一种微流控芯片的制作方法

1.本发明属于微流控和医疗诊断领域，涉及一种微流控芯片。


背景技术：

2.基于抗原抗体反应的免疫吸附方法(enzyme linked immunosorbent assay，简称elisa)被广泛应用在医疗诊断和高等院校的生物学研究中。目前的免疫吸附反应耗材包括酶标板、纸层析和被动层流，这些方法分别有试剂用量大或者试剂加样量不可控的待改进空间。微流控集成流量泵进行主动液体输送是降低试剂用量并控制试剂加样量的解决方案之一。然而微流控所使用的流量泵多数体积较大，如注射泵、压缩空气泵等。虽然市面上已有多种微泵的解决方案，特别是基于热泡和压电原理的微泵，但是微流控芯片的结构整合方案并不能很好的完成两者的整合。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微流控芯片，用于解决现有技术中微流控芯片的主动液体输送存在流量泵体积较大的问题。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微流控芯片，包括：
5.上层流道结构层，所述上层流道结构层的上表面设有储液池、液体输入流道、检测腔室及废液排出流道，所述检测腔室的两端分别与所述液体输入流道及所述废液排出流道连通；
6.顶层盖板，位于所述上层流道结构层上方，所述顶层盖板中设有加样孔与废液孔，所述加样孔与所述储液池连通，所述废液孔与所述废液排出流道连通；
7.下层流道结构层，位于所述上层流道结构层下方；
8.底层盖板，位于所述下层流道结构层下方；
9.压电微泵，包括压电微泵流道及压电薄膜，所述压电微泵流道位于所述上层流道结构层及所述下层流道结构层中，并与所述储液池及所述液体输入流道分别连通，所述压电薄膜位于所述底层盖板的下表面，并与所述压电微泵流道对准，所述压电微泵用于自所述储液池至所述液体输入流道单向传输液体。
10.可选地，所述上层流道结构层的下表面设有第一凹腔及第二凹腔，所述储液池与所述第一凹腔通过贯穿所述上层流道结构层的第一通孔连通，所述第二凹腔与所述液体输入流道通过贯穿所述上层流道结构层的第二通孔连通，所述第一凹腔中放置有第一隔膜片；
11.所述下层流道结构层的上表面设有与所述第一凹腔对准的第三凹腔及与所述第二凹腔对准的第四凹腔，所述第四凹腔中放置有第二隔膜片，所述下层流道结构层的下表面设有第五凹腔，所述第五凹腔中放置有压电薄膜，且所述第五凹腔的底部设有下层传输流道、与所述第三凹腔对准的第六凹腔及与所述第四凹腔对准的第七凹腔，所述下层传输流道的两端分别与所述第六凹腔及所述第七凹腔连通，所述第三凹腔通过贯穿所述下层流
道结构层的第三通孔与所述第六凹腔连通，所述第四凹腔通过贯穿所述下层流道结构层的第四通孔与所述第七凹腔连通；
12.其中，所述第一通孔、所述第一凹腔、所述第一隔膜片、所述第三凹腔、所述第三通孔及所述第六凹腔共同组成第一压电微泵单向阀门，所述第二通孔、所述第二凹腔、所述第二隔膜片、所述第四凹腔、所述第四通孔及所述第七凹腔共同组成第二压电微泵单向阀门，所述第一压电微泵单向阀门、所述下层传输流道、所述第五凹腔、所述第二压电微泵单向阀门及所述压电薄膜共同组成所述压电微泵。
13.可选地，所述第一凹腔的开口面积大于所述第三凹腔的开口面积，所述第一隔膜片包括一悬浮部，所述悬浮部悬设于所述第三凹腔上方并遮盖所述第一通孔底部，且所述第三凹腔的开口面积大于所述悬浮部悬设于所述第三凹腔上方的部分的面积。
14.可选地，所述第一凹腔的底部设有一环绕或部分环绕所述第一通孔的凹槽。
15.可选地，所述第三凹腔的底部设有至少一凸台，所述凸台的台面低于所述下层流道结构层的顶面，且所述凸台靠近所述悬浮部锚定的一端。
16.可选地，所述第一隔膜片及所述第二隔膜片采用柔性材质。
17.可选地，所述顶层盖板、所述上层流道结构层及所述下层流道结构层的材质包括玻璃、硅、塑料中的任意一种，所述底层盖板采用柔性材质，或所述底层盖板采用厚度小于2毫米的硬质塑料。
18.可选地，所述顶层盖板、所述上层流道结构层、所述下层流道结构层及所述底层盖板之间通过胶粘、化学键合、热压键合中的任意一种方式连接。
19.可选地，所述微流控芯片包括至少两个所述加样孔、至少两个所述储液池及至少两个所述压电微泵，每个所述储液池分别通过不同的所述压电微泵向所述检测腔室单向传输液体。
20.可选地，所述微流控芯片包括至少两个所述反应腔室。
21.可选地，所述微流控芯片用于免疫吸附反应或基因探针反应。
22.如上所述，本发明的微流控芯片整合了压电微泵，可以实现自储液池至检测腔室的主动流体控制，并可以防止倒流。当微流控芯片中包含多个储液池及多个压电微泵时，还可以实现多液路切换。本发明的微流控芯片可以应用于多种反应，包括但不限于免疫吸附反应、基因探针反应等，基于所需反应在储液池中加入所需样品、试剂即可。
附图说明
23.图1显示为本发明的微流控芯片的结构示意图。
24.图2显示为所述上层流道结构层的立体结构示意图。
25.图3显示为所述上层流道结构层的俯视图。
26.图4显示为所述上层流道结构层的仰视图。
27.图5显示为所述顶层盖板的立体结构图。
28.图6显示为所述顶层盖板的俯视图。
29.图7显示为所述下层流道结构层的立体结构示意图。
30.图8显示为所述下层流道结构层的俯视图。
31.图9显示为所述下层流道结构层的仰视图。
32.图10显示为所述第一压电微泵单向阀门的剖面结构立体图(含不可视部分)。
33.图11显示为所述第一压电微泵单向阀门的剖面结构立体图(可视部分)。
34.图12显示为所述第一压电微泵单向阀门的剖面结构的分解结构示意图。
35.图13显示为所述第一压电微泵单向阀门的剖面结构在另一角度下的分解结构示意图。
36.元件标号说明
37.100
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顶层盖板
38.101
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加样孔
39.102
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废液孔
40.200
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上层流道结构层
41.201
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储液池
42.202
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液体输入流道
43.203
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检测腔室
44.204
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废液排出流道
45.205
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第一凹腔
46.206
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第二凹腔
47.207
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第一通孔
48.208
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第二通孔
49.209
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第一隔膜片
50.209a
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悬浮部
51.210
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凹槽
52.300
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下层流道结构层
53.301
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下层传输流道
54.302
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第三凹腔
55.303
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第四凹腔
56.304
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第五凹腔
57.305
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第六凹腔
58.306
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第七凹腔
59.307
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第三通孔
60.308
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第四通孔
61.309
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凸台
62.400
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底层盖板
具体实施方式
63.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
64.请参阅图1至图13。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本
发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
65.实施例一
66.本发明提供一种微流控芯片，请参阅图1，显示为该微流控芯片的结构示意图，包括自上而下依次设置的顶层盖板100、上层流道结构层200、下层流道结构层300及底层盖板400，且所述微流控芯片还包括压电微泵。
67.具体的，请参阅图2至图4，其中，图2显示为所述上层流道结构层200的立体结构示意图，图3显示为所述上层流道结构层的俯视图，图4显示为所述上层流道结构层的仰视图，可见，所述上层流道结构层200的上表面设有储液池201、液体输入流道202、检测腔室203及废液排出流道204，所述检测腔室203的两端分别与所述液体输入流道202及所述废液排出流道204连通。
68.作为示例，所述检测腔室203与所述液体输入流道202连接的一端的开口面积由所述液体输入流道202至所述检测腔室203方向逐渐扩大，所述检测腔室204与所述废液排出流道204连接的一端的开口面积由所述检测腔室203至所述废液排出流道204方向逐渐缩小，以降低液体在所述检测腔室203中的流动速度。
69.请参阅图5及图6，分别显示为所述顶层盖板100的立体结构图与俯视图，所述顶层盖板100中设有加样孔101与废液孔102，所述加样孔101与所述储液池201连通，所述废液孔102与所述废液排出流道204连通。
70.请参阅图7至图9，其中，图7显示为所述下层流道结构层300的立体结构示意图，图8显示为所述下层流道结构层300的俯视图，图9显示为所述下层流道结构层300的仰视图。
71.具体的，所述顶层盖板100用于封闭所述上层流道结构层200开放的流道和为上层流道结构层流道预留外接开口，所述底层盖板400(未单独图示)用于封闭所述下层流道层300开放的流道。
72.具体的，所述压电微泵包括压电微泵流道及压电薄膜(未图示)，所述压电微泵流道位于所述上层流道结构层200及所述下层流道结构层300中，并与所述储液池201及所述液体输入流道202分别连通，所述压电薄膜位于所述底层盖板400的下表面，并与所述压电微泵流道对准，所述压电微泵用于自所述储液池201至所述液体输入流道202单向传输液体。
73.作为示例，请回头参见图4，所述上层流道结构层200的下表面设有第一凹腔205及第二凹腔206，所述储液池201与所述第一凹腔205通过贯穿所述上层流道结构层200的第一通孔207连通，所述第二凹腔206与所述液体输入流道202通过贯穿所述上层流道结构层的第二通孔208连通，所述第一凹腔中放置有第一隔膜片209(请参见后续图10至图13)；请回头参见图7及图8，所述下层流道结构层300的上表面设有与所述第一凹腔205对准的第三凹腔302及与所述第二凹腔206对准的第四凹腔303，所述第四凹腔303中放置有第二隔膜片(未图示)；请回头参见图9，所述下层流道结构层300的下表面设有第五凹腔304，所述第五凹腔304中放置有压电薄膜(未图示)，且所述第五凹腔304的底部设有下层传输流道301、与所述第三凹腔302对准的第六凹腔305及与所述第四凹腔303对准的第七凹腔306，所述下层传输流道301的两端分别与所述第六凹腔305及所述第七凹腔306连通，所述第三凹腔302通
过贯穿所述下层流道结构层300的第三通孔307与所述第六凹腔305连通，所述第四凹腔303通过贯穿所述下层流道结构层300的第四通孔308与所述第七凹腔306连通。
74.其中，所述第一通孔207、所述第一凹腔205、所述第三凹腔302、所述第三通孔307、所述第六凹腔305、所述下层传输流道301、所述第五凹腔304、所述第二通孔208、所述第二凹腔206、所述第四凹腔303、所述第四通孔308及所述第七凹腔306共同组成所述压电微泵流道。
75.特别的，所述第一通孔207、所述第一凹腔205、所述第一隔膜片209、所述第三凹腔302、所述第三通孔307及所述第六凹腔305共同组成第一压电微泵单向阀门，用于自所述储液池201至所述下层传输流道301单向传输液体，所述第二通孔208、所述第二凹腔206、所述第二隔膜片、所述第四凹腔303、所述第四通孔308及所述第七凹腔306共同组成第二压电微泵单向阀门，用于自所述下层传输流道301至所述液体输入流道202单向传输液体。所述第一压电微泵单向阀门、所述下层传输流道301、所述第五凹腔304、所述第二压电微泵单向阀门及所述压电薄膜共同组成所述压电微泵。
76.本实施例中，所述第五凹腔304及所述压电薄膜以圆形为例，在其他实施例中，所述第五凹腔304及所述压电薄膜也可以为其它形状，此处不应过分限制本发明的保护范围。
77.请参阅图10至图13，显示为所述第一压电微泵单向阀门的放大结构示意图，其中，图10显示为所述第一压电微泵单向阀门的剖面结构立体图(含不可视部分)，图11显示为所述第一压电微泵单向阀门的剖面结构立体图(可视部分)，图12显示为所述第一压电微泵单向阀门的剖面结构的分解结构示意图，图13显示为所述第一压电微泵单向阀门的剖面结构在另一角度下的分解结构示意图。
78.具体的，所述第一压电微泵单向阀门的内部流道由所述第一通孔207、所述第一凹腔205、所述第三凹腔302、所述第三通孔307及所述第六凹腔305共同组成，所述第二压电微泵单向阀门的内部流道由所述第二通孔208、所述第二凹腔206、所述第四凹腔303、所述第四通孔308及所述第七凹腔共306同组成。
79.作为示例，所述第一凹腔205的开口面积大于所述第三凹腔302的开口面积，所述第一隔膜片209包括一悬浮部209a，所述悬浮部209a悬设于所述第三凹腔302上方并遮盖所述第一通孔207底部以实现单向阀功能，且所述第三凹腔302的开口面积大于所述悬浮部209a悬设于所述第三凹腔302上方的部分的面积以避免所述第三凹腔302的开口被所述悬浮部209a完全遮挡而不能使得液体向所述第三通孔307方向流出。
80.作为示例，所述第一凹腔205的底部设有一环绕或部分环绕所述第一通孔207的凹槽210，以更有效地阻挡液体回流，所述凹槽210与所述第一通孔207之间间隔一段距离。
81.作为示例，所述第三凹腔302的底部设有至少一凸台309，所述凸台的台面低于所述下层流道结构层300的顶面，且所述凸台309靠近所述悬浮部209a锚定的一端。其中，所述第三凹302腔主要用于为所述第一隔膜片209提供形变空间，所述凸台309可以缓冲所述第一隔膜片209的悬浮部209a的形变，避免所述悬浮部209a完全堵住所述第三通孔使307得液体不能通过所述第三通孔307流出。
82.需要指出的是，所述第二压电微泵单向阀门中，位于所述下层流道结构层300上表面的所述第四凹腔303可以采用与位于所述上层流道结构层200下表面的所述第一凹腔205相同的构造，位于所述上层流道结构层200下表面的所述第二凹腔206可以采用与位于下层
流道层300上表面的所述第三凹腔302相同的构造，所述第二隔膜片放置于所述第四凹腔303中，以实现与所述第一压电微泵单向阀门相反单向传输方向。
83.作为示例，所述第一隔膜片209及所述第二隔膜片采用柔性材质，包括但不限于硅胶、聚二甲基硅氧烷(pdms)等材质。
84.作为示例，为实现不同液体的加入及多液路切换，所述微流控芯片可以包括至少两个所述加样孔、至少两个所述储液池及至少两个所述压电微泵，每个所述储液池分别通过不同的所述压电微泵向所述检测腔室单向传输液体。本实施例中，以一个检测腔室对应三个储液池为例，在其它实施例中，所述储液池的数量可以不限于3个，所述检测腔室的数量也可以不限于1个，此处不应过分限制本发明的保护范围。
85.具体的，所述顶层盖板100、所述上层流道结构层200及所述下层流道结构层300可以由透明或不透明的固体材料制成，包括但不限于玻璃、硅、塑料等材质。所述底层盖板400优选采用柔性材质，以能够随着所述压电薄膜的弯曲而弯曲，当然，所述底层盖板400也可以采用较薄的硬质材质，同样能起到一定形变作用，例如采用厚度小于2毫米的硬质塑料。所述顶层盖板100、所述上层流道结构层200、所述下层流道结构层300及所述底层盖板400之间可以通过胶粘(例如双面胶)、化学键合、热压键合等方式组装连接。
86.具体的，所述压电微泵的工作原理如下：
87.(1)当压电薄膜在电信号的作用下向下弯曲使得所述压电微泵流道的容积增大，所述第一压电微泵单向阀门的所述第三凹腔302产生负压，使得所述第一隔膜片209的悬浮部朝向所述第三凹腔302运动而脱离所述第一通孔207底部，所述储液池201中的液体由所述第一通孔207流入所述第三凹腔302，并通过所述第三通孔307流入所述下层传输流道301。与此同时，所述第二压电微泵单向阀门的所述第四通孔308也产生负压，使得所述第二隔膜片的悬浮部紧贴所述第四通孔308的出口，液体不能通过所述第四通孔308流向所述第二凹腔206。
88.(2)当压电薄膜在电信号的作用下向上弯曲使得所述压电微泵流道的容积减小，所述第一压电微泵单向阀门的所述第三凹腔302产生正压，使得所述第一隔膜片209的悬浮部209a紧贴所述第一通孔207底部，防止液体倒流。与此同时，所述第二压电微泵单向阀门的所述第四通孔308也产生正压，使得所述第二隔膜片的悬浮部脱离所述第四通孔308的出口，所述下层传输流道301中的液体通过所述第四通孔308流向所述第二凹腔206，进而通过所述第二通孔208流向所述液体输入流道202，并最终进入所述检测腔室203。
89.本实施例的微流控芯片整合了压电微泵，可以实现自储液池至检测腔室的主动流体控制，并可以防止倒流。当微流控芯片中包含多个储液池及多个压电微泵时，还可以实现多液路切换。本发明的微流控芯片可以应用于多种反应，包括但不限于免疫吸附反应、基因探针反应等，基于所需反应在储液池中加入所需样品、试剂即可。
90.实施例二
91.本实施例中利用实施例一中所述的微流控芯片，在微流控芯片的检测腔室包被检测特定待检测物质的抗体来检测液体样本中待测物的含量。
92.作为示例，所述微流控芯片的使用方法包括：实验开始前，通过加样孔向不同的储液池注入不同待使用样品或试剂。然后依次运行各个压电微泵，将样品或试剂泵入检测腔室并完成反应。
93.具体的，通过使用多个所述加样孔，可以完成多种液体按顺序加入的过程。例如，第一个储液池可以完成样本液体向检测腔室的输送；待输送了一定量的样本液体后，使用第二个储液池向检测区域输送一定量的检测液体产生信号；然后再使用第三个储液池向检测腔室输送一定量的清洗液洗掉未反应的液体，废液通过废液孔排出。
94.综上所述，本发明的微流控芯片整合了压电微泵，可以实现自储液池至检测腔室的主动流体控制，并可以防止倒流。当微流控芯片中包含多个储液池及多个压电微泵时，还可以实现多液路切换。本发明的微流控芯片可以应用于多种反应，包括但不限于免疫吸附反应、基因探针反应等，基于所需反应在储液池中加入所需样品、试剂即可。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
95.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。