CN108786944A - 一种控制阀及离心微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明属于微流控芯片技术领域，公开一种控制阀，设置在微流控芯片的微流通道(2)上，所述微流控芯片包括芯片本体(1)，所述控制阀包括阀腔体(3)、可逆吸水机构(4)，所述可逆吸水机构(4)设置在所述阀腔体(3)内。还公开了一种离心微流控芯片，包括芯片本体(1)、进液口(7)、反应腔(8)、微流通道(2)，还包括设置在所述进液口(7)与所述反应腔(8)之间的控制阀，所述控制阀为上述的控制阀。本发明提供一种控制阀及离心微流控芯片，加工简单，无需复杂处理，可通过改变离心转速实现溶液的逐级释放，使用方便。

Description

一种控制阀及离心微流控芯片

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其涉及一种控制阀及离心微流控芯片。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、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，自动完成分析全过程。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、机械等学科交叉的崭新研究领域。由于微流控芯片样本用量少，反应时间快，检测通量高和集成性能好等优势，越来越多的被应用于便携检测等领域。

离心式微流控芯片，即通过离心力作为动力，实现芯片上的流体流动和单元操作，从而完成各种生化反应和检测过程，是目前比较受欢迎的产品形式。其优势在于通过离心机控制芯片转动，避免了平面式芯片需要注射泵等大型驱动装置，设备简单便携，满足目前检测设备小型化的趋势。

常规的生化反应通常涉及到多种流体以及多个反应步骤，流体的加入和反应都需要有严格的顺序和时间，因此需要在离心芯片上搭建控制阀，从而完成上述功能。

目前离心芯片上的控制阀主要分为主动式和被动式，其中主动式需要在离心力以外增加控制装置，被动式则无需增加额外的控制装置，仅仅依靠离心力。由于主动式控制阀需要增加控制装置，例如加热、制冷、光照等，增加了设备的复杂程度和成本。多数商业化产品和学术研究选择被动式控制阀，目前被动式控制阀主要包括毛细阀、亲疏水阀、结构突破阀和部分气压阀，上述各种控制阀需要较高的加工精度(毛细阀、气压突破阀)或者额外的处理手段(亲疏水阀、结构突破阀)。针对复杂的生化反应，涉及到多种流体或者多个反应步骤，上述控制阀难以实现多个控制阀在同一芯片上集成，例如毛细阀，随着毛细阀远离芯片中心，如果需要使用毛细阀，需要毛细结构尺寸大幅降低，已经超过了常规的加工极限。亲疏水阀加工过程难以精确控制，因此需要转速控制留有较大的余量，例如两个疏水阀之间要保证1500rpm的差别，才能保证顺序反应顺利实现，极大地提高了对离心机的要求，此外亲疏水试剂的引入可能会生化反应的试剂体系产生影响。总之，现有离心芯片上的控制阀不能够快捷和简单的实现多个控制阀的集成，不能够满足复杂的生化反应过程，需要开发新的控制阀进行补充。

基于上述情况，我们有必要设计一种能够解决上述问题的离心式微流控芯片的控制阀。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种控制阀，加工简单，无需复杂处理，可通过改变离心转速实现溶液的逐级释放，使用方便。

本发明的另一个目的在于：提供一种离心微流控芯片，加工简单，无需复杂处理，可通过改变离心转速实现溶液的逐级释放，使用方便。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，提供一种控制阀，设置在微流控芯片的微流通道上，所述微流控芯片包括芯片本体，所述控制阀包括阀腔体、可逆吸水机构，所述可逆吸水机构设置在所述阀腔体内。

具体地，所述可逆吸水机构为具有吸水和放水功能的多孔材料制成，所述可逆吸水机构填充在所述阀腔体内，可逆吸水机构在吸水后，通过离心力的作用，溶液可以再次释放，而且通过改变离心转速，可以实现溶液的逐级释放，起到控制阀的作用。

作为一种优选的技术方案，所述可逆吸水机构封装于防变形包装薄膜内。

具体地，所述防变形包装薄膜为多孔透水薄膜，使用所述防变形包装薄膜，能在一定程度上限制可逆吸水机构变形，避免影响芯片封合过程。所述防变形包装薄膜要求为不影响生化反应和吸水量的薄膜。

作为一种优选的技术方案，所述可逆吸水机构为海绵、泡沫、吸水纤维中的一种或多种。

具体地，要求所述可逆吸水机构具有如下性能：可逆吸水机构对生化试剂中有效成分(例如蛋白等)不吸附或吸附较小，例如可对可逆吸水机构进行封闭处理，抑制可逆吸水机构对试剂中蛋白的吸附；可逆吸水机构的多孔材料的孔径尽量均一，同等条件下，试剂吸附和释放量可重现；可逆吸水机构吸水后，体积不发生较大变化，区别于化学吸附的多孔材料，化学吸附的多孔材料吸水饱和之后，体积能够放大数十倍。

作为一种优选的技术方案，所述防变形包装薄膜为纱布。

作为一种优选的技术方案，所述芯片本体包括芯片上板、芯片下板，所述微流通道、所述阀腔体设置在所述芯片上板与所述芯片下板之间。

具体地，芯片本体的材质包括硅片、玻璃、PDMS、金属、PMMA/PC/PS等为代表的硬质聚合物材料。芯片本体的加工手段可包括光刻、软注塑、湿法刻蚀、激光加工、数控机床、注塑等加工手段。

由于本发明的控制阀在加工过程中，需要将所述可逆吸水机构放置于所述阀腔体内，然后将所述芯片上板及所述芯片下板采用常规封合手段封合，所述常规封合手段包括胶粘、热压封合、超声波封合、激光封合等手段。

作为一种优选的技术方案，所述芯片上板、所述芯片下板上设置有密封机构，所述密封机构位于所述阀腔体边缘外侧。

具体地，由于所述可逆吸水机构具有可压缩性，易膨胀，因此在将所述可逆吸水机构放置于所述阀腔体中，易出现可逆吸水机构在所述阀腔体中显现凸起状态，导致在封合过程中芯片上板与芯片下板之间容易出现缝隙，该缝隙的存在可能会导致控制阀的失效，即液体会随着该缝隙流入到所述芯片本体的下一个结构中，而不通过可逆吸水机构，在所述阀腔体边缘外侧设置所述密封机构，能够在组装的时候，有效的将可逆吸水机构限制于阀腔体中，避免由于可逆吸水机构易形变的特点，将可逆吸水机构大量留存于芯片上板与芯片下板之间，形成缝隙，影响封合效果，导致本发明的控制阀失效。

作为一种优选的技术方案，所述密封机构包括相配合的密封凸台及密封凹槽；

所述密封凸台设置在所述芯片上板上，所述密封凹槽设置在所述芯片下板上；

或者，所述密封凸台设置在所述芯片下板上，所述密封凹槽设置在所述芯片上板上。

具体地，该密封机构，既可以充当超声波封合手段的封合线和封合槽，也可以在使用其它封合手段时，起到限制可逆吸水机构位置的目的，避免芯片封合过程中可逆吸水机构受到挤压，而出现芯片上板与芯片下板之间的缝隙，影响封合效果。

作为一种优选的技术方案，所述密封凸台的截面形状是梯形，所述密封凹槽的截面形状是梯形或矩形。

具体地，所述密封凸台的截面积大于所述密封凹槽的截面积，可保证封合和组装效果。如果采用超声波封合，所述密封凸台结构充当导能筋，所述密封凹槽结构充当封合槽，实现密封；如果采用胶粘的方式，所述密封凹槽与所述阀腔体之间部分的面积，能够起到充分封合的作用；如果采用激光封合，所述密封凹槽与所述阀腔体之间部分的面积足够激光封合所述芯片上板与所述芯片下板，起到密封作用。

另一发明，提供一种离心微流控芯片，包括芯片本体、进液口、反应腔、微流通道，还包括设置在所述进液口与所述反应腔之间的控制阀，所述控制阀为上述的控制阀。

本发明的有益效果为：提供一种控制阀，加工简单，无需复杂处理，可通过改变离心转速实现溶液的逐级释放，使用方便；该控制阀起到控制阀的作用，可以单独使用，也可以和其它常规控制阀共同使用，以此完成离心微流控芯片上的复杂生化反应。同时提供一种离心微流控芯片，加工简单，无需复杂处理，可通过改变离心转速实现溶液的逐级释放，使用方便。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2a为本发明实施例一中芯片本体封合前的侧向结构示意图；

图2b为本发明实施例一中芯片本体封合后的侧向结构示意图；

图3为本发明实施例二的侧向结构示意图；

图4为本发明实施例二中密封机构的示意图；

图5为本发明实施例三的结构示意图；

图6为本发明实施例四的结构示意图。

其中：

芯片本体1，芯片上板11，芯片下板12，微流通道2，阀腔体3，可逆吸水机构4，密封凸台5，密封凹槽6，进液口7，反应腔8，排气口9，储液池10，芯片固定孔13；

清洗池80；

样本进样口14，第一磁珠转移通道15，第二磁珠转移通道16，疏水阀17，缝隙18；

第一微流通道21，第二微流通道22，第三微流通道23；

第一阀腔体31，第二阀腔体32，第三阀腔体33；

第一进液口71，第二进液口72，第三进液口73；

第一反应腔81，第二反应腔82，第三反应腔83；

第一排气口91，第二排气口92，第三排气口93；

第一储液池101，第二储液池102，第三储液池103。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解和认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

实施例一：

如图1所示，本发明提供一种控制阀，设置在微流控芯片的微流通道2上，微流控芯片包括芯片本体1，作为本发明的改进，控制阀包括阀腔体3、可逆吸水机构4，可逆吸水机构4设置在阀腔体3内。

作为本发明进一步的改进，可逆吸水机构4封装于防变形包装薄膜(图未示)内。可逆吸水机构4为海绵、泡沫、吸水纤维中的一种或多种。防变形包装薄膜为纱布。如图2所示，芯片本体1包括芯片上板11、芯片下板12，微流通道2、阀腔体3设置在芯片上板11与芯片下板12之间。

本发明还提供一种离心微流控芯片，包括芯片本体1、进液口7、反应腔8、微流通道2，进液口7一侧设置有排气口9，进液口7与排气口9均与储液池10连通，芯片本体1中心处设置有芯片固定孔13，还包括设置在进液口7与反应腔8之间的控制阀，控制阀为上述的控制阀。

组装过程中，首先将适量的可逆吸水机构(0.2～20g)封装于纱布中，避免可逆吸水机构过于蓬松影响芯片封合。可逆吸水机构量的选取根据生化反应所需的试剂量，由于特定的可逆吸水机构的吸水量和放水量数据可以确定，因此根据可逆吸水机构的材料种类和试剂量，可以确定可逆吸水机构的量。

上述防变形包装薄膜不限于纱布，任意不影响生化反应和试剂吸水量的薄膜均可，目的在于一定程度限制多孔材料的变形，避免影响芯片封合过程。

将已经包裹有纱布的可逆吸水机构放置于阀腔体中，然后将芯片上板、芯片下板采用常规手段封合在一起。

上述具有控制阀结构的离心微流控芯片加工完成之后，在使用过程中，首先将芯片本体1固定于离心机上，然后将待测溶液通过进液口7加入到储液池10中，然后控制离心机开始转动，试剂进入控制阀，由于可逆吸水机构4的作用，一定转速(ω)下，溶液并没有从控制阀释放，只有在离心机转速突破了ωc(转折速度)以后，溶液才开始从控制阀释放，因此起到控制阀的作用。

通过改变可逆吸水机构的种类，以及控制阀距离芯片圆心的距离(距离不同，离心力不同)，ωc在400-3000rpm，能够满足离心微流控芯片对控制阀的需求。

此外，可逆吸水机构选择高吸水材料时，放水量和转速以及时间成比例关系，利用该结果，可以在以此提高转速和保持时间的同时，逐级释放控制阀中的液体，这对于生化反应的多次清洗等过程有非常大的帮助。

通过实验对比发现，本发明控制阀的放水和吸水比例高达95％以上(3000rpm，45s)，进一步提高转速和时间，能继续提高该比例。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于：

如图3所示，芯片上板11、芯片下板12上设置有密封机构，密封机构位于阀腔体3边缘外侧。

密封机构包括相配合的密封凸台5及密封凹槽6；密封凸台5设置在芯片上板11上，密封凹槽6设置在芯片下板12上。值得说明的是，密封凸台5也能设置在芯片下板12上，密封凹槽6设置在芯片上板11上。

密封凸台5的截面形状是梯形，密封凹槽6的截面形状是梯形或矩形。

当芯片上板11、芯片下板12之间没有设置密封机构时，如图2a及2b所示，在将可逆吸水机构4放置于阀腔体3中，可能会出现可逆吸水机构4在阀腔体3中显现凸起状态，导致在封合过程中芯片上板11与芯片下板12之间出现缝隙18，该缝隙18的存在可能会导致控制阀的失效，即液体会随着该缝隙18流入到芯片本体1的下一个结构中，而不通过可逆吸水机构4，因此，在阀腔体3边缘外侧设置密封机构，能够在组装的时候，有效的将可逆吸水机构4限制于阀腔体3中，避免由于可逆吸水机构4易形变的特点，将可逆吸水机构4大量留存于芯片上板11与芯片下板12之间，形成缝隙，影响封合效果，导致本发明的控制阀失效。

密封凸台5及密封凹槽6的尺寸要求如图4所示，为了保证封合和组装效果，考虑加工的困难程度，要求W1>W3>W2，W3≥W4，根据加工能力和芯片材质，W1-W4的尺寸范围均在0.5-10mm之间，其中W5根据加工能力，设置为0.4-2mm。为了保证封合和组装效果，考虑加工的困难程度，H1和H2尺寸在0.2-1.0mm之间，并且要求H3≥H4，需要保证密封凸台5截面积大于密封凹槽6截面积，从而保证超声波封合时，密封凸台5能够密封密封凹槽6。如果采用超声波封合，密封凸台5充当导能筋，密封凹槽6充当封合槽，实现密封；如果采用胶粘的方式，W5部分的面积，能够起到充分封合的作用；如果采用激光缝封合，W5面积足够大，宽度要在0.3mm以上，能够满足激光封合的面积需求，起到密封作用。

实施例三：

本实施例是以化学发光反应过程的磁珠清洗为例，化学发光试剂盒一般要求清洗磁珠2-3次，通过本发明装置，可实现添加一次清洗溶液后，逐次定量释放清洗溶液，实现磁珠清洗的过程。

考虑化学发光的试剂比例和离心微流控芯片的特点，本实施例分三次共释放60μL清洗溶液。

如图5所示，本实施例采用的离心微流控芯片结构与实施例一或实施例二中离心微流控芯片结构的结构相同，其中反应腔为清洗池80。

可逆吸水机构选择日本尤尼契卡公司研制的高吸水吸湿纤维"Hygra"多孔材料，根据测试结果，使用20-25g上述材料封合于离心微流控芯片的阀腔体中。

使用过程如下：

通过移液枪将65μL清洗溶液加入到离心微流控芯片的进液口1中，然后以300rpm转速将清洗溶液全部释放到阀腔体3中，此时全部清洗溶液储存于阀腔体3内。

转速提升到500-800rpm，保持3-6s，释放20μL清洗溶液到清洗池80。

接下来，转速提高到1200-1400rpm，保持3-6s，释放20μL清洗溶液到清洗池80。

最后，转速提高到1800rpm以上，保持5s以上，释放20μL清洗溶液到清洗池80。

本发明能够起到储液、控制阀和多级释放的功能，尤其适用于化学发光和分子诊断等涉及到多种溶液反应体系和步骤的应用领域，有利于基于离心微流控芯片在生化检测领域的应用。

实施例四：

本实施例以磁珠法双抗夹心化学发光体系为例，实现化学发光方法检测血清中甲胎蛋白含量。

本实施例的离心微流控芯片包括了实施例一或实施例二中的控制阀结构，其具体结构如图6所示，包括芯片本体1，芯片本体1中心处为芯片固定孔13，芯片本体1内设置有三条微流通道，分别为第一微流通道21、第二微流通道22及第三微流通道23；

第一微流通道21上从前端向末端依次设置有第一储液池101、第一阀腔体31、第一反应腔81，第一储液池101上设置有第一进液口71及第一排气口91；

第二微流通道22上从前端向末端依次设置有第二储液池102、第二阀腔体32、第二反应腔82，第二储液池102上设置有第二进液口72及第二排气口92；

第三微流通道23上从前端向末端依次设置有第三储液池103、第三阀腔体33、疏水阀17、第三反应腔83，第三储液池103上设置有第三进液口73及第三排气口93；

第一阀腔体31与芯片本体1中心的距离小于第二阀腔体32与芯片本体1中心的距离，第二阀腔体32与芯片本体1中心的距离小于第三阀腔体33与芯片本体1中心的距离；

第一反应腔81上设置有样本进样口14，第一反应腔81通过第一磁珠转移通道15与第二反应腔82连通，第二反应腔82通过第二磁珠转移通道16与第三反应腔83连通，第一反应腔81、第二反应腔82、第三反应腔83上均设置有反应腔排气口；

第一阀腔体31、第二阀腔体32、第三阀腔体33内均固定填充有可逆吸水机构。

本实施例的可逆吸水机构选择日本尤尼契卡公司研制的高吸水吸湿纤维"Hygra"多孔材料。

具体实施步骤如下：

将适量血清样本和磁珠溶液通过样本进样口14加入到芯片上的反应腔中；

将抗体溶液通过第一进液口71加入到芯片本体1中；

将清洗溶液通过第二进液口72加入到芯片本体1中；

将放光底物溶液通过第三进液口73加入到芯片本体1中；

将芯片通过芯片固定孔13固定于离心机上；

通过离心机控制离心微流控芯片以第一转速(ω1)旋转，使得抗体溶液、清洗溶液和发光底物溶液分别进入第一阀腔体31、第二阀腔体32、第三阀腔体33中，ω1在50-300rpm之间，取决于溶液量、吸水纤维量，以及各阀腔体到芯片本体1圆心的距离；

通过离心机控制离心微流控芯片以第二转速(ω2，ω2>ω1)旋转，第一阀腔体31中抗体溶液逐步释放到第一反应腔81中，通过顺时针/逆时针震荡芯片或者磁铁控制磁珠在第一反应腔81中运动，实现双抗夹心结构的形成；

通过磁铁控制磁珠通过第一磁珠转移通道15进入第二反应腔82；

通过离心机控制离心微流控芯片以第三转速(ω3，ω3>ω2)旋转，第二阀腔体32中清洗溶液逐步释放到第二反应腔82中，通过顺时针/逆时针震荡芯片或者磁铁控制磁珠在第二反应腔82中运动，可以更好地实现磁珠的清洗。另外，可以通过逐步提高转速的方式，逐级释放清洗溶液，例如，ω3-1释放一部分清洗溶液，ω3-2释放第二阀腔体32中全部清洗溶液，实现逐级清洗的效果，其中ω3-2>ω3-1；

通过磁铁控制磁珠通过第二磁珠转移通道16进入第三反应腔83；

通过离心机控制离心微流控芯片以第四转速(ω4，ω4>ω3)旋转，第三阀腔体33中发光底物溶液逐步释放到第三反应腔83中，磁珠上双抗夹心结构和发光底物反应，释放光子，可以通过检测设备进行检测，从而实现待测样本中甲胎蛋白含量的检测。

另外，由于第一阀腔体31、第二阀腔体32释放溶液过程中转速ω2或ω3可能已经较高，因此在第三阀腔体33后端增加一个疏水阀17，可以确保ω2或ω3转速下转动时，第三阀腔体33中的溶液不会释放到第三反应腔83中；

ω1在50-300rpm，ω2<ω3<ω4释放转速的大小和对应阀腔体到圆心的距离有关。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其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同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (9)

1.一种控制阀，设置在微流控芯片的微流通道(2)上，所述微流控芯片包括芯片本体(1)，其特征在于，所述控制阀包括阀腔体(3)、可逆吸水机构(4)，所述可逆吸水机构(4)设置在所述阀腔体(3)内。

2.根据权利要求1所述的一种控制阀，其特征在于，所述可逆吸水机构(4)封装于防变形包装薄膜内。

3.根据权利要求1或2所述的一种控制阀，其特征在于，所述可逆吸水机构(4)为海绵、泡沫、吸水纤维中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的一种控制阀，其特征在于，所述防变形包装薄膜为纱布。

5.根据权利要求1所述的一种控制阀，其特征在于，所述芯片本体(1)包括芯片上板(11)、芯片下板(12)，所述微流通道(2)、所述阀腔体(3)设置在所述芯片上板(11)与所述芯片下板(12)之间。

6.根据权利要求5所述的一种控制阀，其特征在于，所述芯片上板(11)、所述芯片下板(12)上设置有密封机构，所述密封机构位于所述阀腔体(3)边缘外侧。

7.根据权利要求6所述的一种控制阀，其特征在于，所述密封机构包括相配合的密封凸台(5)及密封凹槽(6)；

所述密封凸台(5)设置在所述芯片上板(11)上，所述密封凹槽(6)设置在所述芯片下板(12)上；

或者，所述密封凸台(5)设置在所述芯片下板(12)上，所述密封凹槽(6)设置在所述芯片上板(11)上。

8.根据权利要求7所述的一种控制阀，其特征在于，所述密封凸台(5)的截面形状是梯形，所述密封凹槽(6)的截面形状是梯形或矩形。

9.一种离心微流控芯片，包括芯片本体(1)、进液口(7)、反应腔(8)、微流通道(2)，其特征在于，还包括设置在所述进液口(7)与所述反应腔(8)之间的控制阀，所述控制阀为权利要求1～8中任意一项所述的控制阀。