CN103586094A - 一种具有环流混合结构的微流控芯片及环流混合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有环流混合结构的微流控芯片及环流混合方法，本发明在芯片上制备多个预存储微通道结构，不同的预存储通道间利用微型电磁阀间隔开来，当反应流体按预设比例在芯片通道中完成存储后，打开微型电磁阀，将预混合溶液连接形成封闭环路并通过通道微芯片连接微型压电泵或微型蠕动泵作为驱动力源进行动态混合。通过芯片上微通道的长度以及连接元件的死体积控制不同混合溶液的混合比并对混合溶液的种类、溶液量、溶液的混合比等参数进行预设置，溶液的进样步骤无需实时同步进行，更换溶液等操作更容易实现。混合完成后可以将混合溶液导入后续芯片结构上存储结构并进行多步骤反应，适应于复杂体系在芯片上反应实现。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片分析技术领域，具体一种具有环流混合结构的微流控芯片及环流混合方法。
背景技术
微流控技术基于微机电加工（MEMS）技术，微流控芯片通过在小体积的芯片上以微管道构筑有机网络，从而使得可控流体贯穿整个***，用以取代常规化学和生物实验室的功能。由于其高效、快捷，试剂用量少，低成本和高集成度等优点，受到了国内外研究学者专家的广泛关注，并已经在污染物监测、生命科学，医疗健康等领域展示了良好的应用前景，同时促进了分析仪器向便携、微型、集成化发展。
微流体的可控操作是微流控芯片技术实现其功能应用的核心，但由于微制备技术的限制，在芯片体系上集成微泵微阀体系还处于研究阶段，并无法普适应用。目前在芯片上实现溶液的比例混合一般采用机械式注射泵实时混合模式，需要多个微量进样泵的配合使用，对于长时间、多步骤的反应体系缺乏适应性。而小型电磁阀，止回阀、压电泵等设备在这个时期成为微流控芯片内微流体控制的一种过渡手段，并为微流控芯片的实际应用带来了可能，为分析仪器的小型化微型化提供了新的研究方向。然而，由于外置小型电子元件的稳定性以及体系收外界环境的影响，微流体在芯片通道中的混合无法通过外界电子元器件的直接控制简单实现。需要合理的通过设计同外置小、微型泵阀体系相配合的通道体系以及合适的流路结构，是解决微芯片流体控制，促进芯片技术实际应用化进程。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有环流混合结构的微流控芯片及环流混合方法，所述微流控芯片可以预设混合比及多步骤混合多种反应物。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
一种具有环流混合结构的微流控芯片，所述微流控芯片设有环流混合单元，所述环流混合单元包括芯片通道和设在芯片通道上的第一混合组件，所述第一混合组件包括两个储液通道、两个进样通道、进口电磁阀和连通电磁阀，所述两个进样通道设于两个储液通道之间，所述两个进样通道上分别连接有控制其开关的两个进口电磁阀，两个进样通道之间还设有控制两进样通道连通的连通电磁阀，所述芯片通道上还设有微型压电泵和出样通道，所述出样通道通过出口电磁阀控制其关闭。
进一步的，所述微流控芯片包括多级环流混合单元，前一级环流混合单元的出口通道与后一级的环流混合单元的进样通道依次连接。
本发明还提供了另一种具有环流混合结构的微流控芯片，所述微流控芯片上设有芯片通道，所述芯片通道上设有依次连接的一个权利要求1所述第一混合组件和至少一个第二混合组件；
所述第二混合组件包括设在芯片通道上的一个储液通道、一个进样通道、一个出样通道和连通电磁阀，所述第二混合组件的进样通道和出样通道位于第一混合组件的储液通道与第二混合组件的储液通道之间，进样通道和出样通道还分别连接有控制其开关的电磁阀，进样通道和出样通道之间还设有控制两通道连通的连通电磁阀，所述芯片通道上还设有微型压电泵和出样通道，所述出样通道通过出口电磁阀控制其关闭。
所述电磁阀和压电泵均为耦合于微流控芯片上。
所述的具有环流混合结构的微流控芯片的环流混合方法，它包括以下步骤：控制第一组分进样的电磁阀开启，第一组分进样完成后，控制第二组分进样的电磁阀开启，第二组分进样与第一组份混合，按顺序依次进样各种组分直至所有组分进样完成，各种组分混合进行反应。
所述的具有环流混合结构的微流控芯片的环流混合方法，它包括以下步骤：控制第一组分进样的电磁阀开启，第一组分进样完成后，控制第二组分进样的电磁阀开启，第二组分进样与第一组份混合反应完成后，第一组份和第二组份的反应产物与第三组分混合发生反应，如此进样直至所有组分进样并反应完成。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明在芯片上制备多个预存储微通道结构，不同的预存储通道间利用关闭状态的微型电磁阀间隔开来，当反应流体按预设比例在芯片通道中完成存储后，打开关闭状态的微型电磁阀，将预混合溶液连接形成封闭环路并通过通道微芯片连接微型压电泵或微型蠕动泵作为驱动力源进行动态混合。混合完成后可以将混合溶液导入后续芯片结构上存储结构并进行多步骤反应。
本发明所述芯片混合方式通过微型电磁阀控制芯片微通道的开闭状态将两种或两种以上的反应流体在芯片上进行预存储，通过芯片上微通道的长度以及连接元件的死体积控制不同混合溶液的混合比。可以根据具体的化学反应体系对对混合溶液的种类，溶液量，溶液的混合比等参数进行预设置，溶液的进样步骤无需实时同步进行，更换溶液等操作更容易现实。通过微型电磁阀控制形成封闭回路后，以微型压电泵或微型蠕动泵作为内驱动力源驱动混合，增加了流体的可操作性，避免了目前芯片混合在芯片结构无法高效混合完全的情况下只能采取静态混合的缺点。通过电磁阀控制多个封闭环流结构的形成和分隔可以根据具体反应需要控制多步骤反应，适应于复杂体系在芯片上反应实现。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1为本发明实施例1中两组分溶液环流混合的微流控芯片结构示意图。
图2为本发明实施例1中单步骤多组分溶液环流混合的微流控芯片结构示意图。
图3为本发明实施例1中多步骤多组分溶液环流混合的微流控芯片结构示意图。
图中：A1-A4为不同溶液的进样通道；B1-B2为溶液出样通道；C1-C4为芯片上储液通道；V1-V7为芯片上耦合的微型电磁阀；E1-E2为芯片上耦合的微型压电泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示为由单个环流混合单元构成的微流控芯片，本实施例为利用图1所示结构进行两组分溶液环流混合的模式。
如图1所示，本发明所述微流控芯片设有环流混合单元，所述环流混合单元包括芯片通道T和设在芯片通道上的第一混合组件，所述第一混合组件包括两个储液通道、两个进样通道、进口电磁阀和连通电磁阀，所述两个进样通道设于两个储液通道C1、C2之间，芯片上的储液通道同耦合于芯片上的电磁阀、压电泵等元件的死体积一同决定组分的混合比。所述两个进样通道（A1为第一进样通道，A2为第二进样通道）上分别连接有控制其开关的两个进口电磁阀，V1为控制第一进样通道开合和关闭的第一电磁阀，V2为控制第二进样通道开合和关闭的第二电磁阀，所述第一进样通道A1和第二进样通道A2之间还连接有控制两通道开合和关闭的连通磁阀V3，V3的开闭状态决定组分的接触混合；所述芯片通道上还设有微型压电泵E1和出样通道B，所述出样通道通过出口电磁阀V4控制其关闭，微型压电泵E1通过压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生变形能驱动通道内流体流动。
在实际应用中可以根据需要用微型止回阀部分代替电磁阀；
本实施例按以下步骤完成两组分的环流混合：
（1）耦合于微流控芯片上的第一电磁阀V1开启，第二电磁阀V2关闭，第三电磁阀V3开启，第四电磁阀V4开启，微型压电泵E1关闭，通过第一进样通道A1进样组分1将充满C1、C2并从B出口流出；
（2）所述V1关闭，所述V2开启，所述V3关闭，所述V4开启，所述E1关闭，通过第二进样通道A2进样组分2将充满C2并从B出口流出；
（3）所述V1关闭，所述V2关闭，所述V3开启，所述V4关闭，所述E1开启，芯片内部将形成封闭的环结构，并在E1的驱动下将组分1、2进行混合。该种混合模式可以避免耦合元器件的死体积内存留溶液对反应体系的影响。
若应用体系中耦合原件造成的影响不大，应用步骤可以简化为：（1）V1开启，V2开启，V3关闭，V4开启，E1关闭，A1、A2同时进样并从B出口流出；（2）V1关闭，V2关闭，V3开启，V4关闭，E1开启，芯片内部将形成封闭的环结构，并在E1的驱动下将组分1、2进行混合。芯片启用前需要用蒸馏水清洗，并保证通道内没有明显气泡（气泡的存在将影响压电泵的工作效率）。
实施例2
如图2所示为由两个以上的环流混合单元串联构成的微流控芯片，本实施例为利用图2所示结构进行单步骤多组分溶液环流混合的模式。
如图2所示，所述微流控芯片上设有芯片通道T，所述芯片通道上设有依次连接的一个实施例1所述第一混合组件和至少一个第二混合组件。
所述第二混合组件包括设在芯片通道上的一个储液通道C3、一个进样通道A3、一个出样通道B1和连通电磁阀V7，所述第二混合组件的进样通道A3和出样通道B1位于第一混合组件的储液通道C2与第二混合组件的储液通道C3之间，进样通道A3连接有控制其开关的电磁阀V6，出样通道B1连接有控制其开关的电磁阀V5，进样通道和出样通道之间还设有控制两通道连通的连通电磁阀V7，它的开闭状态决定组分的接触混合；它同耦合的芯片上微电磁阀、压电泵等原件的死体积一同决定组分的混合比；所述芯片通道上还设有微型压电泵E1和出样通道B2，所述出样通道B2通过出口电磁阀V4控制其关闭。E1为微型压电泵元件，通过压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生变形能驱动通道内流体流动。
如实施例1所述，储液通道C1、C2之间设有第一进样通道A1和第二进样通道A2，第一进样通道和第二进样通道分别设有第一电磁阀V1和第二电磁阀V2，所述V1和V2之间连接有控制两个进样通道连通的连通电磁阀V3。
在实际应用中可以根据需要用微型止回阀部分代替；所述微型压电泵也可以被微型蠕动泵代替。
本实施例按以下步骤完成三组分的环流混合：
（1）与微流控芯片耦合的电磁阀V1、V3、V5开启，V2、V4、V6、V7关闭，E1关闭，从A1进样组分1将充满C1C2并从B1出口流出；
（2）V1V3V4V6V7关闭，V2 V5开启，E1关闭，从A2进样组分2将充满C2并从B1出口流出；
（3）V1V2V3关闭，V4V5V6V7开启，E1关闭，从A3进样组分3将充满C3并从B1、B2出口流出；
（4）V1V2V4V5V6关闭，V3V7开启，E1开启，芯片内部将形成封闭的环结构，并在E1的驱动下将组分1、2、3进行混合。
更多组分的混合同样按该类似流程操作，该种混合模式可以避免耦合元器件的死体积内存留溶液对反应体系的影响。
若应用体系中耦合原件造成的影响不大，应用步骤可以简化为：（1）V1V2V4 V5开启，V3V6V7关闭， E1关闭，A1、A2同时进样并分别从B1B2出口流出；（2）V1V2 V3关闭，V4V5V6V7开启，E1关闭，A3进样并从B1B2出口流出；（3）V1V2V4V5V6关闭，V3V7开启，E1开启，芯片内部将形成封闭的环结构，并在E1的驱动下将组分1、2、3进行混合。芯片启用前需要用蒸馏水清洗，并保证通道内没有明显气泡（气泡的存在将影响压电泵的工作效率）。
实施例3
如图3所示为由两个以上环流混合单元构成的微流控芯片，本实施例为利用图3所示结构进行多步骤多组分环流混合的模式。
如图3所示，所述微流控芯片包括多级环流混合单元，前一级环流混合单元的出口通道与后一级的环流混合单元的进样通道依次连接。多级环流混合单元如图1所示。
图中前一级环流混合单元中V1、V2为进口电磁阀，A1和A2为进样通道，V3为连通电磁阀，C1、C2为储液通道，B1为出样通道，E1为微型压电泵。
后一级环流混合单元中，V4、V5为进口电磁阀，A3和A4为进样通道，V6为连通电磁阀，C3、C4为储液通道，B2为出样通道，E2为微型压电泵。前一级环流混合单元的出样通道B1与后一级环流混合单元的进样通道A4连通。在实际应用中可以根据需要用微型止回阀部分代替；连通电磁阀V3、V6的开闭状态决定组分的接触混合；储液通道C1、C2、C3、C4同耦合的芯片上微电磁阀、压电泵等原件的死体积一同决定组分的混合比；微型压电泵E1、E2通过压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生变形能驱动通道内流体流动。
在实际应用中，将按以下步骤完成两组分的环流混合：
（1）按实施例1所示双组份混合模式流程将组分1，2充分混合，B1、B2开启，其他未关联元件关闭；
（2）V1、V2、V3、V4关闭，V5、V6、V7开启，E1、E2关闭，A4进样组分3将充满C3、C4并从B2出口流出；
（3）V2、V3、V5、V6关闭，V1、V4、V7开启，E1、E2关闭，V1通入缓冲或蒸馏水将组分1，2混合样品推出从A2&B1进入C3并从B2出口流出；
（4）V1、V2、V3、V4、V5、V7关闭，V6开启，E1关闭，E2开启，芯片内部C3、C4区域将形成封闭的环结构，并在E1的驱动下将组分1、2、3进行混合。
更多步骤的混合同样按该类似流程操作，该种混合模式可以避免耦合元器件的死体积内存留溶液对反应体系的影响。芯片启用前需要用蒸馏水清洗，并保证通道内没有明显气泡（气泡的存在将影响压电泵的工作效率）。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种具有环流混合结构的微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片设有环流混合单元，所述环流混合单元包括芯片通道和设在芯片通道上的第一混合组件，所述第一混合组件包括两个储液通道、两个进样通道、进口电磁阀和连通电磁阀，所述两个进样通道设于两个储液通道之间，所述两个进样通道上分别连接有控制其开关的两个进口电磁阀，两个进样通道之间还设有控制两进样通道连通的连通电磁阀，所述芯片通道上还设有微型压电泵和出样通道，所述出样通道通过出口电磁阀控制其关闭。
2.根据权利要求1所述的具有环流混合结构的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片包括多级环流混合单元，前一级环流混合单元的出口通道与后一级的环流混合单元的进样通道依次连接。
3.一种具有环流混合结构的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片上设有芯片通道，所述芯片通道上设有依次连接的一个权利要求1所述第一混合组件和至少一个第二混合组件；
所述第二混合组件包括设在芯片通道上的一个储液通道、一个进样通道、一个出样通道和连通电磁阀，所述第二混合组件的进样通道和出样通道位于第一混合组件的储液通道与第二混合组件的储液通道之间，进样通道和出样通道还分别连接有控制其开关的电磁阀，进样通道和出样通道之间还设有控制两通道连通的连通电磁阀，所述芯片通道上还设有微型压电泵和出样通道，所述出样通道通过出口电磁阀控制其关闭。
4.根据权利要求3所述的具有环流混合结构的微流控芯片，其特征在于：所述电磁阀和压电泵均为耦合于微流控芯片上。
5.利用权利要求3所述的具有环流混合结构的微流控芯片的环流混合方法，其特征在于它包括以下步骤：控制第一组分进样的电磁阀开启，第一组分进样完成后，控制第二组分进样的电磁阀开启，第二组分进样与第一组份混合，按顺序依次进样各种组分直至所有组分进样完成，各种组分混合进行反应。
6.利用权利要求2所述的具有环流混合结构的微流控芯片的环流混合方法，其特征在于它包括以下步骤：控制第一组分进样的电磁阀开启，第一组分进样完成后，控制第二组分进样的电磁阀开启，第二组分进样与第一组份混合反应完成后，第一组份和第二组份的反应产物与第三组分混合发生反应，如此进样直至所有组分进样并反应完成。
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