一种微流控芯片液体转移结构的制作方法

本实用新型涉及微流控技术领域，尤其涉及一种微流控芯片液体转移结构。

背景技术：

在微流控技术领域，常常涉及到对微尺度的流体进行转移的操作。尤其在不同的模块化微流控系统进行拼接组装时，将反应液在各个模块之间顺畅转移就显得尤为重要。

将试剂从一张微流控芯片转移至另一张微流控芯片的方法一般可归为两类：机械手转移与管道转移。机械手转移是一般液体工作站的通用技术，在三维机械手端安装有移液器，通过精密的泵阀系统控制移液器的吸液体积；机械手端可以进行三维运动，控制其走到特点位置将移液器伸入待转移流体吸液后取出，再将其移动到第二个功能单元注入液体。管道转移是用流体管道将上一张芯片的流体出口与下一张芯片的流体入口相连接，与传统管道不同，微流控系统中需要使用专用的宏观-微观接口来连接芯片以及宏观管路，液体的转移一般通过外部的精密泵阀系统来实现；对于一些复杂的多液体操作工况，采用管道转移需要在芯片上设置额外的芯片阀来进行液体的切换操作，这对于已经模块化的通用微流控芯片平台来说是不适用的。

很明显，机械手方式需要大而笨重的轨道、高精度的运动位置控制系统才能够实现；而管道转移需要设计精巧、复杂且强密封性的微观-宏观接口、精确的流体体积控制才能够进行。两种方式均需要庞大精密的外部设备进行控制才能够运行，外部仪器成本高、需要专业技术人员持续进行维护。而大型仪器设备的引入使得微流控系统微型、简便以及集成度高的特点被淹没，使得模块化的微流控技术难以实现。由于合适的流体转移手段以及接口的缺失，加大了模块化微流控系统的构建的难度，不同模块化微流控系统难于相互连接集成；而使用机械手、液体工作站等常规方式进行微流控系统上的液体转移使得仪器庞大而笨重，控制系统复杂而难于操作，从本质上偏离了微流控系统小型化、集成化以及操作简便化的特点与初衷。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是解决不同模块化微流控系统难于相互连接集成的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种微流控芯片液体转移结构，包括：前端接口结构、设置在所述前端接口结构下方的后端接口结构、以及位于所述前端接口结构上方的连接导流部件；所述前端接口结构包括至少一个微流控功能模块，所述微流控功能模块均具有微流控管道以及上下贯穿所述微流控功能模块的第一通孔，所述微流控管道与所述第一通孔连通，所述第一通孔的两端均通过密封隔膜封闭；所述后端接口结构的顶部设有内凹的入口端，所述后端接口结构内设有与所述入口端连通的毛细管；各所述微流控功能模块的第一通孔、所述入口端在竖直方向均对齐设置；所述连接导流部件上设有导流凹槽，所述连接导流部件用于依次刺破各所述微流控功能模块上的密封隔膜、并将对应第一通孔内的液体吸附到所述导流凹槽内，以及在所述连接导流部件的前端移动至所述入口端处时，将所述导流凹槽内的液体释放到所述入口端内。

其中，所述连接导流部件的前端为锥形体，所述导流凹槽设置在所述连接导流部件的侧壁上，所述导流凹槽延伸至所述锥形体的前端。

其中，所述导流凹槽为多个且相互连通。

其中，所述毛细管的管径小于所述导流凹槽的宽度，所述导流凹槽的宽度≤2mm。

其中，各所述微流控功能模块的厚度或对应第一通孔的孔径不同。

其中，所述毛细管的长度≥10mm。

其中，所述毛细管的管道表面接触角＜90°。

其中，所述密封隔膜为：铝薄膜胶带、铜薄膜胶带、PC膜、PP膜、PE膜、橡胶薄膜、硅胶薄膜、或聚四氟乙烯薄膜。

其中，还包括垫于所述前端接口结构与后端接口结构之间的垫板层，对应所述第一通孔处，所述垫板层内设有上下贯穿的第二通孔，所述第二通孔的孔径大于或等于所述第一通孔的孔径。

其中，所述垫板层厚度可调。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本实用新型在微流控功能模块上开设第一通孔并用密封隔膜封闭以存储不同的液体，连接导流部件刺破密封隔膜后实现取样及混合液体的操作，并在连接导流部件插入入口端后将混合后的液体释放到毛细管内；通过对现有微流控功能模块进行少量改动就可以实现微控流芯片的模块化组装，即可以取样，又可以按一定比例混合匀液体后完成加样，实现液体的混合与转移，可取代原有复杂的机械手操作或是泵阀管路流体操作，使得微流控芯片的模块化组装成本大幅度降低，仪器大大简化。

附图说明

图1是本实用新型实施例所述具有三个微流控功能模块的前端接口结构的结构示意图；

图2是本实用新型实施例所述连接导流部件的局部结构示意图；

图3是本实用新型实施例所述微流控芯片液体转移结构的使用状态示意图之一；

图4是本实用新型实施例所述微流控芯片液体转移结构的使用状态示意图之二。

图中：1-a、1-b、1-c、1-d、密封隔膜；2-a、2-b、2-c、微流控功能模块；3-a、3-b、3-c、第一通孔；4-a、4-b、4-c、微流控管道；5、前端接口结构；6、垫板层；7、后端接口结构；8、毛细管；9、连接导流部件；10、导流凹槽；11、入口端。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，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的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。

如图1、图3、图4所示，本实用新型实施例提供的一种微流控芯片液体转移结构，包括：前端接口结构5、设置在所述前端接口结构5下方的后端接口结构7、以及位于所述前端接口结构5上方的连接导流部件9；所述前端接口结构5包括至少一个微流控功能模块，所述微流控功能模块均具有微流控管道以及上下贯穿所述微流控功能模块的第一通孔，所述微流控管道与所述第一通孔连通，所述第一通孔的两端均通过密封隔膜封闭；所述后端接口结构7的顶部设有内凹的入口端11，所述后端接口结构7内设有与所述入口端11连通的毛细管8；各所述微流控功能模块的第一通孔、所述入口端11在竖直方向均对齐设置；所述连接导流部件9上导流凹槽10，所述连接导流部件9用于依次刺破各所述微流控功能模块上的密封隔膜、并将对应第一通孔内的液体吸附到所述导流凹槽10内，以及在所述连接导流部件9的前端移动至所述入口端11处时，将所述导流凹槽10内的液体释放到所述入口端11内。

具体来说，前端接口结构5如图1所示，由数个不同功能的微流控功能模块、即微流控芯片堆叠形成，图1显示的是3个不同的微流控功能模块2-a、微流控功能模块2-b以及微流控功能模块2-c，三个微流控功能模块分别具有不同的微流控管道4-a、微流控管道4-b以及微流控管道4-c以实现各自的微流控功能。各个微流控功能模块上的微流控管道在对应微流控功能模块的出口处分别形成一个上下贯通的第一通孔3-a、第一通孔3-b和第一通孔3-c；三个独立微流控功能模块的第一通孔可单独密封，也可以参照图1分别利用密封隔膜1-a、密封隔膜1-b、密封隔膜1-c以及密封隔膜1-d隔离。在各微流控功能模块相对独立地完成各自的微流控操作后，会各自将待转移的试剂导流到对对应的第一通孔内。

如图3所示，前端接口结构5堆叠在后端接口结构7之上形成整个接口的装配整体，连接导流部件9安装于前端接口结构5最上层的上方。后端接口结构7上的毛细管8与入口端11连通，入口端11的尺寸与连接导流部件9前端的尺寸相配合，只要保证连接导流部件9的前端能接触到入口端11的底面即可。整体装配连接后，连接导流部件9、所有的第一通孔、入口端11从上到下依次对中排列，位于同一条竖直线上。

图4为该接口转移试剂时的操作状态。通过机械设备或手动方式，将连接导流部件9向下推动，其连接导流部件9的将会依次扎破密封隔膜1-a、1-b、1-c以及1-d直至到达入口端11；在连接导流部件9向下运动过程中，连接导流部件9的前端扎破相应的密封隔膜后，会依次接触到处于第一通孔3-a、3-b以及3-c中的待转移液体，连接导流部件9扎破密封隔膜1-a后，连接导流部件9与第一通孔3-a中的液体接触，液体会因为表面张力的毛细作用被吸入导流凹槽10并沿导流凹槽10向上流动，直至到达表面张力与大气压力平衡位。此时，连接导流部件9继续向下扎破密封隔膜1-b，第一通孔3-b中的液体也会因为同样的毛细作用被吸入导流凹槽10，由于导流凹槽10下部已被第一通孔3-a中的液体充满，新注入的液体将会裹挟着原液体继续沿导流凹槽10向上流动直至到达新的平衡位置；在流动过程中，两种液体将会相互混匀。同样，连接导流部件9继续向下扎破，混合下层的液体直至扎破密封隔膜1-d为止。基于这一原理，当连接导流部件9运行到最大位置时，只要导流凹槽10的末端仍高于密封隔膜1-a，便可以使前端接口结构5中的多种液体进行混合，混合的比例为第一通孔3-a、3-b、3-c的容积比，当所有第一通孔孔径相同时，液体混合的比例就是第一通孔3-a、3-b、3-c的高度比；当各微流控功能模块的厚度都相同时，可以采用具有不同孔径的第一通孔实现调节各层液体混合比例的目的。因此通过调节前端接口结构5中各个微流控功能模块的厚度，即可实现多种液体多种比例的任意混合。当所有待转移液体全部被吸入导流凹槽10后，连接导流部件9前端继续下降直至接触到后端接口结构7的入口端11的底部；此时，在导流凹槽10内混合的待转移液体将直接被释放到毛细管8中。

本实用新型只需要对现有设备进行以下三处改动，就可实现微控流芯片的模块化组装：一是将前端接口结构5的出口处修改为如图1所示的第一通孔3-a、第一通孔3-b、或第一通孔3-c的通孔结构，并将其上下端使用密封隔膜进行完全密封与隔离，密封隔膜的选材基于芯片材质以保证密封效果；二是在后端接口结构7，即后端微流控芯片的入口端11处延长加入一段毛细管8，对于后端接口结构7本身就是毛细管8结构的微流控应用来说，需在原有基础上将毛细管8延长以保证液体转移过程不对后续功能产生影响；三是将前端接口结构5、前端接口结构5按图3所述方式组装，并在其上方加入连接导流部件9以及相应的执行元器件带动连接导流部件9上下运动，这些执行元器件可以是：直线电机、电磁铁、丝杆等。

这样预先将需要混合的液体封装在不同的第一通孔内，通过连接导流部件9的刺破操作，顺次将各第一通孔内的液体吸附到导流凹槽10内并实现混合，最终在连接导流部件9的前端接触到入口端11的底部时将混合后的液体释放到入口端11内并进入毛细管8，实现液体转移。本实用新型只需简单的一个扎破操作，便能实现液体的混合与转移，可取代原有复杂的机械手操作或是泵阀管路流体操作，使得微流控芯片的模块化组装成本大幅度降低，仪器大大简化。

优选的，如图2所示，所述连接导流部件9的前端为锥形体，所述导流凹槽10设置在所述连接导流部件9的侧壁上，所述导流凹槽10延伸至所述锥形体的前端。这种锥形体的机构，使得连接导流部件9前端的截面积更小，更容易刺破密封隔膜；连接导流部件9的前端采用锥形体结构，连接导流部件9进入液体的体积小，液体不易外溢；导流凹槽10延伸至锥形体的前端，液体与锥形体的前端接触的同时，也与导流凹槽10的前端实现了接触，可以迅速将液体吸附到导流凹槽10内，液体吸附速度快。

优选的，所述导流凹槽10为多个且相互连通。比如将导流凹槽10做成如图2所示的十字交叉装，即四个方向的导流凹槽10在连接导流部件9的轴线处相互连通，一则增大了导流凹槽10与液体的接触面积，提升了吸附效率；同时增大了整个导流凹槽10的容积，可以一次性吸附和转移较多的液体，提升液体转移效率。

优选的，所述毛细管8的管径小于所述导流凹槽10的宽度。这样可以保证液体能够顺利被毛细管8吸入，确保液体顺利转移；优选的，所述导流凹槽10的宽度≤2mm。导流槽宽度太大吸附效果较差或无法实现吸附液体的目的，因此优选将导流凹槽10的宽度设置为≤2mm，确保导流凹槽10吸附液体的能力。导流凹槽10的具体尺寸根据待转移液体的体积核算定制，导流凹槽10的总体体积等于需要转移的液体体积。

优选的，各所述微流控功能模块的厚度或对应第一通孔的孔径不同。为实现不同比例液体的混合，在各微流控功能模块的第一通孔孔径一致的情况下，可以通过选择具有不同厚度的微流控功能模块的方式实现；或者各微流控功能模块的厚度相同，但第一通孔孔径不同，通过选择合适孔径的第一通孔，也可以实现不同体积液体的混合。这里只是提供两种可选的实施方式，当然也可以将上述两种方式组合，即采用具有不同厚度以及第一通孔孔径不同的微流控功能模块进行组合，实现不同体积液体的灵活组合。

其中，所述毛细管8的长度≥10mm。对于原本没有毛细管8的微流控应用来说，需要在入口端11处增加长度在10mm以上的毛细管8；对于后端本身就是毛细管8结构的微流控应用来说，需在原有基础上将毛细管8延长10mm以上长度，从而保证液体转移过程不对后续功能产生影响。

其中，所述毛细管8的管道表面接触角＜90°。这里限定管道表面接触角主要是为了保证液体在毛细管8内可以顺利流动；比如利用亲水材料制作毛细管8、或者对毛细管8的内壁进行亲水化处理，使得毛细管8的管道表面接触角＜90°，让液体更容易吸附到毛细管8内壁上，保证液体能顺利进入毛细管8。

优选的，所述密封隔膜为：铝薄膜胶带、铜薄膜胶带、PC膜、PP膜、PE膜、橡胶薄膜、硅胶薄膜、或聚四氟乙烯薄膜。密封隔膜的选材应基于芯片材质，以保证两者连接的密封性，可以使用上述材料制成易于扎破且具有一定密闭性的密封隔膜，其中的PC膜、PP膜、PE膜的中文名称分别是：聚碳酸酯膜、聚丙烯膜、聚乙烯膜。

优选的，如图3和图4所示，本实用新型还包括垫于所述前端接口结构5与后端接口结构7之间的垫板层6，对应所述第一通孔处，所述垫板层6内设有上下贯穿的第二通孔，所述第二通孔的孔径大于或等于所述第一通孔的孔径。垫板层6可以使前端接口结构5到后端接口结构7的距离更远，避免最底层密封隔膜被撕破后自由端落入入口端11影响液体进入毛细管8，确保液体转移的顺利进行；第二通孔孔径大于或等于第一通孔的孔径，避免第二通孔对连接导流部件9造成阻挡，保证液体转移的顺利进行。

优选的，所述垫板层6厚度可调。通过设置不同厚度的垫板层6，使得前端接口结构5与后端接口结构7之间的距离可调节，满足不同环境的安装、组装需求。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、无泵阀管路结构以及微观-宏观接口，外部仪器简化；

2、不需要机械手以及对应的电机、轨道等复杂仪器控制系统，外部仪器成本大大缩减；

3、单次转移液体的体积由连接导流部件9的导流凹槽10的容积唯一确定，稳定性提高；

4、针对不同功能的微流控芯片，只需要稍微修改一下出口与入口的相关结构，即可实现液体转移，通用性和灵活性提高；

5、使得模块化的微流控系统的组装大大简化。

最后应说明的是：以上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精神和范围。