本發(fā)明涉及微流控
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種微流控芯片上的多并行反應(yīng)通道樣品自動(dòng)投放及階梯式濃度控制裝置及方法。
背景技術(shù)：
：離心力驅(qū)動(dòng)的微流控芯片，是利用微流控芯片在做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的離心力作為液流的驅(qū)動(dòng)力，通過改變芯片旋轉(zhuǎn)速度和設(shè)計(jì)不同的通道構(gòu)型來(lái)調(diào)節(jié)和控制流體的動(dòng)態(tài)特性。離心力驅(qū)動(dòng)是微流控驅(qū)動(dòng)技術(shù)中較為獨(dú)特的一種技術(shù)，與其他微流體驅(qū)動(dòng)方式相比它具有加工方便、成本低，集成度高、高通量、流體流動(dòng)無(wú)脈動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。離心力驅(qū)動(dòng)范圍廣，整個(gè)芯片上都可同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要額外的泵浦，甚至可以直接利用已有的光盤機(jī)。微流控分析技術(shù)通過微加工技術(shù)將微閥、微通道、微反應(yīng)室、微泵等功能元器件像集成電路一樣集成在芯片材料上，配合光學(xué)檢測(cè)、電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞、分子水平的檢測(cè)，又因其在材料及試劑的低耗、原位分析、快速實(shí)時(shí)等優(yōu)越性，在化學(xué)、生物領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在離心力驅(qū)動(dòng)的微流控芯片上需要實(shí)現(xiàn)不同液體特定濃度的混合，來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及特性測(cè)量時(shí)，現(xiàn)有解決方案要么采用人工配置，耗時(shí)長(zhǎng)效率低；要么購(gòu)買已配好溶液，成本高；要么在芯片運(yùn)行一個(gè)步驟后中斷實(shí)驗(yàn)，重新加樣后運(yùn)行下一個(gè)步驟，以實(shí)現(xiàn)以上功能。且采用人工投放樣品，操作復(fù)雜，容易引入誤差，成本高。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而設(shè)計(jì)的。可以在不間斷實(shí)驗(yàn)的情況下，在同一個(gè)微流控芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)n(n≥1)種液體的定量混合，并借助檢測(cè)設(shè)備對(duì)混合物進(jìn)行檢測(cè)的方法。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：根據(jù)本發(fā)明提供的一種在同一個(gè)微流控芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)n(n≥1)種液體的定量混合的微流控芯片，包括芯片體、螺旋通道、樣品室、廢液室、計(jì)量室、微閥、微流通道、混液室；為了便于描述，以同一條從芯片體中心指向邊緣的半徑線作為參照，將相對(duì)靠近芯片體中心的位置稱為近心側(cè)，相對(duì)遠(yuǎn)離芯片體中心的位置稱為遠(yuǎn)心側(cè)，所述芯片體上設(shè)置n條螺旋通道，n為大于等于1的整數(shù)，所述n條螺旋通道在芯片體上依次間隔分布，每條螺旋通道從靠近芯片體中心位置起始，螺旋延伸至靠近芯片體邊緣位置終止，起始端設(shè)置有樣品室，終止端設(shè)置有廢液室，沿著螺旋通道外緣間隔布局有計(jì)量室，計(jì)量室近心側(cè)與螺旋通道相通，計(jì)量室遠(yuǎn)心側(cè)連接有微閥，微閥開口于其遠(yuǎn)心側(cè)的螺旋通道，最外側(cè)螺旋通道的計(jì)量室的遠(yuǎn)心側(cè)依次設(shè)置微閥和微流通道，微流通道遠(yuǎn)心側(cè)設(shè)置混液室。通過對(duì)樣品室、螺旋通道、計(jì)量室、微閥、混液室和廢液池等的設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)裝置受到的離心力大小使得樣品室里的樣品進(jìn)入對(duì)應(yīng)的螺旋通道，并通過對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的速率大小的調(diào)節(jié)來(lái)控制微流控芯片上的液體樣品的流動(dòng)狀態(tài)，使樣品在離心力作用下，進(jìn)入并充滿計(jì)量室，多余液體流入廢液池，然后在毛細(xì)管微閥結(jié)構(gòu)控制下，以“從外層螺旋通道的計(jì)量室到內(nèi)層螺旋通道的計(jì)量室”的順序，依次進(jìn)入混液室。通過對(duì)計(jì)量室的尺寸設(shè)計(jì)，控制進(jìn)入混液室的體積；通過對(duì)微閥的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)樣品進(jìn)入混液室的次序。如此，可將濃度不同的溶液集成在芯片上，實(shí)現(xiàn)多并行反應(yīng)通道的樣品自動(dòng)投放及特定濃度控制的目的。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。微流控芯片上設(shè)置的n條螺旋通道，n也可為大于等于2的整數(shù)。且螺旋通道的條數(shù)n，最大可增加至因所述微流芯片的體積所限不能再增加為止。作為本發(fā)明的微流控芯片的進(jìn)一步優(yōu)化的方案，螺旋通道、樣品室、廢液室上可設(shè)置通氣孔。本明發(fā)提供的微流控芯片上，由外向內(nèi)不同的螺旋通道的微閥，可以通過對(duì)其閥值的設(shè)計(jì)，達(dá)到使流體按需要的順序移動(dòng)進(jìn)入外側(cè)的量液室或混液室中。如：可以設(shè)計(jì)成各微閥的阻力從遠(yuǎn)心側(cè)向近心側(cè)的各微閥，其閾值逐漸增大，以使微流芯片旋轉(zhuǎn)速率變大時(shí)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)心端的微閥先于近心端微閥打開，以使微流芯片旋轉(zhuǎn)速率變大時(shí)，實(shí)現(xiàn)近心側(cè)量液室中的液體依次進(jìn)入遠(yuǎn)心側(cè)螺旋通道的量液室中。通過對(duì)量液室的容積根據(jù)需要設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)不同液體在混液室中以需要的比例混合。本發(fā)明提供的微流控芯片的附圖雖然均為圓形，但芯片的形狀可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成如正方形、橢圓形、長(zhǎng)方形、三角形等一切轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上可接受的幾何形狀(包括不對(duì)稱的幾何圖形)。需要實(shí)現(xiàn)n種液體定量混合，并借助檢測(cè)設(shè)備對(duì)混合物進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以按以下步驟操作：(1)在具有n條螺旋通道的微流控芯片的樣品室中分別加入待混合液體；(2)將所述微流芯片放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，使微流控芯片旋轉(zhuǎn)，液體進(jìn)入螺旋通道，并依次裝滿位于螺旋通道遠(yuǎn)心側(cè)的多個(gè)計(jì)量室，多余液體進(jìn)入位于螺旋通道終止端的廢液室；(3)逐漸加快微流控芯片的旋轉(zhuǎn)速率，使計(jì)量室中的液體以“最遠(yuǎn)心側(cè)螺旋通道的計(jì)量室中的液體最先，最近心側(cè)螺旋通道的計(jì)量室中的液體最后”的由外向內(nèi)的順序，依次進(jìn)入混液室，多余液體進(jìn)入廢液室中；(6)各液體在混液室中完成混合及反應(yīng)，使用檢測(cè)設(shè)備對(duì)混液室中的液體進(jìn)行檢測(cè)。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明是基于轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上的微流控芯片裝置，通過改變轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，控制液體樣品在螺旋通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，控制液體進(jìn)入并充滿計(jì)量室，并通過調(diào)節(jié)微閥的開閉來(lái)控制液體樣品從外到內(nèi)依次進(jìn)入混液室。通過對(duì)計(jì)量室及微閥的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多種樣品的自動(dòng)投放及濃度呈階梯式變化的溶液。對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的具體尺寸可根據(jù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)對(duì)象、操作樣品的不同來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同類型的實(shí)驗(yàn)操作。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了多并行反應(yīng)通道樣品自動(dòng)投放及特定濃度的控制，并且不同濃度的溶液所在的混液室分布在一塊微流控芯片上，可利用檢測(cè)裝置同時(shí)檢測(cè)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且操作方便。螺旋通道的軌跡，可以通過多種軌跡方程獲得，比如，螺旋通道的軌跡(X，Y)參數(shù)方程可以為：Xt＝r+R*t/2*π*cos(t)Yt＝r+R*t/2*π*sin(t)t為該點(diǎn)軌跡與X軸間的弧度角，r為螺旋通道起始點(diǎn)與芯片中心的距離，(r+R)為螺旋通道終止點(diǎn)與芯片中心的距離。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明中微流控芯片上螺旋通道的條數(shù)“n”值為1時(shí)，微流控芯片的示意圖。圖2是本發(fā)明中微流控芯片上螺旋通道的條數(shù)“n”值為1時(shí)，微流控芯片的俯視圖。圖3是本發(fā)明中微流控芯片上螺旋通道的條數(shù)“n”值為2時(shí)，微流控芯片的示意圖。圖4是本發(fā)明中微流控芯片上螺旋通道的條數(shù)“n”值為3時(shí)，微流控芯片的示意圖。圖5是本發(fā)明中微流控芯片上螺旋通道的條數(shù)“n”值為4時(shí)，微流控芯片的示意圖。圖6是本發(fā)明中微流控芯片上螺旋通道的條數(shù)“n”值為4時(shí)，微流控芯片上涉及局部螺旋通道、量液室、微閥、微流通道、混液室的局部局部放大圖。附圖標(biāo)記：1-芯片體，2-樣品室，3-計(jì)量室，4-螺旋通道，5-微閥，6-微流通道，7-混液室，8-廢液室，9-電機(jī)，10-通氣孔，11-主軸。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明：如圖1、圖2所示，是本發(fā)明的一種微流控芯片，芯片體上設(shè)置1條螺旋通道，及相應(yīng)的樣品室、螺旋通道、廢液室、計(jì)量室、微閥、微流通道和混液室。樣品室位于靠近芯片中心的位置，廢液室位于靠近芯片邊緣位置，所述螺旋通道具有近心端和遠(yuǎn)心端，近心端與樣品室相通，遠(yuǎn)心端與廢液池相通，多個(gè)計(jì)量室沿著螺旋通道分布于螺旋通道外側(cè)，并與螺旋通道相通，每個(gè)計(jì)量室外側(cè)連接有一個(gè)微閥；微流通道分別開口于對(duì)應(yīng)的混液室。將液體加入到樣品室，使用旋轉(zhuǎn)設(shè)備使芯片旋轉(zhuǎn)，樣品沿螺旋通道移動(dòng)，進(jìn)入計(jì)量室中，調(diào)節(jié)芯片旋轉(zhuǎn)速度，使樣品樣品室中，調(diào)節(jié)芯片轉(zhuǎn)動(dòng)速率，使得樣品進(jìn)入螺旋通道，然后在離心力的作用下，樣品分別進(jìn)入10個(gè)計(jì)量室中，此時(shí)毛細(xì)管微閥處于關(guān)閉狀態(tài)，樣品無(wú)法從計(jì)量室中流出，故會(huì)瞬間填充滿計(jì)量室，多余樣品進(jìn)入廢液室中；增大芯片轉(zhuǎn)速，使樣品分別進(jìn)入10個(gè)混液室。預(yù)先設(shè)置微閥的阻力，以及計(jì)量室的尺寸，微閥控制樣品進(jìn)入混液室的次序，計(jì)量室的尺寸控制樣品進(jìn)入混液室的體積，可實(shí)現(xiàn)樣品間不同比例的配比。由于芯片結(jié)構(gòu)內(nèi)會(huì)存留空氣，螺旋通道內(nèi)徑很小時(shí)，需設(shè)計(jì)通氣孔，通氣孔位置和數(shù)量可根據(jù)具體的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行調(diào)整。圖3所示，是本發(fā)明的一種微流控芯片，芯片體上設(shè)置2條螺旋通道，及相應(yīng)的樣品室、螺旋通道、廢液室、計(jì)量室、微閥、微流通道和混液室?？蓪?shí)現(xiàn)2種樣品的自動(dòng)投放及特定濃度的控制。具體操作過程如下，將兩種樣品(樣品A、樣品B)先加入2個(gè)樣品室中(為了描述方便，這里將加樣品A的螺旋通道稱為螺旋通道A，加樣品B的螺旋通道稱為螺旋通道B)，調(diào)節(jié)微液控芯片轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，使得樣品A和樣品B分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的螺旋通道中，然后在離心力的作用下，兩種樣品分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)螺旋通道外側(cè)的計(jì)量室中，此時(shí)，螺旋通道的毛細(xì)管微閥處于關(guān)閉狀態(tài)，樣品無(wú)法從計(jì)量室中流出，故會(huì)瞬間填充滿計(jì)量室，多余樣品進(jìn)入廢液室中。外側(cè)螺旋通道的微閥相較于內(nèi)側(cè)螺旋通道的微閥距芯片中心更遠(yuǎn)，故所受離心力更大，會(huì)先于內(nèi)側(cè)螺旋通道的微閥開啟。增大微流芯片的轉(zhuǎn)速，使得外側(cè)螺旋通道的微閥處于打開狀態(tài)，內(nèi)側(cè)螺旋通道的微閥處于關(guān)閉狀態(tài)，則外側(cè)螺旋通道的計(jì)量室中樣品會(huì)通過微閥經(jīng)過微流通道進(jìn)入混液室；繼續(xù)增大電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得內(nèi)側(cè)螺旋通道的微閥打開，內(nèi)側(cè)螺旋通道的計(jì)量室中的樣品會(huì)通過微閥，并在離心力的作用下，瞬間通過外側(cè)螺旋通道的計(jì)量室、微閥、微流通道，進(jìn)入混液室。在此過程中，微閥控制樣品進(jìn)入混液室的次序，計(jì)量室的尺寸控制樣品進(jìn)入混液室的體積，可實(shí)現(xiàn)樣品間不同比例的配比。表1微流控芯片體上設(shè)置2條螺旋通道，以實(shí)現(xiàn)2種液體的10種配比螺旋通道A上10個(gè)計(jì)量室的容積(微升)67891012345螺旋通道B上10個(gè)計(jì)量室的容積(微升)1513111719161113148混液室中混合液的A∶B(體積比)6/157/138/119/1710/191/62/113/134/145/8此外，可采取其他操作方案，如可將液體同時(shí)放在樣品室中，通過改變樣品室的結(jié)構(gòu)及與螺旋通道的接觸角，實(shí)現(xiàn)不同速度選擇不同樣品室內(nèi)的樣品進(jìn)入螺旋通道的目的。由于液體在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中始終受到的離心力的作用，使得只需根據(jù)適用液體種類及需求的不同來(lái)進(jìn)行速度的調(diào)節(jié)，計(jì)量室尺寸、微閥尺寸及結(jié)構(gòu)通道尺寸的設(shè)計(jì)，計(jì)量室及混液室數(shù)量的調(diào)整，便可實(shí)現(xiàn)兩種樣品的自動(dòng)投放及溶液濃度呈階梯式的變化。圖4是本發(fā)明的一種微流控芯片，芯片體上設(shè)置3條螺旋通道，及相應(yīng)的樣品室、螺旋通道、廢液室、計(jì)量室、微閥、微流通道和混液室?？蓪?shí)現(xiàn)3種樣品的自動(dòng)投放及特定濃度的控制。具體操作過程如下，將兩種樣品(樣品A、樣品B、樣品C)先放入3個(gè)樣品室中(為了描述方便，這里將加樣品A的螺旋通道稱為螺旋通道A，加樣品B的螺旋通道稱為螺旋通道B，加樣品C的螺旋通道稱為螺旋通道C)。調(diào)節(jié)微液控芯片轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，使得樣品A、樣品B和樣品C分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的螺旋通道中，然后在離心力的作用下，3種樣品分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)螺旋通道外側(cè)的計(jì)量室中，此時(shí)，螺旋通道的毛細(xì)管微閥處于關(guān)閉狀態(tài)，樣品無(wú)法從計(jì)量室中流出，故會(huì)瞬間填充滿計(jì)量室，多余樣品進(jìn)入廢液室中。外側(cè)螺旋通道的微閥相較于其內(nèi)側(cè)各螺旋通道的微閥距芯片中心更遠(yuǎn)，故所受離心力更大，會(huì)先于其內(nèi)側(cè)螺旋通道的微閥開啟。增大微流芯片的轉(zhuǎn)速，使得最外側(cè)螺旋通道的微閥處于打開狀態(tài)，其內(nèi)側(cè)所有螺旋通道的微閥處于關(guān)閉狀態(tài)，則最外側(cè)螺旋通道的計(jì)量室中樣品會(huì)通過微閥經(jīng)過微流通道進(jìn)入混液室；繼續(xù)增大電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得其內(nèi)側(cè)螺旋通道的微閥依次打開，內(nèi)側(cè)螺旋通道的計(jì)量室中的樣品會(huì)通過微閥，并在離心力的作用下，瞬間通過相對(duì)外側(cè)螺旋通道的計(jì)量室、微閥，進(jìn)入相對(duì)外側(cè)的螺旋通道的計(jì)量室，并最終經(jīng)過微流通道進(jìn)入混液室。在此過程中，微閥控制樣品進(jìn)入混液室的次序，計(jì)量室的尺寸控制樣品進(jìn)入混液室的體積，可實(shí)現(xiàn)樣品間不同比例的配比。表2微流控芯片體上設(shè)置3條螺旋通道，以實(shí)現(xiàn)3種液體的9種配比螺旋通道A上9個(gè)計(jì)量室的容積(微升)6789101234螺旋通道B上9個(gè)計(jì)量室的容積(微升)8109131579813螺旋通道C上9個(gè)計(jì)量室的容積(微升)11141213177111317混液室中混合液的A∶B∶C(體積比)6/8/117/10/148/9/129/13/1310/15/171/7/72/9/113/8/134/13/17圖5是本發(fā)明的一種微流控芯片，芯片體上設(shè)置4條螺旋通道，及相應(yīng)的樣品室、螺旋通道、廢液室、計(jì)量室、微閥、微流通道和混液室?？蓪?shí)現(xiàn)4種樣品的自動(dòng)投放及特定濃度的控制。具體操作過程如下，將兩種樣品(樣品A、樣品B、樣品C、樣品D)先放入4個(gè)樣品室中(為了描述方便，這里將加樣品A的螺旋通道稱為螺旋通道A，加樣品B的螺旋通道稱為螺旋通道B，加樣品C的螺旋通道稱為螺旋通道C，加樣品D的螺旋通道稱為螺旋通道D)。調(diào)節(jié)微液控芯片轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，使得樣品A、樣品B、樣品C和樣品D分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的螺旋通道中，然后在離心力的作用下，4種樣品分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)螺旋通道外側(cè)的計(jì)量室中，此時(shí)，螺旋通道的毛細(xì)管微閥處于關(guān)閉狀態(tài)，樣品無(wú)法從計(jì)量室中流出，故會(huì)瞬間填充滿計(jì)量室，多余樣品進(jìn)入廢液室中。相對(duì)外側(cè)螺旋通道的微閥相較于其內(nèi)側(cè)各螺旋通道的微閥距芯片中心更遠(yuǎn)，故所受離心力更大，會(huì)先于其內(nèi)側(cè)螺旋通道的微閥開啟。增大微流芯片的轉(zhuǎn)速，使得最外側(cè)螺旋通道的微閥處于打開狀態(tài)，其內(nèi)側(cè)所有螺旋通道的微閥處于關(guān)閉狀態(tài)，則最外側(cè)螺旋通道的計(jì)量室中樣品會(huì)通過微閥經(jīng)過微流通道進(jìn)入混液室；繼續(xù)增大電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得其內(nèi)側(cè)螺旋通道的微閥依次打開，內(nèi)側(cè)螺旋通道的計(jì)量室中的樣品會(huì)依次通過微閥，并在離心力的作用下，通過相對(duì)外側(cè)螺旋通道的計(jì)量室、微閥，進(jìn)入相對(duì)外側(cè)的螺旋通道的計(jì)量室，并最終經(jīng)過微流通道進(jìn)入混液室。在此過程中，微閥控制樣品進(jìn)入混液室的次序，計(jì)量室的尺寸控制樣品進(jìn)入混液室的體積，可實(shí)現(xiàn)樣品間不同比例的配比。表3微流控芯片體上設(shè)置4條螺旋通道，以實(shí)現(xiàn)4種液體的9種配比以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替代，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3