微流控混合芯片、混合装置与生物检测系统的制作方法

1.本实用新型涉及生物检测领域，尤其涉及一种微流控混合芯片、混合装置与生物检测系统。


背景技术：

2.在各种生物检测场景中，需要将两种或多种液体进行等量或不等量地混合，并在混合后进行进一步反应。其中，在一些生物实验，需要将两种液体进行即时、均匀地混合，再将均匀混合后的试剂等量分配做大量多组实验。例如：将血液样本(抗原)和标记抗体混合后，可得到检测样品。
3.本领域中，可采用微流控混合芯片中的混合通道实现两种液体的混合，两种液体在进入到混合通道后，在沿混合通道流至出口的过程中将沿高度方向发生上下的起伏波动，进而通过流动时的起伏波动实现混合。
4.然而，现有相关技术中，两种液体的进口位于同一高度位置，流体在进入混合通道时，对液体混合所起到的帮助作用极其有限，进而，混合通道的混合效率不高。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种微流控混合芯片、混合装置与生物检测系统，以解决混合效率不高的问题。
6.根据本实用新型的第一方面，提供了微流控混合芯片，包括芯片主体，所述芯片主体内设有第一进液通道、第二进液通道与混合通道；所述混合通道包括互相连接的入口段与主体段；
7.所述第一进液通道的出口连接所述入口段的第一通道壁，所述第二进液通道的出口连接所述入口段的第二通道壁；
8.所述主体段形成了连续的起伏；以所述主体段的起伏方向为高度方向，所述第一通道壁与所述第二通道壁处于不同的高度。
9.可选的，以平行于所述高度方向与所述混合通道导流方向的平面为投影面，所述主体段第一侧的表面为沿所述高度方向起伏的第一起伏表面，所述主体段第二侧的表面为沿所述高度方向起伏的第二起伏表面；所述主体段的第一侧与第二侧为沿所述高度方向相对的两侧；
10.所述第一起伏表面与所述第二起伏表面的形状相同。
11.可选的，所述第一起伏表面具有沿所述混合通道导流方向分布的多个阶梯单元，每个阶梯单元均包括凸部与凹部，各阶梯单元的形状相同。
12.可选的，以平行于所述高度方向与所述混合通道导流方向的剖面为所述主体段的纵剖面，所述凸部与所述凹部在纵剖面的形状均呈矩形。
13.可选的，以平行于所述高度方向与所述混合通道导流方向的剖面为所述主体段的纵剖面，所述凹部在纵剖面的形状呈梯形或三角形，所述凸部在纵剖面的形状呈梯形或三
角形。
14.可选的，以垂直于所述入口段导流方向的截面为所述入口段的横截面，所述入口段的横截面形状呈多边形，所述第一通道壁与所述第二通道壁分别形成了所述多边形的两条边。
15.可选的，所述入口段的横截面形状呈矩形，所述第一通道壁与所述第二通道壁形成了所述矩形相邻的两条边。
16.可选的，所述芯片主体中还设有出口通道，所述出口通道包括多个出液分流通道，所述多个出液分流通道的入口均连通至所述混合通道的出口。
17.根据本实用新型的第二方面，提供了一种混合装置，包括第一方面及其可选方案涉及的微流控混合芯片，以及用于驱动第一液体进入所述第一进液通道的第一进液驱动部、用于驱动第二液体进入所述第二进液通道的第二进液驱动部。
18.根据本实用新型的第三方面，提供了一种生物检测系统，包括第二方面及其可选方案涉及的混合装置，以及光学检测装置，所述光学检测装置用于对所述混合装置输出的液体进行检测。
19.本实用新型提供的微流控混合芯片、混合装置与生物检测系统中，在混合通道的主体段沿高度方向起伏的情况下，由于混合通道入口段的两个通道壁位于不同高度，且两个进液通道的出口分别连接于该两个通道壁，两种液体进入混合通道的主体段时，两种液体可沿高度方向(或倾斜于高度方向的方向)分层，进而，高度方向的起伏可有针对性地将分层的液体混合，使一层的液体随起伏而冲击向到另一层，相较而言，若混合通道中两种液体的进口位于同一高度，液体进入通道后在横向(可理解为垂直于高度方向)分层，此时，起伏方向垂直于该横向，每一层的液体都不会直接因起伏而冲击向另一层，混合的效率较低，此时，为了实现充分混合，在流速、截面积等条件一定的情况下，就不得不采用较长的混合通道。可见，本实用新型可实现分层的两种液体之间在起伏过程中互相冲击，从而提升了混合的效率，达到了较佳的混合效果。
20.同时，在提升了混合效率之后，混合通道的必要长度(可理解为在流速、截面积等条件一定的情况下，实现充分混合的最短长度)也可缩短，还可有助于降低微流控混合芯片的尺寸。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本实用新型一实施例中微流控混合芯片的结构示意图；
23.图2是本实用新型一实施例中一种微流控混合芯片的局部结构示意图；
24.图3是本实用新型一实施例中另一种微流控混合芯片的局部结构示意图；
25.图4是本实用新型一实施例中又一种微流控混合芯片的局部结构示意图；
26.图5是本实用新型一实施例中再一种微流控混合芯片的局部结构示意图；
27.图6是本实用新型一实施例中的混合效果示意图；
28.图7是不同于本实用新型的一种方案的混合效果示意图；
29.图8是本实用新型一实施例中微流控混合芯片中液体流线的示意图；
30.图9是本实用新型一实施例中微流控混合芯片中液体流速分布的示意图；
31.图10是本实用新型一实施例中出口通道的结构示意图；
32.图11是本实用新型一实施例中生物检测系统的结构示意图。
33.附图标记说明：
34.1-微流控混合芯片；10-芯片本体；11-第一入口；12-第二入口；13-出口；14-混合通道；141-入口段；142-主体段；1421-阶梯单元；14211-凸部；14212-凹部；15-第一进液通道；16-第二进液通道；17-出口通道；171-出液分流通道；
35.2-后续装置；
36.3-第一进液驱动部；
37.4-第二进液驱动部。
具体实施方式
38.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.在本实用新型说明书的描述中，需要理解的是，术语“上部”、“下部”、“上端”、“下端”、“下表面”、“上表面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
40.在本实用新型说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
41.在本实用新型的描述中，“多个”的含义是多个，例如两个，三个，四个等，除非另有明确具体的限定。
42.在本实用新型说明书的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
43.下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
44.生物检测场景中，存在着多种需要实现两种液体混合的场景，本公开各实施例提供的微流控混合芯片、混合装置与生物检测系统可应用于其中任意一种应用场景，其中的微流控芯片可以接收到所需混合的两种液体(即第一液体与第二液体)，然后在微流控芯片中实现混合。
45.请参考图1至图5，微流控混合芯片1，包括芯片主体10，所述芯片主体10内设有第
一进液通道15、第二进液通道16与混合通道14；所述混合通道14包括互相连接的入口段141与主体段142。
46.其中的第一进液通道15，可理解为能够导入一种液体(例如第一液体)的通道，该第一进液通道15的入口可连接或作为芯片主体10的第二入口12；第一进液通道15的通道形状(即沿长度方向的形状)、截面形状、尺寸、长度等均可以根据需求而任意配置，均不脱离本实用新型实施例的范围。
47.其中的第二进液通道16，可理解为能够导入另一种液体(例如第二液体)的通道，该第二进液通道16的入口可连接或作为芯片主体10的第一入口11；第二进液通道16的通道形状(即沿长度方向的形状)、截面形状、尺寸、长度等均可以根据需求而任意配置，均不脱离本实用新型实施例的范围。
48.请参考图2至图5，所述第一进液通道15的出口连接所述入口段141的第一通道壁，所述第二进液通道16的出口连接所述入口段141的第二通道壁；
49.所述主体段142形成了连续的起伏；以所述主体段的起伏方向为高度方向(如图3示例)，所述第一通道壁与所述第二通道壁处于不同的高度。
50.其中的入口段141，可理解为用于连接第一进液通道15与第二进液通道16的一段通道段。
51.其中的主体段142，可理解为能够形成高度起伏的一段通道段。
52.此外，主体段142的出口可直接或间接连接芯片主体10的出口13，亦或作为芯片主体10的出口13。
53.在图示的举例中，入口段141可直接连接于主体段142，在其他举例中，也不排除两者之间还连接有其他通道段，从而实现间接连接的方案。
54.以上方案中，两种液体进入混合通道的主体段时，两种液体可沿高度方向(或倾斜于高度方向的方向)分层，进而，高度方向的起伏可有针对性地将分层的液体混合，使一层的液体随起伏而冲击向到另一层。
55.与之不同的，若混合通道中两种液体的进口位于同一高度，液体进入通道后在横向(可理解为垂直于高度方向)分层，此时，起伏方向垂直于该横向，每一层的液体都不会直接因起伏而冲击向另一层，混合的效率较低，此时，为了实现充分混合，在流速、截面积等条件一定的情况下，就不得不采用较长的混合通道。
56.针对于此，在图7与图6所示的举例效果中，图6中示意了图3所示结构的一种混合效果，图7示意了一种两种液体的进口位于同一高度的结构，在其他因素都类似的请下，图7中，液体进入后在横向形成分层，从图7所示的混合效果可见，要实现一定程度的充分混合至少需要3-4次起伏，而在图6所示的混合效果中，经过2次起伏后，就已基本上实现了较为充分混合。
57.具体的，图6与图7的混合效果是通过comsol软件模拟得到的，当两种液体的扩散系数为1e-20m2/s、密度为103kg/m3、动力粘度为1.308*10-3μ/pa*s时，法向流入速度为25mm/s时，图3所示的混合通道可以在如图6所示的2个循环内完成两种液体的混合。
58.参照图8与图9，图8中示意了图3所示结构下的液体流线，图9中示意了图3所示结构下的速度分布，其中，越接近混合通道中心线，速度越高，相同颜色表示相同的速度。
59.可见，本实用新型实施例的方案中，可实现分层的两种液体之间在起伏过程中互相冲击，从而提升了混合的效率，尽快地实现两种液体的充分混合。
60.同时，在提升了混合效率之后，混合通道的必要长度(可理解为在流速、截面积等条件一定的情况下，实现充分混合的最短长度)也可缩短，还可有助于降低微流控混合芯片的尺寸。
61.其中一种实施方式中，请参考图2至图5，所述主体段142第一侧的表面为沿所述高度方向起伏的第一起伏表面，所述主体段第二侧的表面为沿所述高度方向起伏的第二起伏表面；所述主体段的第一侧与第二侧为沿所述高度方向相对的两侧，即：第二起伏表面为与第一起伏表面相对的表面；所述第一起伏表面与所述第二起伏表面的形状相同。
62.其中的起伏表面，可理解为沿混合通道导流方向，形成连续起伏的表面。进而，通过第一起伏表面与第二起伏表面，可形成主体段内通道空间沿高低方向的起伏，进而使得液体在其中流动时可发生上下起伏，实现两种液体之间的混合。
63.此外，形成起伏的形状可以根据需求任意变化，各处起伏的幅度可以是相同的，也可能是不同的，即可实现上下均匀的起伏，也可以实现非均匀的起伏。
64.进一步的，请参考图2与图5，所述第一起伏表面具有沿所述混合通道导流方向分布的多个阶梯单元1421，每个阶梯单元1421均包括凸部14211与凹部14212，各阶梯单元的形状相同。
65.其中的凸部14211与凹部14212可理解为相对的概念，即：凹部14212可理解为形成于两个凸部14211之间的下凹表面，凸部14211可理解为形成于两个凹部14212之间的上凸表面，进而，只要相对于凹部14212呈凸起形状的表面，均可理解为凸部，相对于凸部14211呈下凹形状的表面，均可理解为凹面。
66.通过形状相同的阶梯单元，可保障沿混合通道导流方向形成较为均匀的起伏。
67.此外，在部分举例中，凸部与凹部的形状、尺寸可以相同，也可以不同，不同阶梯单元的尺寸、凹凸程度，可以相同，也可以不同，不论如何变化，均不脱离本实用新型实施例的范围。
68.一种举例中，请参考图3、图4与图5，以平行于所述高度方向与所述混合通道导流方向的剖面为所述主体段的纵剖面，所述凸部14211与所述凹部14212在纵剖面的形状均呈矩形。
69.其中的呈矩形，可理解为：具有呈匚字形依次互相垂直连接的三条直线边缘，也可理解为：纵剖面中对应的线条呈开环，且由三条直线依次连接而成，若利用一条直线连接该线条的两端时，可形成一个四边形，且该四边形为矩形。
70.另一种举例中，请参考图2，以平行于所述高度方向与所述混合通道导流方向的剖面为所述主体段的纵剖面，所述凹部14212在纵剖面的形状呈梯形，所述凸部14211在纵剖面的形状呈三角形；
71.在未图示的一种举例中，所述凹部14212在纵剖面的形状呈三角形，所述凸部14211在纵剖面的形状也呈三角形；
72.在未图示的另一种举例中，所述凹部14212在纵剖面的形状呈梯形，所述凸部14211在纵剖面的形状也呈梯形；
73.在未图示的另一种举例中，所述凹部14212在纵剖面的形状呈三角形，所述凸部
14211在纵剖面的形状也呈梯形。
74.其中的呈梯形，可理解为：具有呈匚字形依次连接的三条直线，且互相不垂直，也可理解为：纵剖面中对应的线条呈开环，且由三条直线依次连接而成，若利用一条直线连接该线条的两端，可形成一个四边形，且该四边形为梯形。
75.其中的呈三角形，可理解为：具有呈v字形连接的两条直线，也可理解为：纵剖面中对应的线条呈开环，且由两条直线连接而成，若利用一条直线连接该线条的两端，可形成一个三角形。
76.以上方案中，凹部、凸部在纵剖面的线条均为直线，可实现不同层液体之间充分的冲击流动，保障混合效果。
77.在其他未图示的举例中，凸部、凹部在纵剖面的线条也可能包含弧线、曲线，进而，凸部、凹部在纵剖面的线条可能仅包含直线条，也可能仅包含弧线，还可能既包含直线又包含弧线。所呈形成可能是规则的形状也可能是不规则的异型形状。
78.与第一起伏表面相对应的，第二起伏表面自然也可包含其阶梯单元，具体的实现方式可参照第一起伏表面理解。
79.此外，连接于第一起伏表面与第二起伏表面的侧面可以为如图所示的平面，也可能为曲面或其他形状的表面。
80.其中一种实施方式中，请参考图2至图5，以垂直于所述入口段141导流方向(可参照图中混合通道导流方向理解)的截面为所述入口段141的横截面，所述入口段141的横截面形状呈多边形，所述第一通道壁与所述第二通道壁分别形成了所述多边形的两条边。
81.以上方案中，可保障第一通道壁与第二通道壁并未处于同一表面，进而，可避免两个通道壁进入的液体进朝向同一方向进入，两个通道壁进入的液体可具有互相冲击的效果，进一步提高混合效率。同时，本实用新型实施例也不排除第一通道壁与第二通道壁共面的情形。
82.此外，在未图示的举例中，入口段141的横截面也可能呈圆形或具有圆弧边缘。以呈圆形为例，第一通道壁与第二通道壁可例如为不同弧度范围的通道壁
83.在图2至图5所示的举例中，所述入口段141的横截面形状呈矩形，其他未图示的举例中，所述入口段141的横截面也可能呈三角形、五边形、六边形，或其他任意规则或不规则的多边形。
84.在图2、图3与图5所示的举例中，所述第一通道壁与所述第二通道壁形成了所述矩形相邻的两条边。进而，可有助于避免因液体的直接对冲而过度减缓液体流速。
85.与之不同的，在图4所示的举例中，所述第一通道壁与第二通道壁形成了所述矩形相对的两条边。
86.此外，为避免液体的直接对冲而减缓流速，以图5所示为例，沿主体段142的导流方向，第一进液通道15的出口与第二进液通道16的出口可错位分布。
87.其中一种实施方式中，所述芯片主体10中还设有出口通道17，所述出口通道17包括多个出液分流通道171，所述多个出液分流通道171的入口均连通至所述混合通道的出口。
88.与之对应的，每个出液分流通道171的出口均连接或作为芯片主体10的一个出口。
89.进而，以上方案中，可通过混合后液体的分流匹配各种对混合后液体的需求，例如
满足后续反应、检测的需求。
90.其中，各出液分流通道171的尺寸可以是相同的，从而实现均匀地分流出液
91.请参考图11，本实用新型实施例还提供了一种混合装置，包括以上方案所提及的微流控混合芯片1，以及第一进液驱动部3、第二进液驱动部4。
92.所述第一进液驱动部3用于驱动第一液体进入所述第一进液通道15；所述第二进液驱动部4用于驱动第二液体进入所述第二进液通道16。
93.例如：第一液体可在第一进液驱动部3的驱动下进入第一入口11，然后进入到第一进液通道15，进而经第一进液通道15进入混合通道14；第二液体可在第二进液驱动部4的驱动下进入第二进液通道16，进而经第二进液通道16进入混合通道14。
94.微流控混合芯片1的出口可连接后续装置2，进而在后续装置2中实现进一步的反应、检测。
95.其中，第一进液驱动部3与第二进液驱动部4可例如为进液泵。后续装置2可例如废液收集装置、检测装置(例如光学检测装置)、转向阀。
96.本实用新型实施例还提供了一种生物检测系统，包括以上所提及的混合装置，以及光学检测装置，所述混合通道的出口连通至所述光学检测装置，光学检测装置用于对混合装置输出的液体进行检测。例如，混合通道14可经出口13连接光学检测装置。
97.的具体方案中，以微流控芯片为载体，让两种液体在芯片中的通道流动，在流动的过程中通过芯片中的结构形成不同的速度分度(即velocity distribution)，形成目标试剂(即混合后的液体)后形成充分发展的速度分布(即：fully developed velocity distribution)。
98.其中的速度分度(即velocity distribution)，可理解为：在通道横截面上流体速度轴向矢量的分布模式。
99.其中充分发展的速度分布(即：fully developed velocity distribution)可理解为一种一经形成则从流体流动的一个横截面到另一个横截面不会发生变化的速度分布。它通常是在足够长的通道直管段末端形成。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施方式”、“一种实施例”、“具体实施过程”、“一种举例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
100.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。