CN202870104U - 一种微流控芯片手动空气压力进样装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种微流控芯片手动空气压力进样装置。在微流控芯片卡内设置具有空间形状的空腔为缓冲区(11);空腔在芯片内封闭设置,缓冲区(11)上方设置有加样口(12);缓冲区(11)内侧壁设置有与芯片上微通道(13)相连的废液出口(14)。所述的上方的加样口(12)与通用注射器针头接合外径相等,使注射器活塞以内的气体密闭。减少样需要设置的反应通道数,简化了芯片设置的复杂程度。缓冲区(舱)具有样品混合、预反应、提供空压驱动力等多种功能。与以往已有的手动压力进样,相比优点显著;实施简便,容易。非常利于该技术普及应用推广。可以广泛地在各种微流控芯片检测装置上应用,具有较好的通用性。
Description
技术领域
本实用新型属于分析化学领域,涉及微全分析***用于微流控芯片检测技术;特别是一种微流控芯片手动空气压力进样装置。
背景技术
在当今环境形势与人们强烈关心环保的意识要求下,实时、在线、绿色微量分析技术成为分析化学的主要发展趋势。各种微分析技术应运而生,而微全分析技术成为目前最受瞩目的技术新领域之一。微全分析***(Miniaturized Total Analysis Systems)技术的主要目的是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等分析化学的基本操作单元,集成到一块微小尺寸的芯片上,以达到微量取样,自动完成分析任务的全过程。
微流控芯片(microfluidic chip)是基于微全分析***理念为目标的具体执行技术,也是当前微全分析***发展最热点的领域。微流控芯片通过在玻璃、石英、硅、塑料等芯片上设置微通道或微小的生化反应单元,以及检测器,对样品进行微量、快速速的分析技术。
但是,所有的微流控芯片内的样品及试液,需要一定的驱动力,使其在芯片的微通道内进行移动,进行必要的分离、反应,流经检测器,才能完成检测。所以微流控进样技术是微流控芯片检测技术的第一道屏障,该设计的设计是否得当,足以影响微流控分析技术的关实际应用成败。对于自动化、微量化样品的检测技术而言,样品进入方式对检测能力和可被检测的对象范围影响更为重要的。因此,一直以来,进样技术成为制约微流控芯片发展的一项技术瓶颈。
目前,常见的微流控芯片进样方式主要有:电动进样、压力进样。
电动进样是在液体样品(包括缓冲液、电泳液)的入、出口两端,施加电场,以液体在电场的迁移特性为驱动力,起到移动,并分离的作用。
由于目前的微流控芯片加工技术限制,微流体通道尺寸微小(小于100微米),芯片的结构尽量要设计得简单。样品试液与背景缓冲液混合后,需要匀速流动经过检测器部分,能够在简单的芯片结构上实现这个要求的,大多微流控芯片分析技术都采用了电动进样。
这种进样方式优点是:芯片卡上的结构简单。但是缺点非常明显:因为芯片上液体依靠外加高压电场(几百至数千伏特)驱动,就离不开特殊供电设备。致使芯片固然是小巧了,但附加设备却复杂了,整套微流控分析设备变得体积较大,这就很不适合现场检测技术的便携、微型化的要求,违背微流控分析技术的初衷。难以适用于现场实时检测。而且,由于驱动电场和样品电泳分离电场共用相同的通道,如图1所示,以现在的非接触电容耦合电导检测(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection简称C4D)微流控芯片主要采用的电动进样方式示例。采用电动进样时,驱动电场施加于反应液流动两端,对本身有电性物质的样品检测,会影响分离效果,甚至产生严重干扰。致使电动进样方式对于某些样品是不适用的,这就大大限制了电动进样的方法应用范围。
压力进样,是在液体入口路径上的某一处,由连续可控加压装置,施加压力或产生压力差为样品进入通道反应的驱动力。而压力进样方式可以分为:压力自动进样、手动进样。压力自动进样包括:微流泵进样、压电泵、微阀进样等。最成熟,应用最广泛的是临床检验的自动化生化分析仪的进样***。压力自动进样,自动化程度、效率高,可连续在线完成检测任务。是高级分析技术的首先。但是这类进样方式也有其缺点限制:需要相应的附属设备, 如:蠕动泵、蠕动管、压电泵与膜等,增加了***实现成本。往往设备复杂,体积相对较大,制造成本高、能耗高。所以,微流泵(微阀)压力连续自动进样方式,虽然不干扰反应,自动化控制程度很高,也仍然不能以简便可靠的工作方式,廉价的制造成本,满足各种现场环境的微分析要求。
手动进样一般特征,是由实验者来控制,分步操作,手动完成,随时添加、抽压。目前,手动进样的设计多为:储液池静压力差(包括垂直重力落差)、通道界面双侧浓差压、出口吸负压等方法。这类进样方式(方法),虽简陋,自动化连续作业程度稍差,但其在性价比、使用灵活性上却大有优势。何时、如何采用,都可以自主组合配置,自由灵活,实现容易,尤其适于野外现场检测。甚至可能是微流控芯片进样技术的,唯一实用轻量级解决方案。只是目前现有手动简易进样方式:负压、静压、气泵、蠕动泵等,设计构思创新性受限,可控性差水平不够,进样性能不够实用要求,难于用于实验室之外真正的现场检测。
发明内容
本实用新型在综合性考虑,上述现有的微流控芯片电动进样、压力自动进样、手动负压进样等方式优缺点之后,对微流控芯片手动进样方式,进行了创新性设计。利用手动缓慢地产生空气压力为驱动力,在芯片内部设一定空间形状缓冲区空腔,不仅可以容许空气压力由此产生、注入,而且可以容留一定量的数种反应液体暂时停留,使其预先混合、反应,芯片上的反应何时进行,由实验者来控制决定。本实用新型设计的微流控芯片手动混合进样方法新颖实用,不需要复杂的高电压驱动,无泵、无阀,设备结构简单,性能可靠,容易实施。
本实用新型的技术方案如下:
一种微流控芯片手动空气压力进样装置,在微流控芯片卡内设置具有空间形状的空腔为缓冲区(11);空腔在芯片内封闭设置,缓冲区(11)上方设置有加样口(12);缓冲区(11)内侧壁设置有与芯片上微通道(13)相连的废液出口(14)。
所述的上方的加样口(12)与通用注射器针头接合外径相等,使注射器活塞以内的气体密闭。
注射器活塞侧位设置开通孔(19),内部为锥形结构,内设置有塑料小球,成为空气单向阀。
利用微制造技术,在有机玻璃或聚碳酸酯、PVC塑料等材料板卡上,加工内封闭,相互连通的缓冲储液空腔、微通道结构。用空气压力施加于液流一端,充当驱动力,完成检测时对液体匀速流过检测器的需求。
如图2所示虚线部分11,在微流控芯片卡上,内设一定空间形状的空腔为空压与缓冲(混合)的区域。空腔为芯片内封闭结构,仅有上方与右内侧壁与芯片上微通道相连的两个开口。上方的开口为内径标准的加样口,如图2所示的12,此开口内径尺寸与通用注射器针头接头外径相吻合,以备加空压的器件(注射器或压力泵等)密封吻合。空腔的右侧壁是与微通道相通的开口,经微通道13,与废液出口14相连通,如图2所示。
实用新型的原理及理论依据
本实用新型设计原理,是利用简易器件(如不带针头的医用注射器)抽吸空气后,在微流控液体通路一端接合,密封,手动向微流控芯片卡上内置的空腔,注入空气,产生空压(空气压力)为驱动力,迫使芯片上位于通道中的液体,向有与微通道相连的另一个侧开较小的口,即废液出口方向移动,如图4中,空腔与微通道内的虚箭头所指方向。
由于某一定的微流控通路液体,产生的移动阻力负荷P(F阻/S阻)是固定的,而在注射器与微流控芯片接口处内截面面积S阻与产生空压的注射器接触内界面面积S相等(共截面),所以,微通道中液体移动速度可由外施加的空气压力大小F(F/F阻)来决定,并可得到适当控制,如图4。对于C4D、MCE微流控芯片的检测,只需要维持数十秒的稳定流速经过检测器部分,就可以完成信号检测。所以说,手动控制的空压驱动方式,对微流控芯片的液体流速稳定要求,是完全可以满足的。
检测时,需要反应的多种检测试液,由加样口12,多次加入到缓冲区11内,如图3所示。稍置,反应、混合。再由注射器等器件,抽吸数毫升空气,***加样口,使接口处吻合不漏气,将空压缓缓注入缓冲区11空腔内,在空气压力下,空腔内反应液体向低压的微通道出口方向流动,到达检测区域,最后到达废液出口溢出,压力泄出,如图4所示。19部位为空气单通阀作用的圆球,这样可以多次对混合缓冲空腔内的液体施加空气压力,保持微通道内反应液连续流动。由单向吸气后密闭,特制加空压注射器与缓冲区空腔共同组成一个手动空气泵,可以连续产生,施加空气压力。
本实用新型的手动混合进样方式,性价比高、简便实用,是微流控芯片最佳轻量级进样方案之一,尤其适用于野外现场检测分析。
优点:减少样需要设置的反应通道数,简化了芯片设置的复杂程度。缓冲区(舱)具有样品混合、预反应、提供空压驱动力等多种功能。与以往已有的手动压力进样,相比优点显著。
1、本实用新型的手动混合进样技术,巧妙地使进样与驱动的构造、功用都可以共用,精简了微流控芯片制造结构。还可以广泛地与各种检测装置(检测器)结合使用,即使应用于MCE微流控芯片上,结构上也比通用的电动进样方式,减少一对电极,有了相当大的精简,如图5。省去了微流控芯片为驱动的高压电源附属设备,大大降低微流控芯片加工制造复杂程度,降低成本。
2、可以允许多种反应试样,同时加在缓冲区,混合停留,并预先反应,根据不同反应情况,可随时手动加压让通道中的液体移动、检测,不受时间和空间的限制。这是其他进样方式不能做到的。
3、由于该进样方式不需要电场驱动,取消或减少了电极,不干扰样品试液,对检测效果不影响。解决了电动进样对检测样品的干扰问题。扩大了手动进样的适用范围,也增强微流控检测技术方法对不同电性样品检测适应性。
4、采取压力,微通路中无外加电场,对检测对象物质的电性不需要限制,相应扩大了检测样品的种类范围。
5、与目前的主流电动进样方式相比,减少了2个通道入口和2个驱动电极。大大简化了进样结构,实施简便,容易。非常利于该技术普及应用推广。
6、本实用新型的微流控芯片手动空气压力进样技术,可以广泛地在各种微流控芯片检测装置上应用,具有较好的通用性。
附图说明
图1:为目前C4D、MCE微流控芯片主要采用的高压电动进样方式示意图。
图2:为本发明设计的微流控芯片手动混合进样方式装置。
图3:加样器加入多种试液示意图。
图4:微流控芯片手动空气压力进样装置。
图5:本发明手动混合进样方式在MCE微流控芯片上的应用示意图。
图6:本发明的手动进样方式,完成的K+、Mg2+两种离子检测的时间电流图谱。
图5中的1、7为样品液驱动电极1,2为样品液入口,3为缓冲液入口,4、10为缓冲液驱动电极,5为电导检测电极,6为检测废液出口,8为微流控芯片的微通道,图1中的9为常见的电动进样微流控芯片的缓冲液出口;图2、图3、图4中的虚线立方体均为微流控芯片板卡体内部的缓冲区(11),此区外部视图不可见。加样口12功能是作为反应液加入与施加空气压力器械的接口用。13为微流控芯片的内部微通道。14为检测废液出口。15为电导检测电极。16为加液器。17是为给空腔施加空气压力的器件。图4中19处黑线方块部分所示,为侧开通孔,内部为锥形结构,两端孔径大小不一,内有塑料小球,小球往右运动空气无阻力,往左运动,封闭堵塞左侧小孔,此部分为空气单向阀。18箭头方向为空气压力驱动下微通道中液体的流向。20为MCE微流控芯片分离电极。21为进样及空气压力加压口。22为微流控芯片的微通道。图5中小实心矩形23为可以加设的MCE微流控芯片的分离电极,彰显了手动压力进样与不同的检测分离方式组合使用的灵活性。24、25为分置微通道两侧的信号源及检测器。
图6:以本发明的手动进样方式,完成的K+、Mg2+两种离子检测的时间电流图谱,可以从图的特征峰型区别出来这两种离子。条件是,激励电压180V,频率f为200kHz,时间段截取加样后的约10秒内有特征峰的图谱段。背景液是0.1M的MES-His(氨基磺酸氨-组氨酸),缓冲液HAc为pH5.0。
具体实施方式
如图2所示,在微流控芯片(一般采用透明、相对绝缘的有机玻璃与聚碳酸酯材料,加工成卡板形状)内部,利用激光钻直孔,加工微通道(目前,微流控芯片上的微通道直径一般在1-1000nm内)。再通过铣孔设置一个具有一定空间体积(圆柱或立方槽)的进样缓冲区(舱)。此区进口为顶部的内圆孔,出口是与微流控芯片微通道相通的微口。该区域既是各种试液均匀混合的场合,混合,又是预反应的容器,同时可以使反应溶液在该区域停留静置,便于人为干预,掌握反应、检测时机。该区域还是产生空压的空气压缩容器。该区同时集成了加样、预反应、空压驱动的多种作用功能。
进样压力与速度,手动操作下,就可以使微通道内的反应试液,在短时间内(数十秒内),保持亚匀速移动,这个时间足以满足大多数芯片检测器要求停留的时间。
如图3所示,本实用新型进样使用方法具体实施如下:
1、在C4D微流控芯片上使用步骤:
①如图3用移液器将反应所需的各种微量液体,通过加样口12(也从此口施加空气压力),滴加入微流控芯片卡上内置空腔(即预反应、混合区)。进行预先停留反应,等待随时加压,移动向废液出口方向。
②如图4,抽动注射器活塞,用施加空气压力的注射器接头出口,***芯片上的加样口12,吻合,形成密封。推动活塞,形成空气压强P,在P的作用下,空腔内的样品液体缓缓向右侧,如箭头所指方向,经过检测电极,向废液出口流动。
③上述操作前,启动电导信号发生、检测装置。当微通道内的反应液流过检测电极,数秒后即可完成检测。
2、由于本实用新型的微流控芯片手动空气压力进样技术,可以与各种检测装置(检测器),广泛结合使用。所以具体操作使用,本实用新型加样技术基本与使用何种检测器、检测装置无关。
本处再举一例,如图5,是利用本实用新型设计原理(手动空气压力驱动液体流动),在MCE(Microchip Capillary Electrophoresis,芯片毛细管电泳)微流控芯片上的实施应用示例。使用步骤基本与上1类似。
如图5,在芯片卡的设计上,取消了以往常见MCE微流控芯片中的缓冲液驱动电极,将一个分离电极20设置在缓冲混合区的内左侧壁,另一个,设置在如图5中的23位置。检测时,可以预先或途中手动从加样口12加稍微过量的缓冲液。在分离电极的高压电场(100-600V)下,可以在数分钟内,维持混合均匀状态,由微通道内向右方向移动(读者面向正视图的情况下),完成检测,速度和稳定时间均满足检测要求:20s内,0.8ml,液体流过检测器,到达废液出口。
实施例1
采用本实用新型的微流控芯片手动混合简易压力进样方法,已成功实施对水样中K+、Mg2+离子与背景缓冲液乙磺酸(MES)-组氨酸(His)的分离,和C4D的检测。
检测原理是利用用背景缓冲液乙磺酸(MES)-组氨酸(His)的分离与被分离、检测的K+、Mg2+离子,在注射器的空气压力驱动下,缓慢(约1mm/s)流过如图2中电导检测电极15时,测得的连续电流变化波形特征,测得液体样中K+、Mg2+存在的特征电导信号。
检测试验实施的装置条件:MES:His比例1:0.9,pH值<6.5,浓度为15mmol/L。C4D激励信号为连续正弦波100Hz,电压5V,由DG1022型普源信号发生器1台,来完成。如图2所示有机玻璃材料(PMMA)加工制成的微流控芯片一块,10ml普通塑料注射器一支。C4D的电导信号检测,由TDS1012C-SC型示波器完成。
检测时,如图3,用移液器加入0.5ml的MES-His(1:0.9,15mmol/L,pH在6.0~7.5)缓冲液,加入被测水样0.3ml,静置停留约4分钟。将10ml医用注射器,吸空气到5ml。将注射器,取下针头,再将注射器出口部位***与图4中微流控芯片的进样接口处,使其吻合、密闭。缓慢推动注射器活塞,使缓冲区空腔内液体,向检测电极所在方向流去。启动C4D检测的电导信号,并用示波器检测接收到的信号。
实验结果显示:在8s内,仅有背景缓冲液情况下,即样品空白试验,示波器测得的基线正弦波比较稳定。在样品检测时,加入同时含0.1μmol/L的K+、Mg2+0.2ml,结果,K+、Mg2+的峰形尖锐明显,峰值比基线值高出1.5倍和1倍之多,由峰形区别可以明显分辨两种离子。如图6。
Claims (3)
1.一种微流控芯片手动空气压力进样装置,其特征是在微流控芯片卡内设置具有空间形状的空腔为缓冲区(11);空腔在芯片内封闭设置,缓冲区(11)上方设置有加样口(12);缓冲区(11)内侧壁设置有与芯片上微通道(13)相连的废液出口(14)。
2.如权利要求1所述的装置,其特征是所述的上方的加样口(12)与通用注射器针头接合外径相等,使注射器活塞以内的气体密闭。
3.如权利要求1所述的装置,其特征是注射器活塞侧位设置开通孔(19),内部为锥形结构,内设置有塑料小球,成为空气单向阀。
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