CN108679301A - 一种微阀与液体之间的隔离系统、控制方法及生物芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微阀与液体之间的隔离系统、控制方法及生物芯片。所述微阀与液体之间的隔离系统包括试剂腔、第一管路、第二管路和反应腔；所述试剂腔用于储存液体，该试剂腔的出液端与第一管路的一端连通，该第一管路的另一端与第二管路的一端通过常闭微阀隔开，该第二管路的另一端与反应腔连通；所述第一管路内具有空气柱，该空气柱的一端接触常闭微阀，该空气柱的另一端接触液体，所述第一管路与第二管路在常闭微阀打开时连通。本发明的保证液体在储存过程中不会流入微阀，微阀变化过程中不会对储存液体造成影响。

Description

一种微阀与液体之间的隔离系统、控制方法及生物芯片

技术领域

本发明涉及一种微阀与液体之间的隔离系统、控制方法及生物芯片，属于生物芯片检测领域。

背景技术

微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

目前微流控芯片所用试剂多为外部注入加入，在外力驱动作用下，使试剂按照管道流动。现预先将微流控芯片检测试剂加入到芯片试剂腔中，使用过程中无需再外部注入试剂；且通过微流控芯片微阀的变化来控制预先注入试剂的流通性。

现有技术的缺点主要是检测试剂在使用时必须从外部注入，所花费时间较多且无法实现自动化，因此需要一种微阀与液体隔离的结构来满足液体在储存过程中不会流入微阀，且微阀在变化过程中不会对储存液体造成影响和液体流动通畅性影响。

中国发明专利公开号CN1512095C公开了一种用于启、闭微/纳米流体通道的冰阀，其包括：一放置在流动有流体的微流道下端的半导体制冷器和一位于该半导体制冷器的制冷端或制热端的散热器，半导体制冷器与散热器之间设有低热阻高强度绝缘漆构成的导热绝缘层；一位于微流道上端面的用以加热微流道中流体的微型加热器；所述的微型加热器为通入蒸汽的蒸汽包、为带电源的微型电加热器，或为带激光加热源的微型激光加热器；半导体制冷器由多个半导体制冷模块并联组成；无任何运动部件，便于控制，是一种理想的易于集成化的微阀结构。然而该专利由于采用冰作为阀芯，因此，无法用于有试剂存储的，正常状态下是没有阀芯的；进一步地，冰容易与试剂发生反应，且冰作为阀芯尺寸过大（无法做到微米级），无法实现精确化控制，此外，如果该专利用于微流控芯片上，那么芯片中还需要植入电路，这将进一步增加芯片的制造难度，降低其可靠性。

发明内容

本发明旨在提供一种微阀与液体之间的隔离系统、控制方法及生物芯片，该隔离系统将芯片检测使用试剂预先注入芯片试剂腔中，可以保证液体在储存过程中不会流入微阀，微阀变化过程中不会对储存液体造成影响。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种微阀与液体之间的隔离系统，其结构特点是，包括试剂腔、第一管路、第二管路和反应腔；所述试剂腔用于储存液体，该试剂腔的出液端与第一管路的一端连通，该第一管路的另一端与第二管路的一端通过常闭微阀隔开，该第二管路的另一端与反应腔连通；所述第一管路内具有空气柱，该空气柱的一端接触常闭微阀，该空气柱的另一端接触液体，所述第一管路与第二管路在常闭微阀打开时连通。

本发明由于隔离空气柱的存在，微阀变化时产生的能量通过空气柱后对液体的形态不会产生影响。此外，试剂腔到激光阀管道结构利于试剂流动，液体温度和液体流动通畅性好。

由此，本发明的常闭微阀在常规状态常闭，需要打开时，通过加热装置（优选为激光加热）使阀芯熔化或气化，从而保证第一管路与第二管路连通。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

所述试剂腔的顶部装有兼作活塞的柱塞。由此，当常闭微阀打开后，下压柱塞即可将液体挤至反应腔内。最好地，所述柱塞与试剂腔内储存液体的液面之间的距离为0mm-3mm。

为了尽可能减小常闭微阀熔化后对液体的影响，所述空气柱的长度大于5mm。注入试剂后，试剂腔到微阀管道中有至少5mm的空气柱隔绝。

为了方便实现精确化定量控制，所述第一管路和第二管路管径为100μm-1000μm，所述常闭微阀的阀芯直径为100μm-1000μm；和/或所述常闭微阀的阀芯沿着第一管路或第二管路长度方向的尺寸（即阀芯的厚度）为100μm-1000μm。由此，可以实现微量定量控制。所述常闭微阀的阀芯直径和厚度均优选为0.5mm。

为了方便开启常闭微阀，所述试剂腔、第一管路、第二管路和反应腔均开设在芯片基体内，所述芯片基体的至少一面由透光材料制成，所述常闭微阀的阀芯、第一管路的管壁和第二管路的管壁均为同种材质制成，该芯片基体由透光材料制成的一侧设有激光光源。优选地，所述阀芯的熔点为40℃-170℃，该阀芯的气化温度是80℃-300℃。这样需要开启常闭微阀时，通过激光定点照射阀芯，这样阀芯熔化或气化，第一管路和第二管路连通。所述常闭微阀的阀芯、第一管路的管壁和第二管路的管壁均为同种材质制成的好处在于加工成本更低，而通过激光定点熔化或气化阀芯，可以保证在阀芯熔化或气化的同时，第一管路的管壁和第二管路的管壁不会被熔化或气化。

优选地，所述常闭微阀的阀芯为高分子聚合物制成。所述高分子聚合物指由键重复连接而成的高分子量（通常可达10～10⁶）化合物。

为了提高吸光效率，所述阀芯外表面设有深色涂层。优选为黑色涂层，或是优选阀芯为黑色材料制成。这样可以缩短熔化或气化阀芯的时间。

为了解决微阀和芯片集成的问题，所述阀芯和芯片基座为一体化结构。这样可以降低了工艺难度和加工成本，且具有更好的密封性。

为了保证阀芯熔化后的液体流入溢流池内，避免了影响管道的流量，从而保证管道畅通，所述阀芯的上游侧设有位于第一管路上的溢流池和/或所述阀芯的下游侧设有位于第二管路上的溢流池。更优选地，所述溢流池的深度为相对第一管路或第二管路内壁面下凹0.5mm-1mm；和/或所述溢流池沿着第一管路或第二管路长度方向的尺寸为0.5mm-1mm。溢流池的这种设计既保证了熔化后的阀芯不影响管道的流量，同时又避免导致芯片基体的厚度过厚。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种生物芯片，包括芯片基体，所述芯片基体内设有多个所述的微阀与液体之间的隔离系统，所述试剂腔、第一管路、第二管路和反应腔均开设在芯片基体内；各微阀与液体之间的隔离系统共用一个反应腔。这样根据反应需要，不同的试剂腔内的液体可以按照要求注入到反应腔内反应。

这样，将试剂腔、第一管路、第二管路和反应腔集成在芯片基体内，极大地节约了占地空间，提高了集成度，便于模块化和自动化控制。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的微阀与液体之间的隔离系统控制液体的方法，其包括如下步骤：

S1、预先向试剂腔中注入所需量的液体后封堵注入口，注入液体时液体末端到常闭微阀之间通过空气柱隔绝；

S2、需要将液体输送至反应腔时，通过设置在常闭微阀外侧的激光光源照射在所述常闭微阀的阀芯上并将阀芯熔化或气化，常闭微阀打开，第一管路与第二管路连通，液体从试剂腔内流入反应腔内。

一种优选的方案是，当常闭微阀打开，液体从试剂腔内流入反应腔内时，由于第一管路和第二管路的管径较小，都是微米级的，因此，可以通过外力下压试剂腔的顶部的兼作活塞的柱塞，这样可以保证试剂腔内的液体尽快流入反应腔内。

由于空气柱的存在，液体存储在试剂腔中不会流入常闭微阀处，这样微阀变化时产生的能量不会对储存液体产生大的影响。

由此，本发明将常闭微阀和致动力源分离开来，简化了常闭微阀整体的制作工艺，使微流控系统上更容易集成微阀，大幅度降低了微流控系统的生成成本。

本发明的微阀开创了一种新的微阀开启思路，将激光作为致动力来开启嵌入微流控系统中的阀芯结构，微阀的主要优点：微阀控制过程响应快、稳定性高，能有效实现产业化生产和实际应用。

本发明所述的微阀是微流控系统的关键执行部件，在激光的作用下实现微阀的流体通道从常闭到常开的切换。

本发明所述的激光是一种人造光，能实现定向发光，且光源稳定，波长单一，能量极大。

优选地，所述激光的光源为蓝紫激光光源。优选所述激光的波长范围为400nm-980nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有技术检测试剂主要为在使用时需从外部注入，本发明的微流控芯片技术现将所需试剂预先加入到芯片试剂腔中储存待用，在使用时通过微阀变化使管路流通，用柱塞将试剂压入反应池。本发明的微阀与液体之间的隔离系统可以将预先注入芯片储存的试剂与微阀隔开，不影响激光阀的变化，且避免了微阀变化时产生的能量对储存液体的影响，且试剂腔到微阀的管路设计利于试剂的流动。

当微阀熔化后，释放出的能量对储存液体的影响不大，液体形态无变化，温度变化经过测试最大升高了1.3℃，对液体储存无影响。微阀熔化后，管道形成通路，下压柱塞后，管路内的空气及储存的液体流入预先设置的位置内。

附图说明

图1是本发明一个实施例的立面示意图；

图2是本发明的芯片基体的正面部分的示意图；

图3是本发明的芯片基体的背面部分的示意图；

图4是液体加入试剂腔后的效果图；

图5是常闭微阀熔化前的局部示意图；

图6是常闭微阀熔化中的局部示意图；

图7是图1的前剖面立体图；

图8是图1的后剖面立体图。

在图中

1、试剂腔；2、柱塞；3、液体；4、第一管路；5、空气柱；6、常闭微阀；7-芯片基体；8-反应腔；9-第二管路；10-熔化后的微阀；11-激光光源。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种微阀与液体之间的隔离系统，如图1-3,7,8所示，其包括试剂腔1、第一管路4、第二管路9和反应腔8。所述试剂腔1、第一管路4、第二管路9和反应腔8均开设在芯片基体7内。所述试剂腔1用于储存液体3，该试剂腔1的底端与第一管路4的一端连通，该第一管路4的另一端通过常闭微阀6与第二管路9的一端隔开，该第二管路9的另一端与反应腔8连通；所述第一管路4内具有长度大于5mm的空气柱5，该空气柱5的一端接触常闭微阀6，该空气柱5的另一端接触液体3，所述第一管路4与第二管路9在常闭微阀6打开时连通。在本实施例中，常闭微阀6打开的方式最好是采用激光定点加热常闭微阀6的阀芯，这样常闭微阀6的阀芯熔化，从而使得第一管路4与第二管路9形成通路。

试剂腔1上端未用柱塞2封口时，加入液体3时液体3基本不会流入微管路4中，预压入柱塞2后液流尾端位置受柱塞2压力作用会下移一些到如图2位置，预压柱塞2位置确定后，液流尾端与微阀间的保留空气柱5起到了微阀6与液体3的隔离作用。在密封环境下液流尾端与微阀6之间保留的空气达到一个平衡状态，在柱塞不下压且管路不通的情况下，隔离空气柱的位置不会发生改变会。如图5所示，芯片经过了颠倒摇晃，由于液流尾端与微阀间有空气柱的存在，液流尾端与微阀间的距离保持不变。

所述试剂腔1的顶部装有兼作活塞的柱塞2。所述第一管路4和第二管路9管径为100μm-1000μm，最好是300um-500um。所述常闭微阀6的阀芯直径为100μm-1000μm，最好是300um-500um。所述常闭微阀6的阀芯沿着第一管路4或第二管路9长度方向的尺寸为100μm-1000μm，最好是300um-500um。

所述芯片基体7的至少一面由透光材料制成，所述常闭微阀6的阀芯、第一管路4的管壁和第二管路9的管壁均为同种材质制成，该芯片基体7由透光材料制成的一侧设有激光光源11。所述阀芯的上游侧设有位于第一管路4上的溢流池和/或所述阀芯的下游侧设有位于第二管路9上的溢流池。这样，阀芯熔化时，可以自动流向溢流池内，从而避免影响第一管路4和第二管路9的管径，影响流量。

所述溢流池的深度为相对第一管路4或第二管路9内壁面下凹0.5mm-1mm。所述溢流池沿着第一管路4或第二管路9长度方向的尺寸为0.5mm-1mm。

向试剂腔加入液体时，本发明的微阀与液体隔离的结构通过管道内保留的空气柱将液体微流与微阀隔离，隔离空气柱的产生是因为在密封环境下液流尾端与微阀之间保留的空气达到一个平衡状态，再柱塞不下压且管路不通的情况下，隔离空气柱的位置不会发生改变，起到微阀与液体的隔离作用，因而加入的液体不会影响微阀的变化且微阀变化所产生的能量也不会对加入液体产生影响。

此外，如图3所示，柱塞装在试剂腔上端，液体4与柱塞2的间隙很小，一般为0-3mm，这样，生物芯片在颠倒摇晃过程中，液体中的活动空间很小，液体中的磁珠会始终处于液体浸泡中，不会暴露在空气中。

一种生物芯片，如图1-4,7,8所示，包括芯片基体7，所述芯片基体7内设有多个所述的微阀与液体之间的隔离系统，所述试剂腔1、第一管路4、第二管路9和反应腔8均开设在芯片基体7内。各微阀与液体之间的隔离系统共用一个反应腔。

一种利用所述的微阀与液体之间的隔离系统控制液体的方法，如图4所示，其包括如下步骤：

S1、预先向试剂腔1中注入所需量的液体3后通过柱塞2封堵注入口，如图4和5所示，注入液体3时液体末端到常闭微阀6之间通过空气柱5隔绝；由于试剂腔到微阀管道有一定弯曲结构，且微阀未破坏时管道结构是封闭的，注入液体时液体末端到微阀会有一段空气柱隔绝，液体不会流入微阀处。

S2、需要将液体输送至反应腔8时，如图6所示，通过设置在常闭微阀6外侧的激光光源11定点照射在所述常闭微阀6的阀芯上并将阀芯熔化或气化，常闭微阀6打开，第一管路4与第二管路9连通，液体4从试剂腔1内流入反应腔8内。由此，通过微阀变化使管道变得流通，由于预注入液体与微阀的隔离结构使得微阀变化时产生的能量不会对储存液体产生影响。

为了保证试剂腔内的液体尽快流入反应腔8内，根据需要可以压下柱塞2，从而将液体4通过第一管路4与第二管路9从试剂腔1中压出至反应腔8。

由此，本实施例预先在芯片的试剂腔内注入溶液，试剂注入试剂腔中时，试剂腔到微阀管道中有一段空气柱隔绝，液体在储存过程中不会流入微阀，且微阀在变化过程中产生的能量不会对储存液体造成影响，试剂腔到微阀管道有一定弯曲结构，不会对液体流动通畅性产生不利影响。

本实施例的常闭微阀的阀芯封堵第一管道4和第二管道9之间。所述芯片基体7由透光材料制成，所述常闭微阀6的阀芯、第一管路4的管壁和第二管路9的管壁均为同种材质制成。所述阀芯的熔点为40℃-170℃，最好是100℃-120℃。所述阀芯的沸点是80℃-300℃。所述常闭微阀6的阀芯为高分子聚合物制成。所述阀芯的直径为0.5mm。所述第一管道4和第二管道9的内径为0.5mm。为了提高吸光效率，所述阀芯外表面设有深色涂层。优选为黑色涂层，或是优选阀芯为黑色材料制成。这样可以缩短熔化或气化阀芯的时间。所述激光光源为蓝紫激光光源。所述激光的波长范围为400nm-980nm。

由此，常规状态下阀芯不熔化或气化，微阀常闭，需要打开时，通过加热装置（优选为激光加热）使阀芯熔化或气化，从而保证管道畅通。

微阀启动过程如下：先利用激光的穿透性，使激光穿透芯片基体7，将激光焦距对准微阀阀芯位置。由于激光的高能量，阀芯在吸收激光光子能量后，常闭微阀6会迅速受热变形熔化或气化，沿着管壁平摊开（如图6所示），原本堵塞的管路就被打通，实现了微阀的开启，激光照射时间为2s-30s。

根据本发明的设计溢流池的实施例，当阀芯相变成液体，在重力及表面张力的作用下，变成液体的阀芯流向溢流池位置，从而实现第一管道4和第二管道9的畅通。

作为致动力的激光光源位于芯片外部，不需与芯片集成安装，性能稳定，可多次重复使用，有利于微流控芯片的商业化应用。

本发明的微阀相比于普通微阀，拥有结构简单、加工简便，不需集成，成本低廉，容易大批量生产等优点。

对于不易吸光的阀芯，可以在其表面涂抹深色颜料，以提高其吸光效率，从而实现微阀的控制功能。

本发明的常闭微阀具有如下优点：

1、微阀的致动力来源稳定，不占用微流控芯片资源，阀芯结构简单，微阀与芯片易于集成，加工设备和原材料要求不高，生产成本大幅度降低，适于批量化生产和商业化使用。

2、微阀开启速度快，10s左右，最快2s就能击穿阀芯，实现微阀的开启。激光能量高，扩大了微阀的材质范围，不局限于低融点相变材料。激光束能量集中，控制激光焦点和击穿时间，可实现只击微阀阀芯，不对微流控系统的其他部分结构和材质造成损坏，具有广泛的应用前景。

3、常闭微阀和致动力源分离开来，简化了微阀整体的制作工艺，使微流控系统上更容易集成微阀，大幅度降低了微流控系统的生成成本，适用于需要大规模产业化的微流控系统的生成和使用。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种微阀与液体之间的隔离系统，其特征在于，包括试剂腔（1）、第一管路（4）、第二管路（9）和反应腔（8）；所述试剂腔（1）用于储存液体（3），该试剂腔（1）的出液端与第一管路（4）的一端连通，该第一管路（4）的另一端与第二管路（9）的一端通过常闭微阀（6）隔开，该第二管路（9）的另一端与反应腔（8）连通；所述第一管路（4）内具有空气柱（5），该空气柱（5）的一端接触常闭微阀（6），该空气柱（5）的另一端接触液体（3），所述第一管路（4）与第二管路（9）在常闭微阀（6）打开时连通。

2.根据权利要求1所述的微阀与液体之间的隔离系统，其特征在于，所述试剂腔（1）的顶部装有兼作活塞的柱塞（2）。

3.根据权利要求1所述的微阀与液体之间的隔离系统，其特征在于，所述空气柱（5）的长度大于5mm。

4.根据权利要求1所述的微阀与液体之间的隔离系统，其特征在于，所述第一管路（4）和第二管路（9）管径为100μm-1000μm，所述常闭微阀（6）的阀芯直径为100μm-1000μm；和/或所述常闭微阀（6）的阀芯沿着第一管路（4）或第二管路（9）长度方向的尺寸为100μm-1000μm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的微阀与液体之间的隔离系统，其特征在于，所述试剂腔（1）、第一管路（4）、第二管路（9）和反应腔（8）均开设在芯片基体（7）内，所述芯片基体（7）的至少一面由透光材料制成，所述常闭微阀（6）的阀芯、第一管路（4）的管壁和第二管路（9）的管壁均为同种材质制成，该芯片基体（7）由透光材料制成的一侧设有激光光源（11）。

6.根据权利要求5所述的微阀与液体之间的隔离系统，其特征在于，所述阀芯的熔点为40℃-170℃，该阀芯的气化温度是80℃-300℃。

7.根据权利要求5所述的微阀与液体之间的隔离系统，其特征在于，所述阀芯的上游侧设有位于第一管路（4）上的溢流池和/或所述阀芯的下游侧设有位于第二管路（9）上的溢流池。

8.根据权利要求7所述的微阀与液体之间的隔离系统，其特征在于，所述溢流池的深度为相对第一管路（4）或第二管路（9）内壁面下凹0.5mm-1mm；

和/或所述溢流池沿着第一管路（4）或第二管路（9）长度方向的尺寸为0.5mm-1mm。

9.一种生物芯片，包括芯片基体（7），其特征在于，所述芯片基体（7）内设有多个如权利要求1-8中任一项所述的微阀与液体之间的隔离系统，所述试剂腔（1）、第一管路（4）、第二管路（9）和反应腔（8）均开设在芯片基体（7）内；各微阀与液体之间的隔离系统共用一个反应腔（8）。

10.一种利用权利要求1-8中任一项所述的微阀与液体之间的隔离系统控制液体的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、预先向试剂腔（1）中注入所需量的液体（3）后封堵注入口，注入液体（3）时液体末端到常闭微阀（6）之间通过空气柱（5）隔绝；

S2、需要将液体输送至反应腔（8）时，通过设置在常闭微阀（6）外侧的激光光源（11）照射在所述常闭微阀（6）的阀芯上并将阀芯熔化或气化，常闭微阀（6）打开，第一管路（4）与第二管路（9）连通，液体（4）从试剂腔（1）内流入反应腔（8）内。