的疏水微通道长度相等；用于连接各反应腔室与所述加样口的疏水微通道位于同一芯片层，且呈树状结构分布；

所述加样口表面覆盖有可溶膜。

2.如权利要求1所述的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，其特征在于，所述检测单元中，所述树状结构中，所述加样口位于主干上，各反应腔室位于叶节点处，并且，沿所述加样口向反应腔室的方向，同一节点引出的分支具有相同的长度。

3.如权利要求2所述的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，其特征在于，所述树状结构为沿其主干对称的结构，且自所述加样口沿所述主干的方向宽度逐渐增加。

4.如权利要求3所述的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，其特征在于，所述检测单元有多个时，各检测单元内的反应腔室以及连接反应腔室与加样口的疏水微通道位于同一芯片层，以一行或多行的形式排布，并且，同一行检测单元中，相邻两个检测单元内疏水微通道构成的树状结构互为倒置。

5.如权利要求1～4任一项所述的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，其特征在于，所述加样口从上到下为锥状。

6.如权利要求5所述的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，其特征在于，所述芯片从上至下依次包括：加样层和检测层；

各检测单元内的反应腔室以及连接反应腔室与加样口的疏水微通道均位于所述检测层，各检测单元的加样口跨越所述加样层与所述检测层相连。

7.如权利要求5所述的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，其特征在于，所述芯片还包括抽气结构，并且所述芯片从上至下依次包括：加样层、抽气层和检测层；

各检测单元内的反应腔室以及连接反应腔室与加样口的疏水微通道均位于所述检测层；各检测单元内的加样口跨越所述加样层和所述抽气层与所述检测层相连；

所述抽气层中设置有与检测单元一一对应的一个或多个气孔单元；所述气孔单元包括抽气口，以及对应检测单元内反应腔室对应位置处的连接孔；各连接孔与对应的反应腔室连接，且通过疏水微通道与所述抽气口连接；各气孔单元的抽气口通过疏水微通道与所述抽气结构相连；

所述抽气结构跨越所述加样层与所述抽气层相连。

8.如权利要求7所述的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，其特征在于，所述抽气结构为主抽气孔；

所述主抽气孔由上到下为锥状，且由胶状物质密封。

9.如权利要求7所述的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，其特征在于，所述抽气结构为气泵装置；

所述气泵装置包括：外壳，设置于所述外壳内、可沿所述外壳移动的柱塞，以及设置于外壳一端的卡扣；

所述外壳内密封有一段空气柱。

10.如权利要求5所述的可实现定量分配的卡式微流控分析芯片，其特征在于，所述芯片还包括总抽气口，并且所述芯片从上到下依次包括：顶层、检测层、透气层、抽气层以及底层；

各检测单元内的反应腔室以及连接反应腔室与加样口的疏水微通道均位于所述检测层；各检测单元内的加样口跨越所述顶层与所述检测层相连；

所述总抽气口跨越所述顶层与所述检测层相连；

所述抽气层包括：设置于各反应腔室对应位置处的负压仓，以及设置于所述总抽气口对应位置处的副抽气口；各负压仓通过气控微通道与所述副抽气口相连。