專利名稱：用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微流控儀器平臺技術(shù)，特別涉及一種集電驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、介電電泳和完全自動(dòng)化控制于一體的用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置。
背景技術(shù)：
微流控芯片(microfluidic chip)因其具有低耗、快速、多種分析功能可集成等優(yōu)點(diǎn)而成為近年來生物、化學(xué)等領(lǐng)域微分析研究的重要平臺。由于微流控芯片分析是在一個(gè)幾平方厘米芯片上、網(wǎng)絡(luò)特征的微米級分離分析通道內(nèi)，通過對納升甚至皮升級樣品規(guī)模的快速操縱，而實(shí)現(xiàn)生化實(shí)驗(yàn)所涉及的樣品制備、進(jìn)樣、混合、反應(yīng)、分離、檢測等操作的一種新型分析技術(shù)。因此，對于微流控芯片分析系統(tǒng)來說，要想和上述優(yōu)點(diǎn)很好地連用，有效解決生化流體的自動(dòng)操縱問題迫在眉睫。近年來，國際上用于微流控芯片流體驅(qū)動(dòng)與控制的方法主要依賴二類操縱技術(shù) 芯片上帶有微閥或/和微泵裝置的閥控泵技術(shù)和連續(xù)動(dòng)態(tài)流控技術(shù)。閥控泵技術(shù)需要(機(jī)械)微泵驅(qū)動(dòng)流體、閥控制流體的流向。其優(yōu)點(diǎn)是便于微型化。其缺點(diǎn)是由于包含微型可動(dòng)部件、芯片加工難度大、成本昂貴，微閥的性能相對較差，存在背壓低、泄漏和死體積等諸多問題，應(yīng)用效果難以令人滿意。連續(xù)動(dòng)態(tài)流控技術(shù)，包括機(jī)械式(微泵)和非機(jī)械兩種。 機(jī)械微泵，比如注射泵、氣動(dòng)泵、壓電泵等，一般通過移動(dòng)液固和液液界面以對液體的移動(dòng)施加震動(dòng)或旋轉(zhuǎn)力來驅(qū)動(dòng)流體。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、對流體性質(zhì)沒有要求、能夠提供與芯片微通道匹配的低流量輸送。其缺點(diǎn)是難以控制流體的流向、不容易與芯片集成。非機(jī)械連續(xù)動(dòng)態(tài)流控技術(shù)，比如電驅(qū)動(dòng)、介電電泳、光驅(qū)動(dòng)、以及磁驅(qū)動(dòng)等，則依靠施加到被驅(qū)動(dòng)流體上的電、光、磁等能量提供流體的驅(qū)動(dòng)操作，流體流向則是通過外加能量場的方向進(jìn)行控制?；陔姖B或/和電泳原理的電驅(qū)動(dòng)，是目前微流控芯片分析中最主要的微流體操縱手段。電驅(qū)動(dòng)以外加電壓(電場)作為流體的驅(qū)動(dòng)控制源，通過同步調(diào)控施加到芯片夜池上電壓，可以人為地調(diào)節(jié)芯片交叉口(節(jié)電)的電壓，從而可以調(diào)控芯片交叉口到各個(gè)液池間電場強(qiáng)度的大小和方向；在不同微通道產(chǎn)生不同流速的同時(shí)，控制交叉口處流體流動(dòng)的方向， 實(shí)現(xiàn)閥的功能；進(jìn)而完成微流控芯片分析中的進(jìn)樣、分離等操作。電驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是無可動(dòng)部件，液體流動(dòng)無脈動(dòng)、流量適中，操作簡便、靈活，容易與芯片集成。其缺點(diǎn)是對通道管壁材料和被驅(qū)動(dòng)流體的物理化學(xué)性質(zhì)敏感?；诹黧w中可極化粒子的介電電泳，是利用交流低電壓(正弦波)與流體界面中誘導(dǎo)產(chǎn)生自由電荷的相互作用來驅(qū)動(dòng)和控制流體。其優(yōu)點(diǎn)是無可動(dòng)部件，對生物流體損傷小，操作簡便、靈活，容易與芯片集成。其缺點(diǎn)是芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)力小、適合低導(dǎo)電率(10_12-10_6s/m)流體。光驅(qū)動(dòng)和磁驅(qū)動(dòng)，一般是在所輸送流體中添加“光_熱敏感納米粒子”或“親磁性納米粒子介質(zhì)”等新型材料，通過光激發(fā)或磁激發(fā)來實(shí)現(xiàn)流體驅(qū)動(dòng)的一種創(chuàng)新性嘗試。優(yōu)點(diǎn)是特別適合驅(qū)動(dòng)納米通道內(nèi)流體。缺點(diǎn)是 由于光學(xué)聚焦相對困難和磁場的“分散性”，器件制備復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。當(dāng)前，為了在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)細(xì)胞、分子水平的生化分析，要求流體在芯片通道間的流量、流動(dòng)相組成和流向可控，且不干擾生物的原始特性和分析系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。此外，還要求微流體操縱技術(shù)不斷地向多功能集成化和完全自動(dòng)化的方向發(fā)展?，F(xiàn)在的問題是，由于各類生物流體(如細(xì)胞流體)、化學(xué)流體、以及生物流體與化學(xué)流體之間的流動(dòng)特性存在較大差異，現(xiàn)有的微流體操縱技術(shù)應(yīng)用于微流控芯片生化分析還存在如下不足1) 驅(qū)動(dòng)模式單一，其中一些(如光驅(qū)動(dòng)、磁驅(qū)動(dòng))只是強(qiáng)調(diào)驅(qū)動(dòng)的特殊應(yīng)用，通用性不強(qiáng)；2) 少量的組合驅(qū)動(dòng)也只有二種驅(qū)動(dòng)模式，例如(重力)液壓驅(qū)動(dòng)_電驅(qū)動(dòng)，且構(gòu)成組合驅(qū)動(dòng)的設(shè)備多是各個(gè)獨(dú)立儀器的簡單組合，存在操控響應(yīng)時(shí)間不一致、影響芯片分析重現(xiàn)性等不足。為滿足微流控芯片生化分析的需要，本發(fā)明將微芯片分析方法、六路直流高壓的電驅(qū)動(dòng)、二路微注射泵的液壓驅(qū)動(dòng)、二路正弦波的介電電泳和完全自動(dòng)化的微電子控制技術(shù)集成在一起，提供了一種用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置。本發(fā)明的特點(diǎn)是六路直流高壓、二路微注射泵和二路正弦波的任意組合、程序化控制、快速切換和穩(wěn)定輸出，便于在不同結(jié)構(gòu)微流控芯片中完成不同生化流體的自動(dòng)化操縱，使得創(chuàng)建適應(yīng)性強(qiáng)、誤差范圍小的微流控芯片生化分析更為靈活和簡便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置，即通過本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)“六路直流高壓的電驅(qū)動(dòng)、二路微注射泵的液壓驅(qū)動(dòng)、二路正弦波的介電電泳”三種驅(qū)動(dòng)模式和完全自動(dòng)化控制的集成，便于在不同結(jié)構(gòu)微芯片中完成不同生化流體的自動(dòng)操縱，滿足微流控芯片生化分析的需要。本發(fā)明的目的可通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)它由系統(tǒng)控制模塊、電驅(qū)動(dòng)模塊、液壓驅(qū)動(dòng)模塊、介電電泳模塊和程序軟件組成， 其中所述的系統(tǒng)控制模塊以單片微處理器為控制核心，所述的電驅(qū)動(dòng)模塊為六路直流高壓，所述的液壓驅(qū)動(dòng)模塊為二路微注射泵，所述的介電電泳驅(qū)動(dòng)為二路正弦波，所述的程序軟件采用時(shí)間段控制。本發(fā)明的目的還可通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)所述的單片微處理器該單片微處理器包括數(shù)字通訊接口、邏輯電平轉(zhuǎn)換、單片微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、串行移位寄存器、驅(qū)動(dòng)電路、信號選擇開關(guān)、模擬多路分解器、模擬信號調(diào)理電路、功率擴(kuò)展電路、I/V變換電路、放大電路、光電隔離和電源模塊。通過邏輯電平轉(zhuǎn)換、數(shù)字通訊接口與PC機(jī)的串行口相連，組成雙向數(shù)據(jù)通訊；通過二個(gè)并列的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路分別與二個(gè)并列的模擬信號調(diào)理電路的輸入端相連；通過二個(gè)并列的串行移位寄存器分別與二個(gè)并列的功率擴(kuò)展電路的輸入端相連；光電隔離的輸出端通過I/V變換電路、模擬多路分解器與單片微處理器的ADC端口相連；光電隔離的輸出端通過放大電路、模擬多路分解器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與單片微處理器相連；
單片微處理器分別與二個(gè)并列的驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連；單片微處理器與信號選擇開關(guān)的輸入端相連；所述的六路直流高壓六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的控制端(CN1-CN6)分別與模擬信號調(diào)理電路的輸出端相連；六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的輸出電流監(jiān)測信號(mi_IN6)分別與光電隔離的輸入端相連；六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的輸出電壓監(jiān)測信號(VN1-VN6)分別與光電隔離的輸入端相連；六只并列的“單刀雙擲”高壓繼電器(J1-J6)的線圈控制端(JXC1-JXC6)分別與功率擴(kuò)展電路的輸出端相連；六只并列的“單刀單擲”高壓繼電器(K1-K6)的線圈控制端(KXC1-KXC6)分別與功率擴(kuò)展電路的輸出端相連；六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的輸出“ + ”端分別與六只“單刀雙擲”高壓繼電器(J1-J6)的“常閉”觸點(diǎn)、六只“單刀單擲”高壓繼電器(K1-K6)的“常開”觸點(diǎn)順序連
接，組成電驅(qū)動(dòng)的六路直流高壓(Voti-Vott6)；六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的輸出“_”端、六只并列的“單刀雙擲”高壓繼電器(J1-J6)的“常開”觸點(diǎn)分別與“地”短接；所述的二路微注射泵二只并列的步進(jìn)電機(jī)分別與二個(gè)并列的驅(qū)動(dòng)電路的輸出端相連；二只并列的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸分別與二個(gè)并列的機(jī)械推拉裝置、二只并列的微型注射器順序連接，組成液壓驅(qū)動(dòng)的二路微注射泵；二個(gè)機(jī)械推拉裝置與二個(gè)驅(qū)動(dòng)電路之間分別連接有限位保護(hù)電路；所述的二路正弦波二個(gè)并列的正弦波發(fā)生電路的輸入端與信號選擇開關(guān)的輸出端相連，二個(gè)并列的正弦波發(fā)生電路的輸出端分別與二個(gè)并列的整形電路相接，組成介電電泳的二路正弦波；電源模塊采用士 15V，士5V，+12V，+5V的六路輸出，為模塊I、II、III、IV提供工作電源，并為模塊II提供過流保護(hù)；所述的時(shí)間段控制每一時(shí)間段與微流控芯片生化分析中的樣品制備、進(jìn)樣、混合、反應(yīng)、分離、檢測等操作步驟對應(yīng)一致。本程序軟件主要作用為預(yù)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)；控制六路直流高壓、二路微注射泵、二路正弦波的獨(dú)立或/和同步的可編程輸出流程；實(shí)時(shí)顯示/記錄各路直流高壓、微注射泵、正弦波的運(yùn)行狀態(tài)及輸出數(shù)據(jù)等。在上述技術(shù)措施中，所述的六路直流高壓的輸出模式為“斷開、電壓/接通、接地”。所述的每路直流高壓的輸出電壓范圍為“0 500Vdc、0 1000VDC、0 2000Vdc、0 5000Vdc、0 10000VDC”。所述的二路微注射泵的輸出模式為“前等待、推進(jìn)/灌注、后等待、回拉”。所述的推進(jìn)(灌注)/回拉的線速度范圍為“0.05mm/min、0. 5mm/min、2mm/min、5mm/min> 10mm/min 或 50mm/min，，。所述的微型注射器為“5μ 1、10μ 1、25μ 1、50μ 1、100μ 1、1000μ 1”的玻璃注射
器，微注射泵的灌注體積流量則有程序軟件參照玻璃注射器規(guī)格自動(dòng)折算。所述的二路正弦波的輸出模式為“前等待、正弦波、后等待”。所述的正弦波頻率范圍為O 500ΚΗζ，幅值范圍為士20V。所述的微流控芯片可以為石英、玻璃、PDMS、PMMA材質(zhì)，貯液池彡8個(gè)，帶有沉積微陣列電極的各類不同結(jié)構(gòu)的微流控芯片。所述的用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置，以“電驅(qū)動(dòng)的六路直流高壓、液壓驅(qū)動(dòng)的二路微注射泵、介電電泳的二路正弦波”為一個(gè)儀器組成單元，或根據(jù)需要將直流高壓、微注射泵、正弦波的輸出路數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展或縮減，但基本結(jié)構(gòu)相同。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了“微流控芯片分析方法，電驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、介電電泳和單片微處理器控制技術(shù)”的集成，提供了一種多功能的微流控裝置。多種驅(qū)動(dòng)模式的組合和完全自動(dòng)化的控制，能夠取代多套不協(xié)調(diào)的高壓電源、微注射泵、介電電泳、檢測儀表等裝置，使得創(chuàng)建適應(yīng)性強(qiáng)、誤差范圍小的微流控芯片生化分析更為靈活和簡便；(2)本發(fā)明程序軟件提供了一個(gè)新穎的時(shí)序控制環(huán)境，每一時(shí)間段內(nèi)六路直流高壓、二路微注射泵和二路正弦波”的獨(dú)立或/和同步的可編程輸出與微流控芯片生化分析的操作步驟完全對應(yīng)，使得微流控芯片生化分析向維持一個(gè)完全的自動(dòng)化邁進(jìn)了一大步；(3)本發(fā)明提供了一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)控制，六路直流高壓(斷開、電壓/接通、接地)、二路微注射泵(前等待、推進(jìn)/灌注、后等待、回拉)和二路正弦波(前等待、正弦波、 后等待)的任意組合、程序化控制、快速切換和穩(wěn)定輸出，可以人為地實(shí)現(xiàn)μ L級流體/生化樣品與Pm級通道的銜接及nL pL級生化樣品在微芯片通道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)流量(速)、流動(dòng)相組成和流向的同步驅(qū)動(dòng)與控制，便于在不同結(jié)構(gòu)微流控芯片中實(shí)現(xiàn)不同生化流體的多種實(shí)驗(yàn)操縱的設(shè)計(jì)，自動(dòng)完成微流控、微分析、尤其是多通道結(jié)構(gòu)微流控芯片生化分析中的樣品制備、進(jìn)樣、混合、反應(yīng)、分離等操作；(4)本發(fā)明提供了一個(gè)可視化人機(jī)對話平臺，所有操作、顯示都在PC機(jī)界面中完成，而且界面切換方便、顯示直觀明了。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)圖；圖中1為系統(tǒng)控制模塊；II為電驅(qū)動(dòng)模塊；III為液壓驅(qū)動(dòng)模塊；IV為介電電泳模塊；1為PC機(jī)；2為數(shù)字通訊接口 ；3為邏輯電平轉(zhuǎn)換；4為單片微處理器；5為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；6，7為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；8，9為串行移位寄存器；10，11為驅(qū)動(dòng)電路；12為信號選擇開關(guān)； 13，14為模擬多路分解器；15，16為模擬信號調(diào)理電路；17，18為功率擴(kuò)展電路；19為I/V 變換電路；20為放大電路；21，22為光電隔離；23為電源模塊；24，26為限位保護(hù)電路；25， 27為步進(jìn)電機(jī)；28，29為正弦波發(fā)生電路；30，31為機(jī)械推拉裝置；32，33為整形電路；34， 35為微型注射器。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的電驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理示意圖；圖中D1_D6為高壓電源模塊J1-J6為“單刀雙擲”高壓繼電器；K1-K6為“單刀單擲”高壓繼電器。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的微注射泵的機(jī)械推拉裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中36為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸；37為固定擋板；38為限位開關(guān)；39為平衡導(dǎo)軌；40 為推拉移動(dòng)滑塊；41為疏水性醫(yī)用導(dǎo)管。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 它由系統(tǒng)控制模塊I、電驅(qū)動(dòng)模塊II、液壓驅(qū)動(dòng)模塊III、介電電泳模塊IV和程序軟件組成，其中所述的系統(tǒng)控制模塊I以單片微處理器4為控制核心，所述的電驅(qū)動(dòng)模塊 II為六路直流高壓，所述的液壓驅(qū)動(dòng)模塊III為二路微注射泵，所述的介電電泳模塊IV為二路正弦波，所述的程序軟件采用時(shí)間段控制。所述的單片微處理器4 通過邏輯電平轉(zhuǎn)換3、數(shù)字通訊接口 2與PC機(jī)1的串行口相連；通過二個(gè)并列的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路6，7分別與二個(gè)并列的模擬信號調(diào)理電路15，16的輸入端相連；通過二個(gè)并列的串行移位寄存器8，9分別與二個(gè)并列的功率擴(kuò)展電路17，18的輸入端相連；光電隔離21 的輸出端通過I/V變換電路19、模擬多路分解器13與單片微處理器4的ADC端口相連；光電隔離22的輸出端通過放大電路20、模擬多路分解器14、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5與單片微處理器 4相連；單片微處理器4分別與二個(gè)并列的驅(qū)動(dòng)電路10，11的輸入端相連；單片微處理器4 與信號選擇開關(guān)12的輸入端相連；所述的六路直流高壓六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的控制端(CN1-CN6)分別與模擬信號調(diào)理電路 15，16的輸出端相連；六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的輸出電流監(jiān)測信號(mi-IN6) 分別與光電隔離21的輸入端相連；六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的輸出電壓監(jiān)測信號 (VN1-VN6)分別與光電隔離22的輸入端相連；六只并列的“單刀雙擲”高壓繼電器(J1-J6) 的線圈控制端(JXC1-JXC6)分別與功率擴(kuò)展電路17的輸出端相連；六只并列的“單刀單擲” 高壓繼電器(K1-K6)的線圈控制端(KXC1-KXC6)分別與功率擴(kuò)展電路18的輸出端相連；六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的輸出“ + ”端分別與六只“單刀雙擲”高壓繼電器(J1-J6) 的“常閉”觸點(diǎn)、六只“單刀單擲”高壓繼電器(K1-K6)的“常開”觸點(diǎn)順序連接，組成電驅(qū)動(dòng)的六路直流高壓(Votti-Vot6)；六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的輸出“_”端、六只并列的 “單刀雙擲”高壓繼電器(J1-J6)的“常開”觸點(diǎn)分別與“地”短接；所述的二路微注射泵二只并列的步進(jìn)電機(jī)25，27分別與二個(gè)并列的驅(qū)動(dòng)電路10，11的輸出端相連；二只并列的步進(jìn)電機(jī)25，27的轉(zhuǎn)動(dòng)軸36分別與二個(gè)并列的機(jī)械推拉裝置30，31、二只并列的微型注射器34，35順序連接，組成液壓驅(qū)動(dòng)的二路微注射泵；二個(gè)機(jī)械推拉裝置30，31與二個(gè)驅(qū)動(dòng)電路10，11之間分別連接有限位保護(hù)電路24，26 ；所述的二路正弦波二個(gè)并列的正弦波發(fā)生電路28，29的輸入端與信號選擇開關(guān)12的輸出端相連，二個(gè)并列的正弦波發(fā)生電路28，29的輸出端分別與二個(gè)并列的整形電路32，33相接，組成介電電泳的二路正弦波；電源模塊23采用士 15V，士5V，+12V，+5V的六路輸出，為模塊I、II、III、IV提供工作電源，并為模塊II提供過流保護(hù)；所述的時(shí)間段控制每一時(shí)間段與微流控芯片生化分析中的樣品制備、進(jìn)樣、混合、反應(yīng)、分離、檢測等操作步驟對應(yīng)一致。所述的六路直流高壓的輸出模式為“斷開、電壓/接通、接地”；輸出電壓范圍為 “0 500Vd。、0 1000VD。、0 2000Vd。、0 5000VD。、0 10000VD?！?所述的二路微注射泵的輸出模式為“前等待、推進(jìn)/灌注、后等待、回拉”；所述的推進(jìn)(灌注)/回拉的線速度范圍為 “0. 05mm/min、0. 5mm/min、2mm/min、5mm/min、10mm/min、50mm/min” ；所述的二路正弦波的輸出模式為“前等待、正弦波、后等待”；所述的正弦波頻率范圍為0 500KHz，幅值范圍為士20V ；所述的微流控芯片可以為石英、玻璃、PDMS、PMMA材質(zhì)，貯液池< 8個(gè)，帶有沉積微陣列電極的各類不同結(jié)構(gòu)的微流控芯片；以“電驅(qū)動(dòng)的六路直流高壓、液壓驅(qū)動(dòng)的二路微注射泵、介電電泳的二路正弦波”為一個(gè)儀器組成單元，或根據(jù)需要將直流高壓、微注射泵、正弦波的輸出路數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展或縮減，但基本結(jié)構(gòu)相同。實(shí)施例2 結(jié)合附圖1、2、3對本發(fā)明各個(gè)模塊之間、以及各模塊內(nèi)各個(gè)器件的組合連接作進(jìn)一步詳細(xì)描述PC機(jī)1為安裝了本發(fā)明程序軟件的PC機(jī)，PC機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、顯示/記錄、 單片微處理器管理和界面操作等功能。數(shù)字通訊接口 2和邏輯電平轉(zhuǎn)換3用于PC機(jī)與單片微處理器4之間構(gòu)成雙向數(shù)據(jù)通訊。單片微處理器為ATMEL公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型微功耗8 位單片微處理器ATmegal6-16PC，ATmegal6-16PC內(nèi)部具有16K字節(jié)的可編程Flash，512字節(jié)EEPR0M，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O 口，32個(gè)通用工作寄存器，三個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/ C)，片內(nèi)/外中斷，UART串行通訊口(TXD、RXD、RTX)，8路10位ADC和PWM脈寬調(diào)制輸出口等。單片微處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的通訊、采集、存儲(chǔ)、邏輯處理，I/O總線和各個(gè)電路間的時(shí)序控制等功能。二個(gè)4路12位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路6，7將寄存于單片微處理器中的預(yù)置電壓的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的0-+5Vd。模擬量，并分別送入二個(gè)4通道的模擬信號調(diào)理電路15，16 ；二個(gè)模擬信號調(diào)理電路15，16對0-+5VDC模擬量進(jìn)行調(diào)理后，為六只高壓電源模塊(D1-D6)提供控制信號，使六只高壓電源模塊(D1-D6)的輸出電壓與其對應(yīng)的預(yù)置電壓相等；六只高壓電源模塊(D1-D6)的輸出“ + ”端分別與六只“單刀雙擲”高壓繼電器(J1-J6)的“常閉”觸點(diǎn)、六只“單刀單擲”高壓繼電器(K1-K6)的“常開”觸點(diǎn)順序連接，組成電驅(qū)動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的六路直流高壓(v_-v_)。二個(gè)8通道的串行移位寄存器8，9將寄存于單片微處理器中預(yù)置六路直流高壓 “斷開、接地”的開關(guān)量信號分別送入二個(gè)7通道的功率擴(kuò)展電路17，18，二個(gè)功率擴(kuò)展電路 17，18分別通過線圈控制端JXC1-JXC6、KXC1-KXC6控制六只“單刀雙擲”高壓繼電器J1-J6 和六只“單刀單擲”高壓繼電器K1-K6，構(gòu)成六路直流高壓(Voti-Vott6)輸出模式的“斷開、電壓/接通、接地”。二個(gè)8通道的光電隔離21，22將六只高壓電源模塊的輸出電流監(jiān)測信號 IN1-IN6 (輸出電流監(jiān)測信號是串接于高壓電源模塊輸出回路的電流量)和輸出電壓監(jiān)測信號VN1-VN6 (輸出電壓監(jiān)測信號是通過分壓電阻把高壓電源模塊的輸出高壓轉(zhuǎn)化為成比例的低電壓信號)分別送入8通道的I/V變換電路19和8通道的放大電路20，并實(shí)現(xiàn)電氣隔離；ΙΛ變換電路19用于對所述的輸出電流監(jiān)測信號進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換、調(diào)整，并將其送入8通道的模擬多路分解器13 ；8通道的模擬多路分解器13將I/V變換電路19輸出的模擬信號送入單片微處理器的ADC端口，由單片微處理器內(nèi)部的ADC將其轉(zhuǎn)化成與輸出電流監(jiān)測信號mi-IN6對應(yīng)的數(shù)字量信號。8通道的放大電路20用于放大、調(diào)整所述的輸出電壓監(jiān)測信號VN1-VN6，并將其送入8通道的模擬多路分解器14 ；模擬多路分解器14用于將放大電路20的輸出模擬信號送入8通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5 ；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5將該模擬信號轉(zhuǎn)化成與電壓監(jiān)測信號VN1-VN6對應(yīng)的數(shù)字量信號，并送入單片微處理器。上述數(shù)字量信號通過單片微處理器邏輯處理，最后由PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示六路直流高壓(Voti-Vott6)的輸出電流、電壓。二個(gè)驅(qū)動(dòng)電路10，11將寄存于單片微處理器中預(yù)置二路微注射泵的輸出參數(shù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的脈沖調(diào)制信號，并施加到二只步進(jìn)電機(jī)25，27上，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制；二個(gè)機(jī)械推拉裝置30，31上的推拉移動(dòng)滑塊40隨著將步進(jìn)電機(jī)25，27上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸36的轉(zhuǎn)動(dòng)可在水平方向進(jìn)行推拉移動(dòng)，并由平衡導(dǎo)軌39確保推拉移動(dòng)滑塊40的移動(dòng)穩(wěn)定，推拉移動(dòng)滑塊40帶動(dòng)二只微型注射器34，35和疏水性醫(yī)用導(dǎo)管41內(nèi)流體同步推拉移動(dòng)，組成液壓驅(qū)動(dòng)微流控芯片生化流體的二路微注射泵；二個(gè)限位保護(hù)電路24，26通過安裝于機(jī)械推拉裝置上的限位開關(guān)38，為二個(gè)驅(qū)動(dòng)電路10，11提供中斷信號，構(gòu)成二路微注射泵的前、后限位保護(hù)。信號選擇開關(guān)12用于將單片微處理器的PWM脈寬調(diào)制信號施加到二個(gè)正弦波發(fā)生電路28，29 ；二個(gè)正弦波發(fā)生電路28，29分別將所述的PWM脈寬調(diào)制信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的正弦波，并分別送入二個(gè)整形電路32，33 ；二個(gè)整形電路32，33對所述的正弦波進(jìn)行整形， 使其輸出頻率、幅值等于預(yù)置正弦波的輸出參數(shù)，組成介電電泳操縱微流控芯片生化流體的二路正弦波。電源模塊23對控制模塊I、電驅(qū)動(dòng)模塊II、液壓驅(qū)動(dòng)模塊III和介電電泳模塊IV 提供工作電源；當(dāng)電驅(qū)動(dòng)模塊II的六路直流高壓(Voti-Vott6)中的某一路輸出電流的監(jiān)測值超過其預(yù)置過流保護(hù)值時(shí)，單片微處理器控制電源模塊23中的過流保護(hù)電路會(huì)快速斷開電驅(qū)動(dòng)模塊II的所有工作電源，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。實(shí)施例3 對本發(fā)明應(yīng)用于微流控芯片生化分析的工作過程作進(jìn)一步描述實(shí)驗(yàn)前，首先根據(jù)微流控芯片的結(jié)構(gòu)和生化分析所需的操作步驟，設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù) (包括直流高壓的輸出路數(shù)，每路直流高壓的電壓量程，微注射泵的輸出路數(shù)，每路微注射泵推進(jìn)(灌注)/回拉的線速度、微注射器規(guī)格，正弦波的輸出路數(shù)，每路正弦波頻率、幅值，輸出時(shí)間段數(shù)，每一時(shí)間段內(nèi)每一路直流高壓、每一路微注射泵、每一路正弦波的輸出模式、運(yùn)行時(shí)間和循環(huán)輸出次數(shù)等)；其次將選中各路直流高壓、各路微注射泵和各路正弦波與微流控芯片對應(yīng)連接。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，基于預(yù)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，本發(fā)明自動(dòng)提供每一時(shí)段內(nèi)每路直流高壓(斷開、電壓/接通、接地)、每路微注射泵(前等待、推進(jìn)/灌注、后等待、回拉)和每路正弦波 (前等待、正弦波、后等待)的獨(dú)立或/和同步的可編程輸出流程，從而可以在不同結(jié)構(gòu)微流控芯片中自動(dòng)完成微流控芯片生化分析中的樣品制備、進(jìn)樣、混合、反應(yīng)、分離等操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，自動(dòng)保存一次完整分析實(shí)驗(yàn)中所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以便相同實(shí)驗(yàn)時(shí)不需重新設(shè)置。 以上所述，僅為本發(fā)明其中的較佳實(shí)施案例而已，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍即凡根據(jù)本發(fā)明申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆為本發(fā)明權(quán)利要求的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置，其特征在于它由系統(tǒng)控制模塊(I)、電驅(qū)動(dòng)模塊(II)、液壓驅(qū)動(dòng)模塊(III)、介電電泳模塊(IV)和程序軟件組成，其中所述的系統(tǒng)控制模塊⑴以單片微處理器⑷為控制核心，所述的電驅(qū)動(dòng)模塊(II)為六路直流高壓，所述的液壓驅(qū)動(dòng)模塊(III)為二路微注射泵，所述的介電電泳模塊(IV)為二路正弦波，所述的程序軟件采用時(shí)間段控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置，其特征在于所述的單片微處理器(4)通過邏輯電平轉(zhuǎn)換(3)、數(shù)字通訊接口⑵與PC機(jī)⑴的串行口相連； 通過二個(gè)并列的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(6，7)分別與二個(gè)并列的模擬信號調(diào)理電路(15，16)的輸入端相連；通過二個(gè)并列的串行移位寄存器(8，9)分別與二個(gè)并列的功率擴(kuò)展電路(17，18)的輸入端相連；光電隔離(21)的輸出端通過I/V變換電路(19)、模擬多路分解器(13)與單片微處理器⑷的ADC端口相連；光電隔離(22)的輸出端通過放大電路(20)、模擬多路分解器(14)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(5) 與單片微處理器(4)相連；單片微處理器⑷分別與二個(gè)并列的驅(qū)動(dòng)電路(10，11)的輸入端相連； 單片微處理器(4)與信號選擇開關(guān)(12)的輸入端相連； 所述的六路直流高壓六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的控制端(CN1-CN6)分別與模擬信號調(diào)理電路(15， 16)的輸出端相連；六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的輸出電流監(jiān)測信號(mi-IN6)分別與光電隔離(21)的輸入端相連；六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的輸出電壓監(jiān)測信號(VN1-VN6)分別與光電隔離(22)的輸入端相連；六只并列的“單刀雙擲”高壓繼電器(J1-J6)的線圈控制端(JXC1-JXC6)分別與功率擴(kuò)展電路(17)的輸出端相連；六只并列的“單刀單擲”高壓繼電器(K1-K6)的線圈控制端(KXC1-KXC6)分別與功率擴(kuò)展電路(18)的輸出端相連；六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的輸出“ + ”端分別與六只“單刀雙擲”高壓繼電器 (J1-J6)的“常閉”觸點(diǎn)、六只“單刀單擲”高壓繼電器(K1-K6)的“常開”觸點(diǎn)順序連接，組成電驅(qū)動(dòng)的六路直流高壓(Vquti-Vqut6)；六只并列的高壓電源模塊(D1-D6)的輸出“_”端、六只并列的“單刀雙擲”高壓繼電器 (J1-J6)的“常開”觸點(diǎn)分別與“地”短接； 所述的二路微注射泵二只并列的步進(jìn)電機(jī)(25，27)分別與二個(gè)并列的驅(qū)動(dòng)電路(10，11)的輸出端相連；二只并列的步進(jìn)電機(jī)(25，27)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(36)分別與二個(gè)并列的機(jī)械推拉裝置(30，31)、二只并列的微型注射器(34，35)順序連接，組成液壓驅(qū)動(dòng)的二路微注射泵；二個(gè)機(jī)械推拉裝置(30，31)與二個(gè)驅(qū)動(dòng)電路(10，11)之間分別連接有限位保護(hù)電路 (24，26)；所述的二路正弦波二個(gè)并列的正弦波發(fā)生電路(28，29)的輸入端與信號選擇開關(guān)(12)的輸出端相連，二個(gè)并列的正弦波發(fā)生電路(28，29)的輸出端分別與二個(gè)并列的整形電路(32，33)相接，組成介電電泳的二路正弦波；電源模塊(23)采用士 15V，士5V，+12V，+5V的六路輸出，為模塊I、II、III、IV提供工作電源，并為模塊II提供過流保護(hù)；所述的時(shí)間段控制每一時(shí)間段與微流控芯片生化分析中的樣品制備、進(jìn)樣、混合、反應(yīng)、分離、檢測等操作步驟對應(yīng)一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置，其特征在于所述的六路直流高壓的輸出模式為“斷開、電壓/接通、接地”。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置，其特征在于所述的輸出電壓范圍為“0 500Vdc、0 1000VDC、0 2000Vdc、0 5000VDC、0 10000VDC”。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置，其特征在于所述的二路微注射泵的輸出模式為“前等待、推進(jìn)/灌注、后等待、回拉”。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置，其特征在于所述的推進(jìn)(灌注)/回拉的線速度范圍為“0. 05mm/min、0. 5mm/min,2mm/min, 5mm/min> 10mm/min、50mm/min，，。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置，其特征在于所述的二路正弦波的輸出模式為“前等待、正弦波、后等待”。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置，其特征在于所述的正弦波頻率范圍為0 500KHz，幅值范圍為士20V。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置，其特征在于所述的微流控芯片可以為石英、玻璃、PDMS, PMMA材質(zhì)，貯液池彡8個(gè)，帶有沉積微陣列電極的各類不同結(jié)構(gòu)的微流控芯片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置， 其特征在于以“電驅(qū)動(dòng)的六路直流高壓、液壓驅(qū)動(dòng)的二路微注射泵、介電電泳的二路正弦波”為一個(gè)儀器組成單元，或根據(jù)需要將直流高壓、微注射泵、正弦波的輸出路數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展或縮減，但基本結(jié)構(gòu)相同。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于自動(dòng)操縱微流控芯片生化流體的多功能微流控裝置，該裝置由系統(tǒng)控制模塊、六路直流高壓的電驅(qū)動(dòng)、二路微注射泵的液壓驅(qū)動(dòng)、二路正弦波的介電電泳和程序軟件組成。本發(fā)明的特點(diǎn)是六路直流高壓(斷開、電壓/接通、接地)、二路微注射泵(前等待、推進(jìn)/灌注、后等待、回拉)、二路正弦波(前等待、正弦波、后等待)的任意組合、獨(dú)立或/和同步的可編程控制、快速切換和穩(wěn)定輸出，便于在不同結(jié)構(gòu)微流控芯片中自動(dòng)化完成不同生化流體的操縱，使得創(chuàng)建適應(yīng)性強(qiáng)、誤差范圍小的微流控芯片生化分析更為靈活和簡便。
文檔編號G01N33/50GK102175844SQ20111002616
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者唐波, 李清嶺, 陳蓁蓁 申請人:山東師范大學(xué)