一种微流控芯片及其应用的制作方法

本发明涉及微流控
技术领域：
，特别是一种微流控芯片上的多并行反应通道样品自动投放及阶梯式浓度控制装置及方法。
背景技术：
：离心力驱动的微流控芯片，是利用微流控芯片在做圆周运动时所产生的离心力作为液流的驱动力，通过改变芯片旋转速度和设计不同的通道构型来调节和控制流体的动态特性。离心力驱动是微流控驱动技术中较为独特的一种技术，与其他微流体驱动方式相比它具有加工方便、成本低，集成度高、高通量、流体流动无脉动等优势。离心力驱动范围广，整个芯片上都可同时进行驱动，驱动实现简单，不需要额外的泵浦，甚至可以直接利用已有的光盘机。微流控分析技术通过微加工技术将微阀、微通道、微反应室、微泵等功能元器件像集成电路一样集成在芯片材料上，配合光学检测、电化学检测技术，可实现在细胞、分子水平的检测，又因其在材料及试剂的低耗、原位分析、快速实时等优越性，在化学、生物领域中应用越来越广泛。在离心力驱动的微流控芯片上需要实现不同液体特定浓度的混合，来进行实验及特性测量时，现有解决方案要么采用人工配置，耗时长效率低；要么购买已配好溶液，成本高；要么在芯片运行一个步骤后中断实验，重新加样后运行下一个步骤，以实现以上功能。且采用人工投放样品，操作复杂，容易引入误差，成本高。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足而设计的。可以在不间断实验的情况下，在同一个微流控芯片内实现n(n≥1)种液体的定量混合，并借助检测设备对混合物进行检测的方法。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本发明提供的一种在同一个微流控芯片内实现n(n≥1)种液体的定量混合的微流控芯片，包括芯片体、螺旋通道、样品室、废液室、计量室、微阀、微流通道、混液室；为了便于描述，以同一条从芯片体中心指向边缘的半径线作为参照，将相对靠近芯片体中心的位置称为近心侧，相对远离芯片体中心的位置称为远心侧，所述芯片体上设置n条螺旋通道，n为大于等于1的整数，所述n条螺旋通道在芯片体上依次间隔分布，每条螺旋通道从靠近芯片体中心位置起始，螺旋延伸至靠近芯片体边缘位置终止，起始端设置有样品室，终止端设置有废液室，沿着螺旋通道外缘间隔布局有计量室，计量室近心侧与螺旋通道相通，计量室远心侧连接有微阀，微阀开口于其远心侧的螺旋通道，最外侧螺旋通道的计量室的远心侧依次设置微阀和微流通道，微流通道远心侧设置混液室。通过对样品室、螺旋通道、计量室、微阀、混液室和废液池等的设计，调节装置受到的离心力大小使得样品室里的样品进入对应的螺旋通道，并通过对转动平台的速率大小的调节来控制微流控芯片上的液体样品的流动状态，使样品在离心力作用下，进入并充满计量室，多余液体流入废液池，然后在毛细管微阀结构控制下，以“从外层螺旋通道的计量室到内层螺旋通道的计量室”的顺序，依次进入混液室。通过对计量室的尺寸设计，控制进入混液室的体积；通过对微阀的设计，实现样品进入混液室的次序。如此，可将浓度不同的溶液集成在芯片上，实现多并行反应通道的样品自动投放及特定浓度控制的目的。结构简单，操作方便。微流控芯片上设置的n条螺旋通道，n也可为大于等于2的整数。且螺旋通道的条数n，最大可增加至因所述微流芯片的体积所限不能再增加为止。作为本发明的微流控芯片的进一步优化的方案，螺旋通道、样品室、废液室上可设置通气孔。本明发提供的微流控芯片上，由外向内不同的螺旋通道的微阀，可以通过对其阀值的设计，达到使流体按需要的顺序移动进入外侧的量液室或混液室中。如：可以设计成各微阀的阻力从远心侧向近心侧的各微阀，其阈值逐渐增大，以使微流芯片旋转速率变大时，实现远心端的微阀先于近心端微阀打开，以使微流芯片旋转速率变大时，实现近心侧量液室中的液体依次进入远心侧螺旋通道的量液室中。通过对量液室的容积根据需要设置，可以实现不同液体在混液室中以需要的比例混合。本发明提供的微流控芯片的附图虽然均为圆形，但芯片的形状可以根据需要设计成如正方形、椭圆形、长方形、三角形等一切转动平台上可接受的几何形状(包括不对称的几何图形)。需要实现n种液体定量混合，并借助检测设备对混合物进行检测时，可以按以下步骤操作：(1)在具有n条螺旋通道的微流控芯片的样品室中分别加入待混合液体；(2)将所述微流芯片放置在旋转平台上，使微流控芯片旋转，液体进入螺旋通道，并依次装满位于螺旋通道远心侧的多个计量室，多余液体进入位于螺旋通道终止端的废液室；(3)逐渐加快微流控芯片的旋转速率，使计量室中的液体以“最远心侧螺旋通道的计量室中的液体最先，最近心侧螺旋通道的计量室中的液体最后”的由外向内的顺序，依次进入混液室，多余液体进入废液室中；(6)各液体在混液室中完成混合及反应，使用检测设备对混液室中的液体进行检测。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明是基于转动平台上的微流控芯片装置，通过改变转动平台的转动速度，控制液体样品在螺旋通道内的流动状态，控制液体进入并充满计量室，并通过调节微阀的开闭来控制液体样品从外到内依次进入混液室。通过对计量室及微阀的尺寸结构设计，实现多种样品的自动投放及浓度呈阶梯式变化的溶液。对应结构的具体尺寸可根据应用实验对象、操作样品的不同来进行调节，以适应不同类型的实验操作。本发明实现了多并行反应通道样品自动投放及特定浓度的控制，并且不同浓度的溶液所在的混液室分布在一块微流控芯片上，可利用检测装置同时检测。结构简单且操作方便。螺旋通道的轨迹，可以通过多种轨迹方程获得，比如，螺旋通道的轨迹(X，Y)参数方程可以为：Xt＝r+R*t/2*π*cos(t)Yt＝r+R*t/2*π*sin(t)t为该点轨迹与X轴间的弧度角，r为螺旋通道起始点与芯片中心的距离，(r+R)为螺旋通道终止点与芯片中心的距离。附图说明图1是本发明中微流控芯片上螺旋通道的条数“n”值为1时，微流控芯片的示意图。图2是本发明中微流控芯片上螺旋通道的条数“n”值为1时，微流控芯片的俯视图。图3是本发明中微流控芯片上螺旋通道的条数“n”值为2时，微流控芯片的示意图。图4是本发明中微流控芯片上螺旋通道的条数“n”值为3时，微流控芯片的示意图。图5是本发明中微流控芯片上螺旋通道的条数“n”值为4时，微流控芯片的示意图。图6是本发明中微流控芯片上螺旋通道的条数“n”值为4时，微流控芯片上涉及局部螺旋通道、量液室、微阀、微流通道、混液室的局部局部放大图。附图标记：1-芯片体，2-样品室，3-计量室，4-螺旋通道，5-微阀，6-微流通道，7-混液室，8-废液室，9-电机，10-通气孔，11-主轴。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明：如图1、图2所示，是本发明的一种微流控芯片，芯片体上设置1条螺旋通道，及相应的样品室、螺旋通道、废液室、计量室、微阀、微流通道和混液室。样品室位于靠近芯片中心的位置，废液室位于靠近芯片边缘位置，所述螺旋通道具有近心端和远心端，近心端与样品室相通，远心端与废液池相通，多个计量室沿着螺旋通道分布于螺旋通道外侧，并与螺旋通道相通，每个计量室外侧连接有一个微阀；微流通道分别开口于对应的混液室。将液体加入到样品室，使用旋转设备使芯片旋转，样品沿螺旋通道移动，进入计量室中，调节芯片旋转速度，使样品样品室中，调节芯片转动速率，使得样品进入螺旋通道，然后在离心力的作用下，样品分别进入10个计量室中，此时毛细管微阀处于关闭状态，样品无法从计量室中流出，故会瞬间填充满计量室，多余样品进入废液室中；增大芯片转速，使样品分别进入10个混液室。预先设置微阀的阻力，以及计量室的尺寸，微阀控制样品进入混液室的次序，计量室的尺寸控制样品进入混液室的体积，可实现样品间不同比例的配比。由于芯片结构内会存留空气，螺旋通道内径很小时，需设计通气孔，通气孔位置和数量可根据具体的应用实验场景来进行调整。图3所示，是本发明的一种微流控芯片，芯片体上设置2条螺旋通道，及相应的样品室、螺旋通道、废液室、计量室、微阀、微流通道和混液室。可实现2种样品的自动投放及特定浓度的控制。具体操作过程如下，将两种样品(样品A、样品B)先加入2个样品室中(为了描述方便，这里将加样品A的螺旋通道称为螺旋通道A，加样品B的螺旋通道称为螺旋通道B)，调节微液控芯片转动的速度，使得样品A和样品B分别进入对应的螺旋通道中，然后在离心力的作用下，两种样品分别进入对应螺旋通道外侧的计量室中，此时，螺旋通道的毛细管微阀处于关闭状态，样品无法从计量室中流出，故会瞬间填充满计量室，多余样品进入废液室中。外侧螺旋通道的微阀相较于内侧螺旋通道的微阀距芯片中心更远，故所受离心力更大，会先于内侧螺旋通道的微阀开启。增大微流芯片的转速，使得外侧螺旋通道的微阀处于打开状态，内侧螺旋通道的微阀处于关闭状态，则外侧螺旋通道的计量室中样品会通过微阀经过微流通道进入混液室；继续增大电机转速，使得内侧螺旋通道的微阀打开，内侧螺旋通道的计量室中的样品会通过微阀，并在离心力的作用下，瞬间通过外侧螺旋通道的计量室、微阀、微流通道，进入混液室。在此过程中，微阀控制样品进入混液室的次序，计量室的尺寸控制样品进入混液室的体积，可实现样品间不同比例的配比。表1微流控芯片体上设置2条螺旋通道，以实现2种液体的10种配比螺旋通道A上10个计量室的容积(微升)67891012345螺旋通道B上10个计量室的容积(微升)1513111719161113148混液室中混合液的A∶B(体积比)6/157/138/119/1710/191/62/113/134/145/8此外，可采取其他操作方案，如可将液体同时放在样品室中，通过改变样品室的结构及与螺旋通道的接触角，实现不同速度选择不同样品室内的样品进入螺旋通道的目的。由于液体在转动过程中始终受到的离心力的作用，使得只需根据适用液体种类及需求的不同来进行速度的调节，计量室尺寸、微阀尺寸及结构通道尺寸的设计，计量室及混液室数量的调整，便可实现两种样品的自动投放及溶液浓度呈阶梯式的变化。图4是本发明的一种微流控芯片，芯片体上设置3条螺旋通道，及相应的样品室、螺旋通道、废液室、计量室、微阀、微流通道和混液室。可实现3种样品的自动投放及特定浓度的控制。具体操作过程如下，将两种样品(样品A、样品B、样品C)先放入3个样品室中(为了描述方便，这里将加样品A的螺旋通道称为螺旋通道A，加样品B的螺旋通道称为螺旋通道B，加样品C的螺旋通道称为螺旋通道C)。调节微液控芯片转动的速度，使得样品A、样品B和样品C分别进入对应的螺旋通道中，然后在离心力的作用下，3种样品分别进入对应螺旋通道外侧的计量室中，此时，螺旋通道的毛细管微阀处于关闭状态，样品无法从计量室中流出，故会瞬间填充满计量室，多余样品进入废液室中。外侧螺旋通道的微阀相较于其内侧各螺旋通道的微阀距芯片中心更远，故所受离心力更大，会先于其内侧螺旋通道的微阀开启。增大微流芯片的转速，使得最外侧螺旋通道的微阀处于打开状态，其内侧所有螺旋通道的微阀处于关闭状态，则最外侧螺旋通道的计量室中样品会通过微阀经过微流通道进入混液室；继续增大电机转速，使得其内侧螺旋通道的微阀依次打开，内侧螺旋通道的计量室中的样品会通过微阀，并在离心力的作用下，瞬间通过相对外侧螺旋通道的计量室、微阀，进入相对外侧的螺旋通道的计量室，并最终经过微流通道进入混液室。在此过程中，微阀控制样品进入混液室的次序，计量室的尺寸控制样品进入混液室的体积，可实现样品间不同比例的配比。表2微流控芯片体上设置3条螺旋通道，以实现3种液体的9种配比螺旋通道A上9个计量室的容积(微升)6789101234螺旋通道B上9个计量室的容积(微升)8109131579813螺旋通道C上9个计量室的容积(微升)11141213177111317混液室中混合液的A∶B∶C(体积比)6/8/117/10/148/9/129/13/1310/15/171/7/72/9/113/8/134/13/17图5是本发明的一种微流控芯片，芯片体上设置4条螺旋通道，及相应的样品室、螺旋通道、废液室、计量室、微阀、微流通道和混液室。可实现4种样品的自动投放及特定浓度的控制。具体操作过程如下，将两种样品(样品A、样品B、样品C、样品D)先放入4个样品室中(为了描述方便，这里将加样品A的螺旋通道称为螺旋通道A，加样品B的螺旋通道称为螺旋通道B，加样品C的螺旋通道称为螺旋通道C，加样品D的螺旋通道称为螺旋通道D)。调节微液控芯片转动的速度，使得样品A、样品B、样品C和样品D分别进入对应的螺旋通道中，然后在离心力的作用下，4种样品分别进入对应螺旋通道外侧的计量室中，此时，螺旋通道的毛细管微阀处于关闭状态，样品无法从计量室中流出，故会瞬间填充满计量室，多余样品进入废液室中。相对外侧螺旋通道的微阀相较于其内侧各螺旋通道的微阀距芯片中心更远，故所受离心力更大，会先于其内侧螺旋通道的微阀开启。增大微流芯片的转速，使得最外侧螺旋通道的微阀处于打开状态，其内侧所有螺旋通道的微阀处于关闭状态，则最外侧螺旋通道的计量室中样品会通过微阀经过微流通道进入混液室；继续增大电机转速，使得其内侧螺旋通道的微阀依次打开，内侧螺旋通道的计量室中的样品会依次通过微阀，并在离心力的作用下，通过相对外侧螺旋通道的计量室、微阀，进入相对外侧的螺旋通道的计量室，并最终经过微流通道进入混液室。在此过程中，微阀控制样品进入混液室的次序，计量室的尺寸控制样品进入混液室的体积，可实现样品间不同比例的配比。表3微流控芯片体上设置4条螺旋通道，以实现4种液体的9种配比以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3