一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片，它采用三层结构，其底层为玻璃基底、在其基底上依次设置由弹性材料构成的气体驱动层和液体流动层；液体流动层包含一个微混合室和若干微储液池及流体通道，流体通道一端连接对应微储液池，另一端连接到微混合室；气体驱动层由微混合器、多个气动微泵及气体通道构成；外加的脉冲气压由电磁排气阀有序控制进入气体驱动层，使由弹性材料构成的气动微泵和微混合器进行工作，可实现多路不同溶液的有序注入微混合室并混合，以实现有目的的微量化学反应；本微流控芯片可对微量液体，快速、方便、准确地实现自动化液体输运和高效混合，具有重要的实用意义。
【专利说明】一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片【技术领域】
[0001]本发明涉及微流控芯片，具体地说是一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片，实现对微量液体输运、混合的控制。
【背景技术】
[0002]微流控芯片技术是20世纪90年代在分析化学领域发展起来的，以生命科学为主要研究对象，将整个化验室的功能包括样品预处理、反应、分离、检测等集成在微芯片上，使分析速度得到极大提高。微流控芯片具有微米级尺度的结构和部件，是微流控技术实现的主要平台，也是当前微全分析系统发展的热点领域，在生命科学，尤其是芯片实验室领域具有极为广泛的适用性及重要的应用前景。
[0003]流体的输运、混合是在生物化学领域必不可少的程序，所以应用微加工技术，在微芯片上加工出具有微米级的容器、泵、通道、混合器等结构的微流控芯片。但在很短的时间内，实现生物芯片上液体的有效自动化输运、混合仍是一个重要的问题。大多数传统的微流体的输运需要外部注射泵推动，体积相对较大；而传统的微混合器使用弯曲结构等被动的方法混合物质，效率较低。综上所述，因为传统的方法消耗了较多的试剂和时间，故不利于生化分析检测的应用。
[0004]因此，急需一种集成、快速、有效的微流控芯片，具有一个特殊的设计，在流体输运、混合过程中，实现对微量液体的有效控制。这将极大地推进微流控芯片在生物化学检测方面的应用，对国民经济意义重大。但目前还没有这方面的报道。
【发明内容】
[0005]针对上述对流体的输运、混合处理上消耗较多试剂和时间的问题，提供一种基于气动微泵和微混合器 的微流控芯片，可对微量液体，快速、准确地实现输运和混合的控制。
[0006]为实现本发明的目的，采取如下技术方案:
[0007]该微流控芯片由一层玻璃和两层弹性材料(PDMS)构成，其中玻璃为基底，在基底上，依次是由弹性材料构成的气体驱动层和液体流动层；外加的脉冲气压由电磁排气阀有序控制进入气体驱动层，使由弹性材料构成的气动微泵通道和微混合器进行工作，可实现多路不同溶液的注入和混合，以实现有目的的微量化学反应。
[0008]一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片，该微流控芯片采用三层结构，其底层为玻璃型基底，其特征在于:在其基底上依次设置由弹性材料构成的气体驱动层和液体流动层；其中，气体驱动层下表面包含由气室构成的微混合器、其周围分布有多个气动微泵及气体通道；液体流动层中包含微混合室、多个微储液池及与其连通的流体通道，所述气动微泵数目和分布位置与液体流动层的流体通道数目和位置上下相对应；外加的脉冲气压由电磁排气阀有序控制经气体通道进入气动微泵的气室，使气动微泵和微混合器工作，实现多路不同微量溶液有序注入和混合。
[0009]气体驱动层和液体流动层均由弹性材料构成为透明体，所述的弹性材料采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0010]每个气动微泵由两小空间气室和一个相对大空间气室构成；每个气动微泵上的气体通道一端分别与对应气室连通接，另一端与上下贯通液体流动层和气体驱动层的立柱下口连通。
[0011]每个气动微泵上的两个小空间气室处于相对大空间气室的两侧。
[0012]气体驱动层的每个气动微泵上的气室和微混合器的气室顶部的厚度尺寸范围为90?110微米。
[0013]气体驱动层内的气体通道的数目和位置与贯通液体流动层和气体驱动层的对应立柱的数目和位置相对应。
[0014]液体流动层微混合室位于微混合器的上方，每个流体通道一端连接对应微储液池，另一端连接至微混合室。
[0015]所述脉冲气压由外部气源和可编程控制电磁排气阀提供。
[0016]本发明的有益效果及优点:
[0017]1、本发明设计合理，采用三层结构，一层玻璃作为基底，在其基底上依次设置由弹性材料构成的气体驱动层和液体流动层；该芯片由于采用弹性材料构成，使气体驱动层内的气室顶部、流体通道的底部可以在气压的作用下产生向上的形变。通过气室周期性挤压流体通道，实现弹性材料的形变和恢复，进而完成液体定向定量输运；通过微混合器的气室周期性挤压混合室，使流体在混合室内产生涡流，完成混合效果，可以完成不同样品的输运和混合。
[0018]2、本发明由于采用脉冲气压的压力和气室形变的频率协同控制，使气动微泵工作时间和先后顺序可通过计算机及方波控制电路按照需要调节气压和频率，可以控制液体的流速、混合效率。采用多通道协同工作，实现多路不同溶液的有序注入微混合室并混合，以达到有目的的微量化学反应；本微流控芯片可对微量液体，快速、方便、准确地实现自动化液体输运和高效混合，具有重要的实用意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的微流控芯片的三层结构分解示意图。
[0020]图2为本发明的微流控芯片的俯视图。
[0021]图3为微流控芯片中气动微泵和微混合器工作的控制系统图。
[0022]图4为图2中气动微泵的纵向截面剖视图。
[0023]图5为图2中微混合器的纵向截面剖视图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0025]如图1所示，为本发明微流控芯片的三层结构分解示意图。它是一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片，该微流控芯片采用三层结构，其底层为玻璃型基底1，在其基底I上依次设置由弹性材料构成的气体驱动层2和液体流动层3 ;其中，气体驱动层2下表面包含由气室构成的微混合器13、其周围分布有多个气动微泵及气体通道；液体流动层3中包含微混合室4、多个微储液池及与其连通的流体通道，所述气动微泵数目和分布位置与液体流动层3的流体通道数目和位置上下相对应；外加的脉冲气压由电磁排气阀有序控制经气体通道进入气动微泵的气室，使气动微泵和微混合器13工作，实现多路不同微量溶液有序注入和混合。
[0026]气体驱动层2和液体流动层3均由弹性材料构成为透明体，所述的弹性材料采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0027]每个气动微泵由两小空间气室和一个相对大空间气室构成；每个气动微泵上的气体通道一端分别与对应气室连通接，另一端与上下贯通液体流动层3和气体驱动层2的立柱14下口连通。
[0028]每个气动微泵上的两个小空间气室处于相对大空间气室的两侧。
[0029]气体驱动层2内的气体通道的数目和位置与贯通液体流动层3和气体驱动层2的对应立柱14的数目和位置相对应。
[0030]所述脉冲气压由外部气源和可编程控制电磁排气阀提供。
[0031]如图2所示，是微流控芯片的俯视图。在本实施例中该微流控芯片由四个第I?4气动微泵9?12和一个微混合器13集成在一块芯片上。根据需要气动微泵的数量可增加，但要与液体流动层3上微储液池的数量相一致，每个气动微泵为两个小空间气室和一个相对大空间气室，即大空间气室的长度大于小空间气室的长度，两个小空间气室处于相对大空间气室的两侧，目的是通过气室周期性挤压流体通道，实现弹性材料的形变和恢复，进而完成液体定向定量输运；液体流动层3上设有微混合室4和第I?4微储液池5?8及与微混合室4和各微储液池连通的流体通道。
[0032]液体流动层3微混合室4位于微混合器13的上方，每个流体通道一端连接对应微储液池，另一端连接至微混合室4。
[0033]气体驱动层2的每个气动微泵上的气室和微混合器13的气室顶部的厚度尺寸范围为90?110微米。
[0034]为更好实现液体的输运和混合，在本实施例中每个气动微泵上的气室和微混合器13的气室顶部的优选厚度尺寸采用100微米。
[0035]使气体驱动层内的气室顶部、流体通道的底部可以在气压的作用下产生向上的形变。通过微混合器13的气室周期性挤压微混合室4，使流体在微混合室4内产生涡流，完成混合效果，可以完成不同样品的输运和混合。
[0036]本发明其工作原理为:
[0037]如图3所示，微流控芯片工作时，需要通过外接微型空气压缩泵、方波控制电路、电磁排气阀对芯片进行控制，实现自动化控制液体的流动、混合。当外加的脉冲气压由电磁排气阀有序控制通过立柱14和其连通的气体通道进入气体驱动层2的气室中，使气室的顶部产生向上的形变，尤其大空间气室顶部形变明显，通过气室的变形实现由弹性材料构成的第I?4气动微泵9?12和微混合器13进行工作，实现多路不同微量溶液(微升)的有序注入和混合，以达到有目的的微量化学反应。
[0038]气动微泵的工作原理如图4所示，具体过程为:
[0039]脉冲气压通过对应立柱14送入气体驱动层2的相应气室，对弹性材料构成的流体通道产生周期挤压效果，依靠弹性材料的形变和恢复，达到对流体通道中液体定向定量输运。[0040]举例说明如图4 (a, b)所示，当将20 μ L试剂通过移液器加载至第I?4微储液池5?8内，而此时液体通道内只有空气。从4(b)图中看出气动微泵9的气室无形变，即无流动现象；
[0041]当施加脉冲气压送入气体驱动层2的相应气室时，使气动微泵的大空间气室产生向上的形变，还有其中靠近微混合器13的小空间气室受流体通道内空气向下压力的影响，使该气室产生向下的微形变，该流体通道内空气被排出至混合室4中如图4(c)所示；
[0042]当气体驱动层2的气室施加脉冲气压撤消时，气室气压恢复至初始状态，使相对大空间气室形变消失，试剂从微储液池5流入气室上方流体通道内，如图4(d)所示；
[0043]当再次给气室施加一个脉冲气压时，位于中间的相对大空间气室又产生向上的形变，如图4(e)所示，该气室上方流体通道内的试剂被挤压至微混合室4中。
[0044]多次重复上述过程，可将所述第I?4微储液池5?8内的试剂完全移动至微混合室4。流动过程中的流速由正气压(脉冲气压)的压力和气室形变的频率协同控制。第I?4气动微泵9?12的工作时间和先后顺序可通过计算机及方波控制电路，按照需要调节。
[0045]微混合器13的工作原理如图5所示，具体过程为:
[0046]当脉冲气压送入气体驱动层2的微混合器13的气室，对由弹性材料构成其上方微混合室4产生周期挤压效果，使流体在微混合室4内产生涡流，达到对液体的混合作用。
[0047]如图5 (a)所示，所述微混合室4中可容纳20?40 μ L液体，通过气动微泵的驱动流体进入微混合室4 ；
[0048]通过对气室施加一个正气压(脉冲气压)，使微混合器13的两个气室产生向上的形变，如图5(b)所示，对微混合室4内的液体进行搅动；在周期性气室形变的作用下，液体达到混合的目的。
【权利要求】
1.一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片，该微流控芯片采用三层结构，其底层为玻璃型基底(1)，其特征在于:在其基底(I)上依次设置由弹性材料构成的气体驱动层(2)和液体流动层(3);其中，气体驱动层(2)下表面包含由气室构成的微混合器(13)、其周围分布有多个气动微泵及气体通道；液体流动层(3)中包含微混合室(4)、多个微储液池及与其连通的流体通道，所述气动微泵数目和分布位置与液体流动层(3)的流体通道数目和位置上下相对应；外加的脉冲气压由电磁排气阀有序控制经气体通道进入气动微泵的气室，使气动微泵和微混合器(13)工作，实现多路不同微量溶液有序注入和混合。
2.按权利要求1所述的一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片，其特征在于:气体驱动层(2)和液体流动层(3)均由弹性材料构成为透明体，所述的弹性材料采用聚二甲基娃氧烧PDMS。
3.按权利要求1所述的一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片，其特征在于:每个气动微泵由两小空间气室和一个相对大空间气室构成；每个气动微泵上的气体通道一端分别与对应气室连通接，另一端与上下贯通液体流动层(3)和气体驱动层(2)的立柱(14)下口连通。
4.按权利要求1或3所述的一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片,其特征在于:每个气动微泵上的两个小空间气室处于相对大空间气室的两侧。
5.按权利要求1、2或3所述的一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片,其特征在于:气体驱动层(2)的每个气动微泵上的气室和微混合器(13)的气室顶部的厚度尺寸范围为90?110微米。
6.按权利要求1、2或3所述的一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片,其特征在于:气体驱动层(2)内的气体通道的数目和位置与贯通液体流动层(3)和气体驱动层(2)的对应立柱(14)的数目和位置相对应。
7.按权利要求1或2所述的一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片,其特征在于:液体流动层(3)微混合室(4)位于微混合器(13)的上方，每个流体通道一端连接对应微储液池，另一端连接至微混合室(4)。
8.按权利要求1所述的一种基于气动微泵和微混合器的微流控芯片，其特征在于:所述脉冲气压由外部气源和可编程控制电磁排气阀提供。
【文档编号】B01L3/00GK103861668SQ201210551891
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月17日 优先权日:2012年12月17日
【发明者】刘柱, 姚萍, 刘斌, 董再励, 童兆宏, 李国宾 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所