微流控芯片、微流控芯片通道定位结构及定位方法与流程

1.本发明是关于一种微流控芯片、微流控芯片通道定位结构及定位方法，涉及生物检测技术领域。


背景技术：

2.微流控芯片技术是把生物、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。
3.在医疗微流控设备中进行光学焦点定位，目前大部分设备都是通过设备生产时，通过结构定位焦点后，不再调整焦点位置，这就产生了一个问题，如果元器件有位移的情况，那焦点就会偏离，造成测试数据得不稳定。
4.现有技术中芯片通道宽度与光斑的匹配通过理论计算，将光学探头与芯片的相对位置固定，包括两种方式：1)将光学探头的垂直位置固定死，不再通过垂直运动调整光斑大小，此种方式虽然结构简单，但是由于光学探头与芯片的位置较近，芯片移走后，光学探头处于比较容易被触摸到的位置，但是光学探头是需要高清洁度的器件，这样很容易被污染，造成光斑发散，影响定位与测试效果；另外，只固定光学探头时，放置芯片时，每次的位置都会有相应的不同(结构定位精度，芯片加工精度)造成光斑大小跟通道的大小有变化，会造成每次测试光斑在通道上的大小不一样，有可能会影响到通道的定位和测试中荧光激发强度的不同(受液滴吸收的光强影响，光斑越集中，覆盖液滴面积越大，光强越强)。2)光学探头的垂直方向可以移动，每次移动都是固定的位置，此种方式可以将光学探头下移至无法接触位置，有效避免光学探头污染。但是同样在垂直方向运动过程中，受移动平台精度影响，每次位置都会有差异，不确定度更大。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的之一是提供一种能够降低整体设备结构定位精度的微流控芯片。
6.本发明的目的之二是提供一种能够定位所有微流控通道的微流控芯片通道定位结构，最大程度上使在微通道中流过的液滴完全被聚焦光斑所覆盖。
7.本发明的目的之三是提供一种微流控芯片通道定位方法。
8.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
9.第一方面，本发明提供一种微流控芯片，该微流控芯片包括若干微通道、初始定位框、第一定位标线和第二定位标线；
10.所述若干微通道纵向间隔排列；
11.所述微通道的右侧设置所述初始定位框；
12.所述初始定位框顶部左侧设置所述第一定位标线，所述第一定位标线设置在所述
微通道中心延长线一侧，用于对所述微通道的最右侧位置进行定位；
13.所述微通道左侧设置所述第二定位标线，所述第二定位标线设置在所述微通道中心延长线的另一侧，用于对所述微通道最左侧位置进行定位。
14.进一步地，所述微通道采用中间窄两边宽的结构，每一所述微通道宽边两侧通道尺寸相同。
15.进一步地，所述初始定位框采用正方形通道结构，所述正方形通道结构的左上边框和所述第一定位标线均位于所述微通道窄边中心延长线上。
16.进一步地，所述第一定位标线采用十字标线，所述第二定位标线采用一字标线。
17.第二方面，本发明还提供一种用于对所述微流控芯片进行定位的微流控芯片通道定位结构，该结构包括：
18.芯片压合及光电转换模块，设置在所述微流控芯片上方，用于获取光源发出的光斑照射在所述微流控芯片不同位置的光信号，并将光信号转换为电信号；
19.芯片支撑结构，设置在所述微流控芯片下方，用于对所述微流控芯片进行支撑固定；
20.光学探头，用于对光源发出的光信号进行聚焦；
21.微动模块，用于连接所述光学探头使其移动；
22.ad数据采集模块，用于采集所述芯片压合及光电转换模块的电信号；
23.数据分析模块，用于对所述ad数据采集模块的电信号进行分析；
24.电机控制模块，用于控制所述光学探头移动，改变所述光学探头与微流控芯片通道的相对位置，使得聚焦光斑焦点对应到微通道位置。
25.进一步地，聚焦光斑焦点对应到微通道位置的过程包括：
26.光斑通过微通道时产生的光信号经采集后转换为电信号，并通过ad数据采集模块进行量化数据采集；
27.微动模块通过z轴靠近或远离微通道，调整光斑在微通道位置大小，通过x轴移动，记录光斑经过微通道的光学对应曲线；
28.通过光斑位置与ad数据采集模块采集波形的关系，分析光斑位置。
29.进一步地，光斑位置与ad数据采集模块采集波形的关系为：
30.第一种情况：当照射在微通道的光斑大小大于微通道时，ad数据采集波形较宽；
31.第二种情况：当照射在微通道的光斑大小等于微通道大小时，ad数据采集波形变窄，幅值变高；
32.第三种情况：当照射在微通道的光斑大小小于微通道时，ad数据采集波形呈现双峰的状态，宽度约等于照射在微通道的光斑大小等于微通道，幅值较大。
33.进一步地，所述芯片压合及光电转换模块采用三块硅光电池进行光信号的采集。
34.第三方面，本发明还提供一种基于所述的微流控芯片通道进行定位结构对所述的微流控芯片进行定位方法，包括步骤为：
35.微流控芯片通道定位结构安装在微流控芯片上；
36.将光学探头沿z轴移动，使得光斑移动到初始定位框；
37.将光学探头沿y轴移动，并寻找微流控芯片的初始定位框上边框；
38.移动到初始定位框a框左上角，沿x轴移动，通过寻找第一定位标线和第二定位标
线，确保光学探头移动方向与微流控芯片不存在角度偏移；
39.沿着y轴移动光学探头，查看光学探头从开始经过初始定位框上边框到离开初始定位框上边框的波形，判断目前焦点是否在微流控通道上，如果不在则移动z轴，如果在结束光学焦点定位；
40.其中，xy方向是指与微通道芯片平面平行，z轴为与微通道芯片平面垂直。
41.进一步地，光学探头移动过程中通过ad数据采集波形反馈作为移动是否结束的判断依据。
42.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
43.1、本发明的微流控芯片包括若干微通道、初始定位框、第一定位标线和第二定位标线，通过上述微流控芯片结构设计，能够降低整体设备结构初始定位精度；
44.2、本发明的微流控芯片通道定位结构包括芯片压合及光电转换模块、芯片支撑结构、光学探头、微动模块、ad数据采集模块、数据分析模块和电机控制模块，通过控制光学探头移动，改变光学探头与微流控芯片通道的相对位置，使得聚焦光斑焦点对应到微通道位置，最大程度上使在微通道中流过的液滴完全被聚焦光斑所覆盖的射在微流控芯片不同位置的光信号；
45.3、本发明的微流控芯片进行定位方法能够满足使用光的衍射和反射方法定位微流控芯片中的微通道，达到所有微流控通道定位的目的，减少误判；
46.综上，本发明可以广泛应用于生物检测中。
附图说明
47.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
48.图1是本发明实施例的微流控芯片结构示意图；
49.图2是本发明实施例的定位结构示意图；
50.图3是本发明实施例的硬件系统框架图；
51.图4是本发明实施例的芯片压合及光电转换模块结构图；
52.图5是本发明实施例的定位结构原理图；
53.图6是本发明实施例的定位结构光路图图；
54.图7是本发明实施例的光斑位置与ad数据采集波形对应关系图；
55.图8是本发明实施例的光斑位置与ad数据采集波形对应关系图；
56.图9是本发明实施例的光斑位置与ad数据采集波形对应关系图；
57.图10是本发明实施例的ad数据采集波形示意图；
58.图11是本发明实施例的芯片通道状态图；
59.图12是本发明实施例的微流控通道进行定位图；
60.图13是本发明实施例的数据采集波形图；
61.图14是本发明实施例的数据采集波形图；
62.图15是本发明实施例的数据采集波形图。
具体实施方式
63.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
64.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
65.尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
66.为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
67.本发明提供的微流控芯片、微流控芯片通道定位结构及定位方法，该微流控芯片包括若干微通道、初始定位框、第一定位标线和第二定位标线；若干微通道纵向间隔排列；微通道的右侧设置初始定位框；初始定位框顶部左侧设置第一定位标线，第一定位标线设置在微通道中心延长线一侧，用于对微通道的最右侧位置进行定位；微通道左侧设置第二定位标线，第二定位标线设置在微通道中心延长线的另一侧，用于对微通道最左侧位置进行定位。本发明通过设置的微流控芯片结构，能够降低整体设备结构初始定位精度。
68.实施例一
69.如图1所示，本实施例提供的微流控芯片，包括初始定位框a、定位十字标线b、若干微通道c和定位一字标线d。
70.若干微通道c纵向间隔排列，微通道c的右侧设置初始定位框a，初始定位框a的顶部左侧设置定位十字标线b，定位十字标线b设置在微通道c中心一侧延长线上，用于对微通道c的最右侧位置进行定位。微通道c的左侧设置定位一字标线d，定位一字标线d可以设置在微通道c中心另一侧延长线上，用于对微通道c的最左侧位置进行定位。
71.本发明的一些优选实施例中，相邻微通道c纵向间隔可以设置为100um，微通道c采用中间窄两边宽的通道结构，微通道c两边通道尺寸相同，均可以为20um，微通道c中间通道尺寸可以为10um，以此为例，不限于此，可以根据实际需要进行确定。
72.本发明的一些优选实施例中，初始定位框a可以采用正方形通道框，本实施例采用
外边长为0.2mm的正方形，通道尺寸宽可以为20um，以此为例，不限于此，可以根据实际需要进行确定。
73.本发明的一些优选实施例中，定位十字标线b与定位一字标线d用于确认微流控芯片通道与移动平台的移动方向是否有角度位移，定位十字标线b横向和纵向长度为0.1mm，定位一字标线d长0.1mm，定位十字标线b和定位一字标线d的通道尺寸为20um，以此为例，不限于此，可以根据实际需要进行确定。
74.实施例二
75.如图2、图3所示，本实施例提供的微流控芯片通道定位结构，用于定位实施例一提供的微流控芯片，定位聚焦光斑与微流控芯片通道大小，包括芯片压合及光电转换模块1、芯片支撑结构2、光学探头3、微动模块4、ad数据采集模块5、数据分析模块6和电机控制模块7。
76.芯片压合及光电转换模块1，设置在微流控芯片上方，用于获取光源发出的光斑照射在微流控芯片不同位置的光信号，并将光信号转换为模拟电信号。
77.芯片支撑结构2，设置在微流控芯片下方，用于对微流控芯片进行支撑固定。
78.光学探头3，设置在微流控芯片下方，用于对光源发出的光信号进行聚焦。
79.微动模块4，用于连接光学探头3并带动光学探头3移动，使得光学探头3可以进行xy与对焦z轴的相应移动。其中，微动模块4可以采用现有结构，包括微动平台、电机驱动器和电机控制器，计算机控制电机控制器发出指令到电机驱动器，驱动微动平台中的电机，使微动平台进行相应方向的移动，此为现有技术，故不作赘述。
80.ad数据采集模块5，用于采集芯片压合及光电转换模块1的电信号。
81.数据分析模块6，用于对ad数据采集模块5的电信号进行分析。
82.电机控制模块7，用于控制光学探头3移动，改变光学探头3与微流控芯片通道的相对位置，使得聚焦光斑焦点对应到微通道位置，具体地，可以沿着xy向移动(与微通道芯片平行移动，不改变微通道芯片与光学探头的距离)，可以z向运动(改变微通道芯片与光学探头的距离)从而改变光斑在芯片位置的大小。
83.本发明的一些优选实施例中，芯片压合及光电转换模块1通过对光的感应，将光强转换为电压信号，便于ad数据采集模块5进行数据采集，其中，采集的光信号为光源通过聚焦后的光斑照射在微流控芯片不同的位置，比如说不同的通道位置会有不同的光学信号发生。例如图4所示，芯片压合及光电转换模块1可以采用三块硅光电池进行光信号的采集，由光源发射出平行激光，通过光学探头3进行光斑聚焦并将焦点相对垂直位置确定后，当光透过微通道芯片非通道位置时，硅光电池(光电转换)均没有电压反馈，始终为底噪。当光透过微通道芯片通道位置时，如果通道与2#3#硅光电池成垂直状态下，2#3#硅光电池会有相应的波形出现，如果通道与2#3#硅光电池成平行状态下，1#硅光电池会有相应的波形出现，通过三块硅光电池进行光信号采集为现有技术，在此不再赘述。
84.本发明的一些优选实施例中，聚焦光源焦点对焦到微流控芯片通道，自动将聚焦光斑焦点对应到微通道位置具体是指经光学探头3聚焦光斑落在通道位置的直径与微通道宽度一致，最大程度上使在微通道中流过的液滴完全被聚焦光斑所覆盖，过程包括：
85.光斑通过微通道时会衍射反射光栅(反射光栅的形成是通过光源光斑照射到微流控芯片的通道上所产生的光信号)产生的光信号通过硅光电池将光信号转换为模拟电信
号，并通过ad数据采集模块5进行量化数据采集。
86.微动模块4通过z轴靠近或远离微通道，调整光斑在微通道位置大小，通过x轴移动，利用硅光电池与ad数据采集模块5，记录光斑经过微通道的光学对应曲线，其中，如图13所示，光学对应曲线横坐标为微动模块的位移量，纵坐标为光信号转换为数字信号所对应的光强度。
87.通过光斑位置与ad数据采集模块5采集波形的关系，分析光斑位置。
88.将光学探头3、光源与微动模块固定在一起，通过移动微动模块z向调整焦点与微通道的相对位置。通过移动微动模块x，判断光通过微通道时形成在微通道位置，光斑的大小。
89.进一步地，光斑位置与ad数据采集模块5采集波形对应关系包括：
90.第一种情况：如图7所示，照射在微通道的光斑大小，大于微通道，当照射在微通道的光斑大小大于微通道时，波形较宽。
91.第二种情况：如图8所示，照射在微通道的光斑大小，等于微通道，当照射在微通道的光斑大小等于微通道大小时，ad采集波形变窄，幅值变高。
92.第三种情况：如图9所示，照射在微通道的光斑大小，小于微通道时。当照射在微通道的光斑大小小于微通道时，ad数据采集波形呈现双峰的状态，宽度约等于照射在微通道的光斑大小等于微通道，幅值较大。
93.综上所述，当液滴通过可以得出照射在微通道上的光斑大小，可以从ad数据采集波形呈现的宽度，幅值和峰数，通过相应的逻辑得出。如图10所示，最终达到本发明需要的光斑尺寸与微通道宽度一致。如图11所示，此位置为供激光对焦的通道，本实施例的目的是将激光模块所发射出的聚焦光光斑，聚焦在这个通道位置。
94.实施例三
95.基于本发明实施例二的定位结构对本实施例一的微流控芯片通道进行定位方法，包括步骤为：
96.s1、微流控芯片通道定位结构安装在微流控芯片上
97.具体地，本实施例的微流控芯片通道定位结构进行安装时，确保芯片压合及光电转换模块1压合后，将光学探头3的初始位置放置在初始定位框a内，并保证光学探头xy移动，如图3所述的坐标。且与微流控芯片旋转角度在预先设定的可接受范围内。优选地，旋转角度在接受范围可以首先人工通过结构确认，其次可以通过由点定位点
②
到定位点
④
的移动波形判断，如图12所示。
98.s2、将光学探头沿z轴，使得光斑移动到初始定位框a
99.如图12所示，将光斑移动到初始定位框a内的初始定位点
①
，并确认初始定位点
①
位置是否正确：控制光斑从初始定位点
①
向左移动一段距离，并实时分析ad数据采集波形反馈，是否如图14，如果一样，返回初始定位点
①
后向上移动一定距离，并查看ad数据采集波形，是否如图13，如果一样初始定位点
①
确认。
100.s3、将光学探头沿y轴移动，并寻找微流控芯片的初始定位框a上边框，即将光斑从初始定位点
①
移动至定位点
②
，当光斑从定位点
①
点移动到定位点
②
并走过边框后，波形如图13所示。
101.控制光斑，从初始定位点
①
位置向定位点
②
位置移动，期间实时监控与分析ad数
据采集波形反馈，查看是否有如图13波形出现，当图13波形出现后停止，将光学探头向反向移动，直到找到定位点
②
，定位点
②
位置波形为图13波形纵坐标最大位置。
102.s4、移动到初始定位框a框左上角，沿x轴移动，找到定位点
③
位置与定位点
④
位置：控制光斑，从定位点
②
位置到定位点
③
位置，期间实时监控与分析采集ad数据采集波形反馈，查看波形是否如图15，如果一样，找到定位十字标线b。继续向左移动，查看波形是否如图15，一样，找到定位一字标记线d，定位十字标线b与定位一字标记线d用于确认平台移动方向与芯片是否有角度偏移。
103.s5、沿y轴移动光学探头，查看光学探头从开始经过a框上边框到离开a框上边框的波形，判断目前焦点是否在微流控通道上，如果不在则移动z轴，如果在结束光学焦点定位，具体为：
104.开始寻找定位一字标记线d右边通道a，返回定位点
②
位置，通过图15所示的定位点
②‑
定位点
③
波形，将定位十字标线b跳过，跳过后向点a移动，当有图14波形出现，证明移动过程中找到最右边通道找到点a位置，点a位置为硅光电池2与硅光电池3波形最大值后的交叉点，移动到通道a后，依次寻找其他各通道。
105.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发明各实施例技术方案的精神和范围。