CN103801415A - 一种按钮式微流体控制***及方法 - Google Patents

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叶嘉明
黄昱俊
苑宝龙
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Abstract

本发明的目的在于提供一种按钮式微流体控制***及方法，采用的技术方案如下：微流体控制***由微流控芯片和流体控制装置两部分组成，其中，在微流控芯片内部集成控制气囊；在外置的流体控制装置中集成芯片固定模块和按钮式控制器，通过按钮结构挤压或释放微流控芯片上的控制气囊，调节微流控芯片的内部压强，从而实现对微流体的简便、精准控制。使用本发明所提供的微流体控制***，无需使用泵阀等复杂、昂贵的流体控制设备，可以实现微流控芯片简便、快速、精准、低成本的流体操控，特别适合于微流控芯片现场快速检测领域，具有极其重要的实际意义和市场前景。

Description

一种按钮式微流体控制***及方法
【技术领域】
本发明涉及微流控芯片或生物芯片领域，特别是涉及一种微流体控制***及方法。
【背景技术】
微流控芯片技术把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，通过微流体操控技术实现分析全过程的集成化和自动化。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的研究新领域。
微流体控制技术是微流控芯片研究及应用的重要基础与核心内容。目前，应用于微流控芯片的流体操控主要依靠外接的泵阀***加以实现，这些泵阀***主要包括注射泵、柱塞泵、压电泵、电渗泵、热气泵、电磁阀等器件与装置，虽然商品化的泵阀***已能够对微流控芯片内部的流体实现精准的操控，但是传统的泵、阀***往往体积大、操作复杂、价格较昂贵，难以满足微流控“微”而“全”的要求；近年来开始不断有商品化的微泵、微阀产品面市，虽然这些体积微小的泵、阀***能够符合“微全分析***”的需求，但是现有的微泵、阀产品基本依靠国外进口，价格较昂贵(往往单个器件需要数百甚至数千元人民币)。上述这些技术的不足是限制微流控芯片普及推广及应用的一个重要因素，因此，如果能够开发简便、快速、精准、低成本的泵阀***，对于微流控芯片在现场、即时、快速检测领域的应用具有极其重要的意义。
为解决现有的微流体控制技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种简便易行的、应用于微流控芯片的微流体控制***及方法。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种按钮式微流体控制***及方法，解决现有的流体控制技术体积大、操作复杂、价格昂贵等问题，实现微流控芯片中流体的简便、精准控制。本发明所采用的技术方案如下：微流体控制***由微流控芯片和流体控制装置两部分组成，其中，在微流控芯片内部集成控制气囊；在外置的流体控制装置中集成芯片固定模块和按钮式控制器，通过按钮结构挤压或释放微流控芯片上的控制气囊，调节微流控芯片的内部压强，从而实现对微流体的简便、精准控制。
为实现上述目的，本发明提供一种按钮式微流体控制***及方法，所述的微流体控制***包括微流控芯片和按钮式流体控制装置，使用时将微流控芯片装入流体控制装置，通过流体控制装置上的按钮结构对微流控芯片内的流体进行精确操控。
本发明提供一种按钮式微流体控制***，其特征在于所述的微流控芯片由流体进口、微通道和控制气囊组成。流体进口用于提供流体进样，微通道用于流体传输，而控制气囊用于调节芯片内部压强从而控制流体运动方向及流速。
为实现微流体控制，上述的微流控芯片的控制气囊具备以下特征：
1)控制气囊为一端密封的腔体结构，腔体表面为弹性薄膜，另一端通过微通道与流体进口连接；
2)构成控制气囊的弹性薄膜材质为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、聚四氟乙烯等弹性高分子聚合物或记忆合金，厚度为10-300微米；
3)控制气囊的工作原理为使用外力按压或释放弹性薄膜，促使气囊的体积变化从而实现芯片内部压强的调控。通过控制薄膜的运行方向、速度和位移，可以精确控制微流体的运行方向、速度和体积。
本发明提供一种按钮式微流体控制***，所述的按钮式流体控制装置包括芯片固定模块和按钮式流体控制器。其中，芯片固定模块的固定方式包括弹簧卡扣固定、螺丝卡扣固定或硬性卡扣固定，用于保证流体操控过程中，微流控芯片的固定化。
本发明提供一种按钮式微流体控制***，所述的按钮式流体控制器包括自锁式按钮控制器、限定按钮行程控制器、弹性按钮或螺旋按钮。所述的按钮式流体控制器的工作原理为使用按钮结构与微流控芯片的控制气囊直接接触，通过调节按钮结构的运行方向及速率可以控制气囊内部压强的变化。
本发明提供一种按钮式微流体控制***，所述的微流体控制***中，微流控芯片的控制气囊和流体控制器的按钮结构数量相同，每个按钮结构对应控制一个气囊，数目可以是1-100个。同一张微流控芯片内部的多个气囊可以是串联式，也可以是并联式。
本发明提供一种按钮式微流体控制***及方法，所述的方法是将集成有控制气囊的微流控芯片装入流体控制装置，通过芯片固定模块实现芯片的固定化，通过按钮式流体控制器调调节控制气囊的压强变化，从而实现对微流控芯片内部的流体进行操控。
使用本发明所提供的微流体控制***，无需使用泵阀等流体控制设备，可以实现微流控芯片简便、快速、精准、低成本的流体操控，特别适合于微流控芯片现场快速检测领域，具有极其重要的实际意义和市场前景。
【附图说明】
图1：一种按钮式微流控流体控制***组成示意图。
图2：一种流体控制装置中的芯片固定模块结构示意图；A为弹簧卡扣固定结构；B为螺丝卡扣固定结构；C为硬性卡扣固定结构。
图3：一种流体控制装置中的按钮控制器结构示意图；A为自锁式限定行程按钮结构；B为弹性按钮结构；C为螺旋按钮结构。
图4：一种集成单个控制气囊的微流控芯片的结构示意图，(1)为平面结构示意图；(2)为截面结构示意图；(3)为利用按钮式流体控制器实现微流控芯片内部流体控制方法的工作原理图。
【具体实施方案】
为了便于理解本发明，下面将结合附图对本发明进行更全面的描述。
如图1所示，本发明所提供的微流体控制***由微流控芯片和流体控制装置两部分组成，其中，在微流控芯片内部集成有控制气囊；在外置的流体控制装置中集成芯片固定模块和按钮式控制器，通过按钮结构挤压或释放微流控芯片上的控制气囊，调节微流控芯片的内部压强，从而实现对微流体的简便、精准控制。
其中，芯片固定模块如图2所示，芯片固定模块由芯片卡槽和卡扣结构组成。卡槽用于放置芯片，卡扣结构又包括弹簧卡扣结构(图2A)、螺丝卡扣结构(图2B)和硬性卡扣结构(图2C)，用于固定化芯片，保证芯片在后续流体控制过程中不会发生位置偏移。
按钮式控制器如图3所示，用于按压或释放微流控芯片的控制气囊，从而控制气囊内部压强的变化，最终达到控制微流控芯片中流体运行的目的。该控制器上可以是以下三种按钮式结构：自锁式限定行程按钮结构(图3A)、弹性按钮结构(图3B)和螺旋按钮结构(图3C)。
微流控芯片的结构如图4所示，芯片由流体进口、微通道和控制气囊组成(图4A、图B)。流体进口用于提供流体进样，微通道用于流体传输，而控制气囊用于调节芯片内部压强从而控制流体运动方向及流速。其中，控制气囊为一端密封的腔体结构，腔体表面为弹性薄膜，另一端通过微通道与流体进口连接。
本发明所提供的一种按钮式微流控流体控制方法如图4C所示，将微流控芯片装入如图1所示的按钮式控制***中，利用图2所示的芯片固定结构实现微流控芯片的固定化，利用图3所示的按钮结构通过按压或释放压力作用于控制气囊顶部的弹性薄膜，促使气囊的体积变化从而实现芯片内部压强的调控。通过控制薄膜的运行方向、速度和位移，可以精确控制微流体的运行方向、速度和体积。例如，当按钮结构向下按压弹性薄膜时，排出控制气囊的密封腔体中的空气，获得正压强，则芯片通道内的流体在此压强作用下将向进样口处运行；在此基础上，当按钮结构向上运行时，控制气囊释放压力，获得负压强，则芯片通道内的流体在此压强作用下将向密封腔体方向运行。上述流体运行的速度与按钮结构按压或释放的速度正相关，因此使用本发明提供的使用本发明所提供的微流体控制***，无需使用泵阀等流体控制设备，仅依靠简单的按钮式控制***，即可实现微流控芯片简便、快速、精准、低成本的流体操控，特别适合于微流控芯片现场快速检测领域，具有极其重要的实际意义和市场前景。
以上所述的实施例仅表达了本发明的***和方法的一种实施方式，并不意味着对本发明专利范围的限制。对于本领域的技术人员来说，将***定义的模块采用相同功能的其他设施替代，在未改变本发明的***和方法的情况下，均属于本发明的保护范围，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。

Claims (10)

1.一种按钮式微流体控制***及方法，其特征在于所述的微流体控制***包括微流控芯片和按钮式流体控制装置，使用时将微流控芯片装入流体控制装置，通过流体控制装置上的按钮结构对微流控芯片内的流体进行精确操控。
2.如权利要求1所述的一种按钮式微流体控制***，其特征在于所述的微流控芯片由流体进口、微通道和控制气囊组成。
3.如权利要求2所述的一种按钮式微流体控制***，其特征在于所述的微流控芯片的控制气囊具备以下特征：
1)控制气囊为一端密封的腔体结构，腔体表面为弹性薄膜，另一端通过微通道与流体进口连接；
2)构成控制气囊的弹性薄膜材质为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、聚四氟乙烯等弹性高分子聚合物或记忆合金，厚度为10-300微米；
3)控制气囊的工作原理为使用外力按压或释放弹性薄膜，促使气囊的体积变化从而实现芯片内部压强的调控。
4.如权利要求1所述的一种按钮式微流体控制***，其特征在于所述的按钮式流体控制装置包括芯片固定模块和按钮式流体控制器。
5.如权利要求4所述的一种按钮式微流体控制***，其特征在于所述的芯片固定模块的固定方式包括弹簧卡扣固定、螺丝卡扣固定或硬性卡扣固定。
6.如权利要求4所述的一种按钮式微流体控制***，其特征在于所述的按钮式流体控制器包括自锁式限定行程按钮、弹性按钮或螺旋按钮。
7.如权利要求4所述的一种按钮式微流体控制***，其特征在于所述的按钮式流体控制器的工作原理为使用按钮结构与微流控芯片的控制气囊直接接触，通过调节按钮结构的运行方向及速率可以控制气囊内部压强的变化。
8.如权利要求7所述的一种按钮式微流体控制***，其特征在于所述的微流体控制***中，微流控芯片的控制气囊和流体控制器的按钮结构数量相同，每个按钮结构对应控制一个气囊，数目可以是1-100个。
9.如权利要求1所述的一种按钮式微流体控制***及方法，其特征在于所述的方法是将集成有控制气囊的微流控芯片装入流体控制装置，通过芯片固定模块实现芯片的固定化，通过按钮式流体控制器调调节控制气囊的压强变化，从而实现对微流控芯片内部的流体进行操控。
10.如权利要求1所述的一种按钮式微流体控制***及方法，其特征在于，使用本发明所提供的微流体控制***，无需使用泵阀等流体控制设备，可以实现微流控芯片简便、快速、精准、低成本的流体操控，特别适合于微流控芯片现场快速检测领域，具有极其重要的实际意义和市场前景。
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