CN116984041A - 一种基于磁力控制液体往复流动的方法及装置和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁力控制液体往复流动的方法及装置和应用。本发明提供的方法利用亲水磁体在脱离液体之前形成的气/液/固三相界面上产生的界面毛细力作为液体移动的牵引力，实现液体的流动控制。该方法的有益之处包括：1)非接触式的流动控制，能够规避接触式控制导致的污染(如机械探针控制)；2)使液体平稳快速地移动，不会产生气泡和新的气液界面，避免了气液界面上剧烈的摩擦和振动，降低了气溶胶产生几率；3)与现有通过推动力移动或扰动液体的磁控方式相比，大幅降低了气溶胶污染风险。此外，还实现了一轮抗原‑抗体结合只需1‑2分钟、一次检测只需5‑15分钟的有益效果，检测速度远超基于反应杯或微孔板的传统免疫检测方法。

Description

一种基于磁力控制液体往复流动的方法及装置和应用

技术领域

本发明属于免疫检测技术领域。更具体地，涉及一种基于磁力控制液体往复流动的方法及装置和应用。

背景技术

气溶胶污染是生物医学诊断领域中的重要问题，也是影响检测安全、检测结果准确性的重要因素。气溶胶是空气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的胶体分散体系。通常，以液体小质点为分散相的气溶胶可由气液界面的摩擦或震荡产生。这些气溶胶容易在小空间内扩散，并重新附着在固体表面或重新落入液体中。

在医学检测过程中，大部分检测操作均可导致气液界面的摩擦或震荡，例如样品溶液或反应试剂的反复吸取、注入、摇匀和震荡，样品溶液的快速运输，装有样品溶液的反应器皿(如96孔板、反应杯或微流控芯片)的快速移动等，从而产生样品溶液或反应试剂的气溶胶。样品溶液通常含有疾病的标志物分子、细胞、病毒或微生物，未灭活的原始样品可能仍具有传染性。当这些气溶胶附着在仪器或器皿的表面时，将导致仪器和器皿上的样品污染和试剂污染；样品污染可能导致仪器和器皿具有传染性从而导致检测人员的感染，试剂污染则可能导致仪器和器皿的腐蚀。当这些气溶胶重新落入样品溶液中时，将导致样品溶液的交叉污染和反应试剂的用量的微量变化，可能会使样品检测结果偏离真实的样品情况。

为了解决医学检测过程中气溶胶污染的问题，在实验室的人工检测中，检测人员通常会为装载样品溶液的反应器皿提供密封条件，降低气溶胶释放到环境中的效率。但是，在自动化检测设备中(如全自动酶联免疫检测仪、全自动化学发光检测仪、微流控免疫分析仪等)，反应器皿通常敞开以便设备进行自动化移液、加样、清洗等步骤。此外，自动化检测设备，特别是可操作空间小的小型自动化检测设备中，通常还会引入磁力搅拌、离心等能够引起气液界面的剧烈摩擦和振荡的流动控制方式以提高样品捕获效率和检测速度，这些操作会导致样品溶液气溶胶的生成，并可能导致样品交叉污染和仪器污染等严重后果。

综上所述，在全自动检测设备，特别是小型全自动检测设备中，需要一种引入温和且高效的流动控制方式，在提供较高的样品捕获效率和检测速度的基础上，降低气溶胶产生的风险。如本发明人团队前期研究得到一种往复流动式酶联免疫分析方法(中国专利号：202010116126.0)，并基于气压变化的控制原理开发了一种小型便携式全自动酶联免疫分析仪(中国专利号：202110063475.5)，基于气压控制的往复流动策略提供了流速平稳变化的液体流动控制，同时实现了快速免疫检测，为了进一步减少气液界面的摩擦和碰撞导致气溶胶的产生，亟需开发和研究出更多新的方法和手段克服现有生物医学检测领域中的气溶胶污染隐患问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有生物医学检测领域中的气溶胶污染隐患问题，基于磁控拖拽液体运动的方式，本发明提供一种基于磁力控制液体的往复流动方法及其装置，实现了平稳且快速的液体流动控制，避免了气溶胶污染的产生，大大降低了液体在气液界面的摩擦和碰撞导致气溶胶污染风险。

本发明的目的是提供一种基于磁力控制液体往复流动的方法。

本发明另一目的是提供一种基于磁力控制的往复流动装置。

本发明再一目的是提供一种基于磁力控制的往复流动装置控制液体往复流动的方法。

本发明的又一目的是提供基于磁力控制的往复流动的方法及装置的应用。

本发明的再一目的是提供一种免疫检测方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

本发明提供一种基于磁力控制液体往复流动的方法，在待测液体中加入亲水磁体，通过外界磁场将亲水磁体移动到液体的气液界面边缘，在亲水磁体表面形成气/液/固三相界面，在亲水磁体脱离液体之前，亲水磁体表面的三相界面将产生界面毛细力，即为控制液体流动的牵引力，通过外界磁场提供磁控驱动力来控制亲水磁体在不完全脱离液体的状态下来拖拽液体移动，即可实现液体的往复流动控制；

本发明在液体与亲水磁体接触并包裹后，通过将亲水磁体移动到液体的气液界面边缘，并尝试继续向液体外部移动亲水磁体以使其脱离液体。此时，亲水磁体突破液体的气液界面，从而在亲水磁体的表面形成气/液/固三相界面，具体表现为液体边缘在亲水磁体表面环绕一周的固/液接触线。随后，亲水磁体尝试继续脱离液体时，将促使气/液/固三相界面上产生界面能的变化；界面能的变化进而转变为固/液接触线上同时向亲水磁体和液体施加的界面毛细力。对于液体，界面毛细力沿亲水磁体的运动方向指向液体外部，从而作为牵引力驱动液体沿亲水磁体的运动方向移动，实现液体流动的控制。简单地说，通过移动亲水磁体来拖拽液体移动的方式完成液体的往复流动控制。

具体地，界面毛细力则需克服液体末端与管道内壁之间的滑动摩擦力，和液体末端边缘在管道内壁上的接触线产生的总表面张力，才能实现液体受界面毛细力牵引而移动，亲水磁体带动液体移动需满足以下受力条件：

F_{界面毛细力}＞f_{液体滑动摩擦力}+f_{液体表面张力}

同时，为了使亲水磁体能持续地为液体的移动提供界面毛细力，亲水磁体需保持可磁控运动但不可脱离液体的状态；此时，驱动亲水磁体运动的磁控驱动力在克服亲水磁体与管道内壁之间的滑动摩擦力后，不可进一步克服液体对亲水磁体产生的界面毛细力；所述磁控驱动力需满足以下受力条件：

0＜F_{磁控驱动力}-f_{磁体滑动摩擦力}≤F_{界面毛细力}

另外，在待测液体中加入亲水磁体后，磁控驱动力在克服亲水磁体与管道内壁之间的滑动摩擦力后，还需进一步克服液体在管道内移动所受的阻力；因此，所述磁控驱动力还需满足以下受力条件：

F_{磁控驱动力}-f_{磁体滑动摩擦力}＞f_{液体滑动摩擦力}+f_{液体表面张力}

本发明提供的方法与现有的通过磁体运动产生推动力使液体移动或扰动的磁控方式相比，该方法具有液体流动平稳且快速的特点，不容易引起液体界面的剧烈摩擦和振动，所以能够使气溶胶产生几率和气溶胶污染风险大幅降低。

特别地，所述界面毛细力受亲水磁体性质、液体性质影响，并受亲水磁体性质、液体性质、管道尺寸和性质的限制，界面毛细力值的限定还可以根据管道尺寸、液体种类和体积等不同的条件进行调节，从而适配其他应用场景。本发明提供的界面毛细力的优选范围：1.251×10^-4N＜F_{界面毛细力}＜4.171×10^-3N。

特别地，所述磁控驱动力受亲水磁体性质、液体性质、管道尺寸和性质的限制，磁控驱动力的限定还可以根据管道尺寸、液体种类和体积等不同的条件进行调节，从而适配其他应用场景。本发明提供的磁控驱动力的优选范围：4.5605×10^-4N＜F_{磁控驱动力}＜1.138×10^-2N。

优选地，所述亲水磁体为磁性材料，选自磁性铝镍钴材料、磁性铁氧体材料、磁性钕铁硼合金中的一种。

更优选地，亲水磁体可根据使用需求灵活变动，其外形也可根据使用需求灵活变动，包括但不限于圆柱体、球体、立方体等。

更为优选地，本发明使用的亲水磁体为钕铁硼合金材料的圆柱体。

本发明基于磁力控制液体往复流动的原理，还提供一种基于磁力控制的往复流动装置，包括支撑底座、微流控芯片平台、磁控驱动装置、外部控制器和微流控芯片；所述支撑底座的上方设有磁控驱动装置、微流控芯片平台和微流控芯片，微流控芯片平台设于支撑底座两侧用于支撑微流控芯片；所述磁控驱动装置固定在支撑底座上，一端与外部控制器电连接；所述微流控芯片包括作为基底的底层芯片、提供微流道的中层芯片和带孔的顶层芯片；在中层芯片上设有平行排列的微流道，每个微流道中含用于配合磁力控制的亲水磁体。

优选地，所述磁控驱动装置基于步进电机控制磁力，磁控驱动装置包括步进电机、传动杆、磁性板；所述步进电机、传动杆、磁性板设于支撑底座的上方；所述步进电机固定在支撑底座上，一端与传动杆机械连接，另一端与外部控制器电连接；传动杆与支撑底座平行设置，另一端固定有磁性板。

优选地，所述磁控驱动装置基于阵列电感控制磁力，磁控驱动装置包括阵列电感和连接电感的电路板；所述支撑底座的上方设有电路板，电路板上方连接有阵列电感通电连接；所述电路板固定在支撑底座上，一端与外部控制器电连接；所述阵列电感与支撑底座平行设置，阵列电感排布位置与微流控芯片中平行排列的微流道位置对应，平行于微流道方向的电感并联，垂直于微流道方向的电感串联，阵列电感之间的间隔等于微流道之间的间隔距离。

优选地，所述阵列电感在满足能提供足够F_{磁控驱动力}的情况下，尺寸尽可能小。

优选地，所述阵列电感需为无屏蔽或半屏蔽电感，具体可为绕线型、贴片型、编织型电感中的一种。

本发明提供的装置通过磁控驱动装置提供磁控驱动力，由外部控制器连接步进电机，驱动传动杆使磁性板移动从而带动微流控芯片中的亲水磁体移动来拖拽液体移动；或通过外部控制器连接阵列电感电路板，通过逐行接通电感产生变化磁场从而带动微流控芯片中的亲水磁体移动来拖拽液体移动；将亲水磁体移动到液体的气液界面边缘，尝试继续向液体外部移动亲水磁体以使其脱离液体，此时亲水磁体和液体必须克服两者之间的粘附力做功，粘附力成为液体移动的牵引力；控制亲水磁体移动的幅度在亲水磁体与液体之间的粘附力承受范围以内，使亲水磁体在不完全脱离液体的状态下，为液体的移动持续地提供牵引力，从而实现液体流动的控制。

进一步地，通过外部控制器设置运动参数，输入磁控驱动装置，使步进电机驱动传动杆带动磁性板在支撑底座匀速向前移动后再返回至起始位置，或使阵列电感逐行依次往复接通，从而完成一个运动周期。

更进一步地，所述运动参数包括运动速度、运动距离和运动周期数。

优选地，所述亲水磁体的高度小于微流道的高度，宽度小于微流道的宽度。

本发明提供微流控芯片的制作方法，包括以下步骤：

S1、在平整的塑料薄片表面制作出互相平行的长条孔，从而得到中层芯片；

S2、在另一平整的塑料薄片表面制作出数组圆孔，从而得到顶层芯片；

S3、将平整的底层芯片、中层芯片和顶层芯片通过粘合剂粘合的方式依次贴合在一起，组装得到所述的微流控芯片。

优选地，所述塑料薄片为聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯中的一种。

更优选地，微流道的中层芯片上的长条孔和带孔的顶层芯片上的圆孔可以通过机械方法、激光切割法等工艺制作。

进一步优选地，中层芯片上的长条孔是两端各连接有两个圆孔的方形孔，圆孔直径为0.4cm，方形孔长2.0cm，宽0.2cm。

更具体地，顶层芯片上的圆孔直径为0.4cm，其位置与中层芯片上圆孔的位置对应。

优选地，组装底层芯片、中层芯片和顶层芯片时所使用的粘合剂，可以是速干胶、光固化胶等多种，根据实际使用需求灵活变动。

更优选地，在组装底层芯片、中层芯片和顶层芯片时，底层芯片与顶层芯片分别构成中层芯片方形孔的底部和顶部，从而构成了微流道；此时，顶层芯片的圆孔与中层芯片的圆孔一一对应。

本发明提供一种基于磁力控制液体往复流动装置控制液体往复流动的方法，具体包括如下步骤：

S1、将微流控芯片放置在微流控芯片平台上方；

S2、向微流控芯片的微流道注入待控制的液体；

S3、通过外部控制器向磁控驱动装置输入运动参数，包括运动速度、运动距离和运动周期数；

S4、启动往复流动装置，使步进电机驱动传动杆带动磁性板运动，或使电路板逐行接通阵列电感产生变化的磁场，从而使微流控芯片中的亲水磁体在磁控驱动力的作用下按S3中设定的运动速度，从起始位置开始匀速向前移动，移动距离等于S3中设定的运动距离；

S5、微流控芯片中的亲水磁体匀速移动到达所设定的运动距离后，磁控驱动装置驱动亲水磁体按S3中设定的速度匀速向后移动返回至起始位置，从而完成一个运动周期；

S6、往复流动装置依次重复S4和S5的步骤，重复次数等于S3中设置的运动周期数，从而实现往复流动控制。

本发明还提供所述磁力控制液体往复流动方法或所述磁力控制液体往复流动装置在液体控制、免疫检测、核酸检测、生物颗粒检测中的应用。

本发明还提供了一种免疫检测方法，包括以下步骤：

S1、制备微流控芯片并将其放置在微流控芯片平台上方；

S2、向微流控芯片的微流道注入待测样品溶液；

S3、设置外部控制器运动参数，输入磁控驱动装置，启动往复流动装置，使步进电机驱动传动杆带动磁性板运动，或使电路板逐行接通阵列电感产生变化的磁场，从而使微流控芯片中的亲水磁体按S3中设定的运动速度，从起始位置开始匀速向前移动，移动距离等于S3中设定的运动距离；微流控芯片中的亲水磁体匀速移动到达所设定的运动距离后，磁控驱动装置驱动亲水磁体按S3中设定的速度匀速向后移动返回至起始位置，从而完成一个运动周期；

S4、根据检测方法设置依次重复S2和S3的步骤，重复次数等于S3中设置的运动周期数，从而实现往复流动控制并进行检测。

优选地，步骤S1中制备微流控芯片时在底层芯片上对应中层芯片的微流道位置包被特异性抗体或抗原。

优选地，步骤S2中从微流控芯片顶层芯片的顶层圆孔中向微流道加入待测样品溶液，依次进行待测样品的捕获、样品溶液的清洗、第二抗体的捕获、第二抗体溶液的清洗，并启动往复流动装置进行检测。

上述检测方法，本发明还提供一种最优选的实施方案，具体包含以下步骤：

S1、在底层芯片上包被特异性抗体或抗原。在组装微流控芯片之前，预先在底层芯片上局部包被特异性抗体或抗原，这些包被抗体或包被抗原能特异性识别待测样品分子。包被区域的尺寸为0.2×0.4mm，其位置对应中层芯片上方形孔的中部位置。

S2、待测样品的捕获。在顶层圆孔中向微流道加入待测样品溶液，随后启动往复流动装置，使样品溶液往复流动5个周期，随后排出样品溶液。

S3、样品溶液的清洗。在顶层圆孔中向微流道加入清洗液，启动往复流动装置使清洗液单向运动并排出。重复清洗3次。

S4、第二抗体的捕获。随后，在顶层加样孔中向微流道加入标记了信号探针的第二抗体溶液。启动往复流动装置，使第二抗体溶液往复流动5个周期，随后排出第二抗体溶液。

S5、第二抗体溶液的清洗。在顶层圆孔中向微流道加入清洗液，启动往复流动装置使清洗液单向运动并排出。重复清洗3次。

S6、结果检测。根据检测方法的不同，可选用多种检测手段。

本发明还提供上述磁力控制液体往复流动的方法或磁力控制的往复流动装置在酶联免疫检测、荧光免疫检测、化学发光免疫检测或局域表面等离子体共振检测中的应用。

本发明具有以下有益效果：

本发明基于磁控拖拽液体运动的方式，提供一种基于磁力控制液体往复流动的方法，利用亲水磁体在脱离液体之前形成的气/液/固三相界面上产生的界面毛细力作为液体移动的牵引力，实现液体的流动控制。该方法具有液体流动平稳且快速的特点，大大降低了液体界面的剧烈摩擦和振动，避免了气溶胶污染的产生，从而能够规避气溶胶污染的风险。本发明还提供一种基于磁力控制的往复流动装置。同时，本发明还提供了一种免疫检测方法，使用往复流动装置进行检测，能应用于多种微流控免疫检测，具有如下特点：

1)一种非接触式的流动控制方法，能够规避常规的接触式控制所带来的固体污染和液体污染(如机械探针控制)。

2)这种流动控制方法能使液体平稳、快速地移动，且不会产生气泡从而形成新的气液界面，进而避免了气液界面上剧烈的摩擦和振动。

3)与现有的通过磁体运动产生推动力使液体移动或扰动的磁控方式相比，本发明的基于磁力控制的往复流动装置大幅降低了气溶胶产生的几率，从而降低了气溶胶污染的风险。

4)采用本发明的基于磁力控制往复流动装置应用于多种微流控免疫检测中，完成一轮抗原-抗体结合只需要1-2分钟，完成一次免疫检测只需5-15分钟，检测速度远超基于反应杯或微孔板的传统免疫检测方法。

附图说明

图1是本发明提供的往复流动装置的往复流动方法的原理示意图。

图2是本发明提供的基于步进电机控制的往复流动装置的示意图(支撑底座-1、微流控芯片平台-11、步进电机-21、传动杆-22、磁性板-23、外部控制器-3、微流控芯片-4)。

图3是本发明提供的微流控芯片的结构示意图(微流控芯片-4、底层芯片-41、中层芯片-42、顶层芯片-43、微流道-421、亲水磁体-422)。

图4是实施例1中基于磁力控制的往复流装置的流动控制过程。

图5是本发明提供的基于阵列电感控制的往复流动装置的示意图(支撑底座-1、微流控芯片平台-11、电路板-24、阵列电感-25、外部控制器-3、微流控芯片-4)。

图6是实施例2中基于磁力控制的往复流动装置的酶联免疫检测人免疫球蛋白G(IgG)的定性结果。

图7是实施例2中基于磁力控制的往复流动装置的酶联免疫检测人IgG的定量结果。

图8是实施例3中基于磁力控制的往复流动装置的荧光免疫检测人IgG的定性结果。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1一种基于磁力控制液体往复流动的方法

本发明针对生物医学检测领域中的气溶胶污染隐患问题，提供一种基于磁力控制液体往复流动的方法，在待测液体中加入亲水磁体，通过外界磁场将亲水磁体移动到液体的气液界面边缘，在亲水磁体表面形成气/液/固三相界面，在亲水磁体脱离液体之前，亲水磁体表面的三相界面将产生界面毛细力，即为控制液体流动的牵引力，通过外界磁场提供磁控驱动力来控制亲水磁体的移动，即可实现液体的往复流动控制；

本发明在液体与亲水磁体接触并包裹后，通过将亲水磁体移动到液体的气液界面边缘，并尝试继续向液体外部移动亲水磁体以使其脱离液体。此时，亲水磁体突破液体的气液界面，从而在亲水磁体的表面形成气/液/固三相界面，具体表现为液体边缘在亲水磁体表面环绕一周的固/液接触线。随后，亲水磁体尝试继续脱离液体时，将促使气/液/固三相界面上产生界面能的变化；界面能的变化进而转变为固/液接触线上同时向亲水磁体和液体施加的界面毛细力。对于液体，界面毛细力沿亲水磁体的运动方向指向液体外部，从而作为牵引力驱动液体沿亲水磁体的运动方向移动，实现液体流动的控制。简单地说，通过移动亲水磁体来拖拽液体移动的方式完成液体的往复流动控制。

本发明提供的基于磁力控制液体往复流动的原理如图1所示，亲水磁体和液体必须克服两者之间的界面毛细力做功，界面毛细力成为液体移动的牵引力；控制亲水磁体移动的幅度在亲水磁体与液体之间的界面毛细力承受范围以内，使亲水磁体处于不完全脱离液体的临界状态下，为液体的移动持续地提供牵引力，从而实现液体流动的控制。

具体地，界面毛细力则需克服液体末端与管道内壁之间的滑动摩擦力，和液体末端边缘在管道内壁上的接触线产生的总表面张力，才能实现液体受界面毛细力牵引而移动，亲水磁体带动液体移动需满足以下受力条件：

F_{界面毛细力}＞f_{液体滑动摩擦力}+f_{液体表面张力}

同时，为了使亲水磁体能持续地为液体的移动提供界面毛细力，亲水磁体需保持可磁控运动但不可脱离液体的状态；此时，驱动亲水磁体运动的磁控驱动力在克服亲水磁体与管道内壁之间的滑动摩擦力后，不可进一步克服液体对亲水磁体产生的界面毛细力；所述磁控驱动力需满足以下受力条件：

0＜F_{磁控驱动力}-f_{磁体滑动摩擦力}≤F_{界面毛细力}

另外，在待测液体中加入亲水磁体后，磁控驱动力在克服亲水磁体与管道内壁之间的滑动摩擦力后，还需进一步克服液体在管道内移动所受的阻力；因此，所述磁控驱动力还需满足以下受力条件：

F_{磁控驱动力}-f_{磁体滑动摩擦力}＞f_{液体滑动摩擦力}+f_{液体表面张力}

并且，界面毛细力和磁控驱动力均受亲水磁体性质、液体性质影响，并受亲水磁体性质、液体性质、管道尺寸和性质的限制，可以根据管道尺寸、液体种类和体积等不同的条件进行调节，从而适配其他应用场景。

本发明研究得到的界面毛细力的优选范围为：1.251×10^-4N＜F_{界面毛细力}＜4.171×10^-3N，磁控驱动力的优选范围：4.5605×10^-4N＜F_{磁控驱动力}＜1.138×10^-2N。

本发明使用的亲水磁体为磁性材料，选自磁性铝镍钴材料、磁性铁氧体材料、磁性钕铁硼合金中的一种，可根据使用需求灵活变动，其外形也可根据使用需求灵活变动，包括但不限于圆柱体、球体、立方体等。作为优选方案，本发明使用的亲水磁体为钕铁硼合金材料的圆柱体。

本发明提供一种基于磁力控制液体往复流动的方法，实现了平稳且快速的液体流动控制，并能应用于多种低气溶胶污染风险的微流控免疫检测，如酶联免疫检测、荧光免疫检测、化学发光免疫检测或局域表面等离子体共振检测等。与现有的通过磁体运动产生推动力使液体移动或扰动的磁控方式不同，本发明中的磁控方式是在液体中的亲水磁体脱离液体之前的临界状态下，利用亲水磁体与液体之间的界面毛细力为液体的移动提供牵引力，从而实现液体流动的控制。

实施例2一种基于步进电机控制磁力的往复流动装置

本实施例提供一种用于实现基于磁力控制液体往复流动的装置，装置示意图如图2所示，包括以下主要结构：支撑底座1、微流控芯片平台11、磁控驱动装置2、外部控制器3和微流控芯片4；所述磁控驱动装置2包括步进电机21、传动杆22、磁性板23；支撑底座1的上方设置有微流控芯片平台11，用于支撑微流控芯片4，微流控芯片平台11置于步进电机21、传动杆22和磁性板23组件的上方；步进电机21固定在支撑底座1上，一端与传动杆22机械连接，另一端与外部控制器3电连接；传动杆22与支撑底座1平行，另一端固定有磁性板23。

微流控芯片4示意图如图3所示，微流控芯片4分为三层，包括作为基底的底层芯片41、提供微流道的中层芯片42和带孔的顶层芯片43；在中层芯片42上设有平行排列的微流道421，每个微流道中提前装入用于配合磁力控制的亲水磁体422；

进一步地，亲水磁体的尺寸特征是：高度小于微流道的高度，宽度小于微流道的宽度。

本发明装置实现的原理是：液体被注入微流道后，将与亲水磁体接触并包裹。本发明通过将亲水422磁体移动到液体的气液界面边缘；并尝试继续向液体外部移动亲水磁体422以使其脱离液体。此时，亲水磁体422突破液体的气液界面，从而在亲水磁体422的表面形成气/液/固三相界面，具体表现为液体边缘在亲水磁体422表面环绕一周的固/液接触线。随后，亲水磁体422尝试继续脱离液体时，将促使气/液/固三相界面上产生界面能的变化；界面能的变化进而转变为固/液接触线上同时向亲水磁体422和液体施加的界面毛细力。对于液体，界面毛细力沿亲水磁体422的运动方向指向液体外部，从而作为牵引力驱动液体沿亲水磁体422的运动方向移动，实现液体流动的控制。简单地说，通过移动亲水磁体422来拖拽液体移动的方式完成液体的往复流动控制。

该装置基于磁力控制的往复流动的操作方法为：将微流控芯片4放置在微流控芯片平台11上方，向微流控芯片4的微流道421注入待控制的液体；再通过外部控制器3向步进电机21输入运动参数，包括运动速度、运动距离和运动周期数；启动往复流动装置，使步进电机21驱动传动杆22运动，从而带动磁性板23按外部控制器3中设定的运动速度和距离，从起始位置开始匀速向前移动；

在磁性板23匀速移动到达所设定的运动距离后，步进电机21驱动传动杆22运动，使磁性板23按按外部控制器3设定的速度匀速向后移动返回至起始位置，从而完成一个运动周期；往复流动装置依次重复上述操作，重复次数等于按外部控制器3中设置的运动周期数，从而实现往复流动控制。

本实施还提供微流控芯片4的制作方法：

S1、通过激光切割，在平整的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄片表面制作出互相平行的3个长条孔，从而得到中层芯片42；长条孔由两端各连接有两个圆孔的方形孔组成，其中圆孔直径为0.4cm，方形孔长2.0cm，宽0.2cm；

S2、通过激光切割，在另一平整的PMMA薄片表面制作出3组直径为0.4cm的圆孔，从而得到顶层芯片43；

S3、使用光固化胶作为粘合剂，在光照的条件下将平整的底层芯片41(平整的PMMA薄片)、中层芯片42和顶层芯片43贴合在一起，组装得到微流控芯片4。

采用本发明装置控制液体的流动过程：将组装好的微流控芯片4放置到往复流动装置的微流控芯片平台11上，经顶层芯片43上的圆孔向中层芯片42的微流道421加入40μL红色水；再通过外部控制器3向步进电机21输入运动参数，包括运动速度(3.11mm/s)、运动距离(2.0cm)和运动周期数，启动往复流动装置，开始流动控制。

进行流动控制后结果如图4所示，在磁力控制的往复流动过程中，亲水磁体422在液体内部移动时，对液体没有推动作用。亲水磁体422移动至液体的气液界面边界时，能够拉动各通道的液体以相同的速度匀速移动。当亲水磁体422停止移动时，液体也立即停止移动。上述过程在不同流动方向的流动控制过程中保持一致。

由结果表明，本发明的基于磁力控制的往复流动方法能够实现磁体拖拽液体移动、而非推动或扰动的流动控制。在控制过程中，液体的移动是平缓、快速的，没有发生气液界面的剧烈摩擦和振荡；而且没有产生气泡以形成新的气液界面，证明该方法满足了降低气溶胶产生几率的要求，具有降低气溶胶污染风险的能力。

实施例3一种基于阵列电感控制磁力的往复流动装置

本实施例提供一种基于阵列电感控制磁力驱动液体往复流动的装置，装置示意图如图5所示，包括以下主要结构：支撑底座1、微流控芯片平台11、磁控驱动装置2、外部控制器3和微流控芯片4，所述磁控驱动装置2包括电路板24、阵列电感25；支撑底座1的上方设置有微流控芯片平台11，用于支撑微流控芯片4，微流控芯片平台11置于电路板24、阵列电感25组件的上方；电路板24固定在支撑底座1上，上端与阵列电感25电连接，一端与外部控制器3电连接；阵列电感25与支撑底座1平行设置，排布位置与微流控芯片4中平行排列的微流道421位置对应，平行于微流道421方向的电感并联，间隔尽可能小，垂直于微流道421方向的电感串联，间隔等于微流道421间的距离；阵列电感25在满足能提供足够F_{磁控驱动力}的情况下，尺寸尽可能小；阵列电感25需为无屏蔽或半屏蔽电感，具体为绕线型、贴片型、编织型电感中的一种。

本实施例的微流控芯片4结构、制作方法，亲水磁体选择，液体控制原理及参数均与实施例2相同。

该装置基于磁力控制的往复流动的操作方法为：将微流控芯片4放置在微流控芯片平台11上方，向微流控芯片4的微流道421注入待控制的液体；再通过外部控制器3向电路板24输入运动参数，包括运动速度、运动距离和运动周期数；启动往复流动装置，使电路板24按外部控制器3中设定的运动速度和距离，逐行接通阵列电感25产生变化的磁场，驱动微流道421中的亲水磁体从起始位置开始匀速向前移动；

在亲水磁体匀速移动到达所设定的运动距离后，电路板24反向逐行接通阵列电感25产生变化的磁场，驱动微流道421中的亲水磁体按外部控制器3设定的速度匀速向后移动返回至起始位置，从而完成一个运动周期；往复流动装置依次重复上述操作，重复次数等于按外部控制器3中设置的运动周期数，从而实现往复流动控制。

实施例4基于磁力往复流动装置进行酶联免疫检测

1、用于免疫检测的微流控芯片的制作：

S1、在一个平整的PMMA薄片上局部地包被山羊抗人IgG抗体，包被区域的尺寸为0.2×0.4mm，其位置对应中层芯片42上的方形孔的中部位置，从而得到包被有特异性抗体的底层芯片41；

S2、通过激光切割，在另一平整的PMMA薄片表面制作出互相平行的6个长条孔，从而得到中层芯片42；长条孔由两端各连接有两个圆孔的方形孔组成，其中圆孔直径为0.4cm，方形孔长2.0cm，宽0.2cm；

S3、通过激光切割，在又一平整的塑料薄片表面制作出6组圆孔，从而得到直径为0.4cm的圆孔，得到顶层芯片43；

S4、使用光固化胶作为粘合剂，在光照的条件下将底层芯片41、中层芯片42和顶层芯片43贴合在一起，组装得到所述的微流控芯片4。

2、酶联免疫方法检测人IgG：

(1)待测样品的捕获。采用本发明基于磁力往复流动装置，并在微流控芯片4上的顶层芯片43的顶层圆孔中向微流道421分别加入40μL人IgG溶液，随后设置外部控制器3(往复流动控制的运动参数设置同实施例1)启动往复流动装置，使样品溶液往复流动5个周期，随后排出样品溶液。

(2)样品溶液的清洗。从顶层芯片43的顶层圆孔中向微流道421分别加入40μL清洗液，再启动往复流动装置使清洗液单向运动并排出；清洗液为含有吐温-20的磷酸盐缓冲溶液。重复清洗3次。

(3)第二抗体的捕获。随后，从顶层芯片43的顶层加样孔中向微流道421分别加入40μL辣根过氧化物酶标记的兔抗人IgG抗体溶液。启动往复流动装置，使第二抗体溶液往复流动5个周期，随后排出第二抗体溶液。

(4)第二抗体溶液的清洗。从顶层芯片43的顶层圆孔中向微流道421分别加入40μL清洗液(清洗液成分同上(2))，启动往复流动装置使清洗液单向运动并排出。重复清洗3次。

(5)结果检测。从顶层芯片43的顶层圆孔中向微流道421分别加入40μL显色液，启动往复流动装置使显色液5个周期。随后从顶层芯片43的顶层圆孔中向微流道421分别加入20μL中止液，启动往复流动装置使显色液5个周期。对各通道中液体的颜色进行数据分析，得到检测结果。

采用往复流动装置进行酶联免疫检测的定性检测的结果如图6所示。图6的左侧是定性检测结果的实物图，图中信息包含了6个相互平行的微流道，其中左侧三个微流道的阴性样本的检测通道，右侧三个微流道是阳性样本的检测通道。显然，阴性样本检测通道和阳性样本检测通道中的颜色结果具有较强的区分度，能够有效应用于定性检测。将这些检测通道的颜色数据进行提取，并按样本类型进行分类和对比，即为图6右侧的直方图。根据直方图，显然阴性样本和阳性样本的颜色灰度存在显著差异，进一步证明了阴阳性结果具有强区分度，说明本实施例中的检测方法能有效应用于区分阴性和阳性样本的定性检测中。

采用往复流动装置进行酶联免疫检测的定量检测的结果如图7所示。图7的左图是定量检测结果的实物图，图中信息包含了6个相互平行的微流道，这些微流道从左到右分别是空白样本和不同浓度的IgG样本的检测通道，按浓度升高排序。显然，6个检测通道中的颜色结果随样本中IgG浓度的增加而增强，表明本实施例中的检测方法能够为定量检测提供可视化的结果。将这些检测通道的颜色数据进行提取，并对颜色强度随样本浓度的变化进行分析和拟合，即为图7右侧的线性拟合曲线。根据曲线图，本实施例中对不同浓度阳性样本的检测结果随浓度变化有明显的线性关系，能够有效应用于定量检测。

实施例5基于磁力往复流动装置进行荧光免疫检测

采用实施例3的基于磁力往复流动装置进行荧光免疫检测，其用于免疫检测的微流控芯片4的制备同实施例2。采用往复流动装置检测人IgG的待测样品的捕获、样品溶液的清洗及第二抗体的捕获操作方法同实施例4。随后，从顶层芯片43的在顶层加样孔中向微流道分别加入40μL荧光微球标记的兔抗人IgG抗体溶液，并启动往复流动装置，使第二抗体溶液往复流动5个周期，随后排出第二抗体溶液。再进行第二抗体溶液的清洗，方法同实施例2，并将处理后的微流控芯4片放入紫外暗箱中，根据包被区域中的荧光强度分析检测结果。

采用往复流动装置进行荧光免疫检测的定性检测的结果如图8所示。图8是本实施例中所述的微流控芯片完成荧光检测后的底层芯片实物图，荧光检测的结果应出现在各检测通道的中部，即各组相对圆孔之间的区域。其中，左侧三组圆孔之间的微流道开展了阴性样本的检测，检测通道中部没有出现明显的荧光斑痕；相对地，右侧三组圆孔之间的微流道分别开展了浓度为7.3、73和730ng/mL的人IgG检测，检测通道中部均出现了肉眼可辩的荧光斑痕，且荧光强度随人IgG的浓度升高而显著变化。结果表明，本实施例中阴性样本结果、低浓度阳性样本结果和高浓度阳性样本结果之间具有较强的区分度，能够有效开展免疫检测。

综上，本发明提供的基于磁力控制的往复流动方法和装置能够应用于多种微流控免疫检测中，利用亲水磁体在离液体之前形成的气/液/固三相界面产生的界面毛细力作为液体移动的牵引力，实现液体的流动控制，实现了非接触式的流动控制，能够规避接触式控制导致的污染(如机械探针控制)；同时，使液体平稳快速地移动，不会产生气泡和新的气液界面，避免了气液界面上剧烈的摩擦和振动，降低了气溶胶产生几率；并与现有的通过推动力移动或扰动液体的磁控方式相比，大幅降低了气溶胶污染风险。此外，采用本发明提供的装置进行微流控免疫检测在一轮抗原-抗体结合只需1-2分钟、一次检测只需5-15分钟，检测速度远超基于反应杯或微孔板的传统免疫检测方法。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁力控制液体往复流动的方法，其特征在于，在待测液体中加入亲水磁体，通过外界磁场控制亲水磁体在不完全脱离液体的状态下来拖拽液体移动，即可实现液体的往复流动控制；其中，亲水磁体在液体的气液界面边缘表面形成的气/液/固三相界面毛细力作为液体移动的驱动力，其与液体滑动摩擦力、液体表面张力、外界磁场产生的磁控驱动力、磁体滑动摩擦力需满足以下受力条件：

F_{界面毛细力}>f_{液体滑动摩擦力}+f_{液体表面张力}；

0<F_{磁控驱动力}-f_{磁体滑动摩擦力}≤F_{界面毛细力}；

F_{磁控驱动力}-f_{磁体滑动摩擦力}>f_{液体滑动摩擦力}+f_{液体表面张力}。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述亲水磁体为磁性材料，选自磁性铝镍钴材料、磁性铁氧体材料、磁性钕铁硼合金中的一种。

3.一种基于磁力控制的往复流动装置，其特征在于，包括支撑底座(1)、微流控芯片平台(11)、磁控驱动装置(2)、外部控制器(3)和微流控芯片(4)；所述支撑底座(1)的上方设磁控驱动装置(2)、微流控芯片平台(11)和微流控芯片(4)，微流控芯片平台(11)设于支撑底座(1)两侧用于支撑微流控芯片(4)；所述磁控驱动装置(2)固定在支撑底座(1)上，一端与外部控制器(3)电连接；所述微流控芯片(4)包括作为基底的底层芯片(41)、设有微流道的中层芯片(42)和带孔的顶层芯片(43)；中层芯片(42)上设有平行排列的微流道(421)，每个微流道中含用于配合磁力控制的亲水磁体(422)。

4.根据权利要求3所述装置，其特征在于，所述磁控驱动装置(2)包括步进电机(21)、传动杆(22)、磁性板(23)；所述步进电机(21)、传动杆(22)、磁性板(23)设于支撑底座(1)的上方；所述步进电机(21)固定在支撑底座(1)上，一端与传动杆(22)机械连接，另一端与外部控制器(3)电连接；传动杆(22)与支撑底座(1)平行设置，另一端固定有磁性板(23)。

5.根据权利要求3所述装置，其特征在于，所述磁控驱动装置(2)包括阵列电感(24)和连接电感的电路板(25)；所述支撑底座(1)的上方设有电路板(25)，电路板(25)上方连接有阵列电感(24)通电连接；所述电路板(25)固定在支撑底座(1)上，一端与外部控制器(3)电连接；所述阵列电感(24)与支撑底座(1)平行设置，阵列电感(24)排布位置与微流控芯片(4)中平行排列的微流道(421)位置对应，平行于微流道(421)方向的电感并联，垂直于微流道(421)方向的电感串联，阵列电感(24)之间的间隔等于微流道(421)之间的间隔距离。

6.根据权利要求3所述装置，其特征在于，所述亲水磁体(422)的高度小于微流道(421)的高度，宽度小于微流道(421)的宽度。

7.一种基于权利要求3～6任一所述装置控制液体往复流动的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1、将微流控芯片(4)放置在微流控芯片平台(11)上方；

S2、向微流控芯片(4)的微流道(421)注入待控制的液体；

S3、通过外部控制器(3)向磁控驱动装置(2)输入运动参数，包括运动速度、运动距离和运动周期数；

S4、启动往复流动装置，使磁控驱动装置(2)产生变化的磁场，从而使微流控芯片(4)中的亲水磁体(422)在磁控驱动力的作用下按S3中设定的运动速度，从起始位置开始匀速向前移动，移动距离等于S3中设定的运动距离；

S5、微流控芯片(6)中的亲水磁体(422)匀速移动到达所设定的运动距离后，磁控驱动装置(2)驱动亲水磁体(422)按S3中设定的速度匀速向后移动返回至起始位置，从而完成一个运动周期；

S6、往复流动装置依次重复S4和S5的步骤，重复次数等于S3中设置的运动周期数，从而实现往复流动控制。

8.权利要求1或2所述方法、或权利要求3～6任一所述装置在液体控制、免疫检测、核酸检测、生物颗粒检测中的应用。

9.一种免疫检测方法，其特征在于，采用权利要求3～6任一所述装置、或权利要求7所述方法进行检测，具体包含以下步骤：

S1、制备微流控芯片(4)，在底层芯片(41)上对应中层芯片(42)的微流道(421)位置包被特异性抗体或抗原，并将制备好的微流控芯片(4)放置在微流控芯片平台(11)上方；

S2、向微流控芯片(4)的微流道(421)注入待测样品溶液；

S3、设置外部控制器(3)运动参数，输入磁控驱动装置(2)，启动往复流动装置，使步进电机(21)驱动传动杆(22)带动磁性板(23)运动，或使电路板(24)逐行接通阵列电感(25)产生变化的磁场，从而使微流控芯片(4)中的亲水磁体(422)按S3中设定的运动速度，从起始位置开始匀速向前移动，移动距离等于S3中设定的运动距离；微流控芯片(4)中的亲水磁体(422)匀速移动到达所设定的运动距离后，磁控驱动装置(2)驱动亲水磁体(422)按S3中设定的速度匀速向后移动返回至起始位置，从而完成一个运动周期；

S4、根据检测方法设置依次重复S2和S3的步骤，重复次数等于S3中设置的运动周期数，从而实现往复流动控制并进行检测。

10.根据权利要求9所述方法，其特征在于，步骤S2中从微流控芯片(4)顶层芯片(43)的顶层圆孔中向微流道(421)加入待测样品溶液，依次进行待测样品的捕获、样品溶液的清洗、第二抗体的捕获、第二抗体溶液的清洗，并启动往复流动装置进行检测。