一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片，它采用三層結(jié)構(gòu)，其底層為玻璃基底、在其基底上依次設(shè)置由彈性材料構(gòu)成的氣體驅(qū)動(dòng)層和液體流動(dòng)層；液體流動(dòng)層包含一個(gè)微混合室和若干微儲(chǔ)液池及流體通道，流體通道一端連接對(duì)應(yīng)微儲(chǔ)液池，另一端連接到微混合室；氣體驅(qū)動(dòng)層由微混合器、多個(gè)氣動(dòng)微泵及氣體通道構(gòu)成；外加的脈沖氣壓由電磁排氣閥有序控制進(jìn)入氣體驅(qū)動(dòng)層，使由彈性材料構(gòu)成的氣動(dòng)微泵和微混合器進(jìn)行工作，可實(shí)現(xiàn)多路不同溶液的有序注入微混合室并混合，以實(shí)現(xiàn)有目的的微量化學(xué)反應(yīng)；本微流控芯片可對(duì)微量液體，快速、方便、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化液體輸運(yùn)和高效混合，具有重要的實(shí)用意義。
【專利說(shuō)明】一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微流控芯片，具體地說(shuō)是一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)微量液體輸運(yùn)、混合的控制。
【背景技術(shù)】
[0002]微流控芯片技術(shù)是20世紀(jì)90年代在分析化學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的，以生命科學(xué)為主要研究對(duì)象，將整個(gè)化驗(yàn)室的功能包括樣品預(yù)處理、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等集成在微芯片上，使分析速度得到極大提高。微流控芯片具有微米級(jí)尺度的結(jié)構(gòu)和部件，是微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要平臺(tái)，也是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域，在生命科學(xué)，尤其是芯片實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域具有極為廣泛的適用性及重要的應(yīng)用前景。
[0003]流體的輸運(yùn)、混合是在生物化學(xué)領(lǐng)域必不可少的程序，所以應(yīng)用微加工技術(shù)，在微芯片上加工出具有微米級(jí)的容器、泵、通道、混合器等結(jié)構(gòu)的微流控芯片。但在很短的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)生物芯片上液體的有效自動(dòng)化輸運(yùn)、混合仍是一個(gè)重要的問(wèn)題。大多數(shù)傳統(tǒng)的微流體的輸運(yùn)需要外部注射泵推動(dòng)，體積相對(duì)較大；而傳統(tǒng)的微混合器使用彎曲結(jié)構(gòu)等被動(dòng)的方法混合物質(zhì)，效率較低。綜上所述，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的方法消耗了較多的試劑和時(shí)間，故不利于生化分析檢測(cè)的應(yīng)用。
[0004]因此，急需一種集成、快速、有效的微流控芯片，具有一個(gè)特殊的設(shè)計(jì)，在流體輸運(yùn)、混合過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)微量液體的有效控制。這將極大地推進(jìn)微流控芯片在生物化學(xué)檢測(cè)方面的應(yīng)用，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)意義重大。但目前還沒有這方面的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述對(duì)流體的輸運(yùn)、混合處理上消耗較多試劑和時(shí)間的問(wèn)題，提供一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器 的微流控芯片，可對(duì)微量液體，快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)輸運(yùn)和混合的控制。
[0006]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，采取如下技術(shù)方案:
[0007]該微流控芯片由一層玻璃和兩層彈性材料(PDMS)構(gòu)成，其中玻璃為基底，在基底上，依次是由彈性材料構(gòu)成的氣體驅(qū)動(dòng)層和液體流動(dòng)層；外加的脈沖氣壓由電磁排氣閥有序控制進(jìn)入氣體驅(qū)動(dòng)層，使由彈性材料構(gòu)成的氣動(dòng)微泵通道和微混合器進(jìn)行工作，可實(shí)現(xiàn)多路不同溶液的注入和混合，以實(shí)現(xiàn)有目的的微量化學(xué)反應(yīng)。
[0008]一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片，該微流控芯片采用三層結(jié)構(gòu)，其底層為玻璃型基底，其特征在于:在其基底上依次設(shè)置由彈性材料構(gòu)成的氣體驅(qū)動(dòng)層和液體流動(dòng)層；其中，氣體驅(qū)動(dòng)層下表面包含由氣室構(gòu)成的微混合器、其周圍分布有多個(gè)氣動(dòng)微泵及氣體通道；液體流動(dòng)層中包含微混合室、多個(gè)微儲(chǔ)液池及與其連通的流體通道，所述氣動(dòng)微泵數(shù)目和分布位置與液體流動(dòng)層的流體通道數(shù)目和位置上下相對(duì)應(yīng)；外加的脈沖氣壓由電磁排氣閥有序控制經(jīng)氣體通道進(jìn)入氣動(dòng)微泵的氣室，使氣動(dòng)微泵和微混合器工作，實(shí)現(xiàn)多路不同微量溶液有序注入和混合。
[0009]氣體驅(qū)動(dòng)層和液體流動(dòng)層均由彈性材料構(gòu)成為透明體，所述的彈性材料采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0010]每個(gè)氣動(dòng)微泵由兩小空間氣室和一個(gè)相對(duì)大空間氣室構(gòu)成；每個(gè)氣動(dòng)微泵上的氣體通道一端分別與對(duì)應(yīng)氣室連通接，另一端與上下貫通液體流動(dòng)層和氣體驅(qū)動(dòng)層的立柱下口連通。
[0011]每個(gè)氣動(dòng)微泵上的兩個(gè)小空間氣室處于相對(duì)大空間氣室的兩側(cè)。
[0012]氣體驅(qū)動(dòng)層的每個(gè)氣動(dòng)微泵上的氣室和微混合器的氣室頂部的厚度尺寸范圍為90?110微米。
[0013]氣體驅(qū)動(dòng)層內(nèi)的氣體通道的數(shù)目和位置與貫通液體流動(dòng)層和氣體驅(qū)動(dòng)層的對(duì)應(yīng)立柱的數(shù)目和位置相對(duì)應(yīng)。
[0014]液體流動(dòng)層微混合室位于微混合器的上方，每個(gè)流體通道一端連接對(duì)應(yīng)微儲(chǔ)液池，另一端連接至微混合室。
[0015]所述脈沖氣壓由外部氣源和可編程控制電磁排氣閥提供。
[0016]本發(fā)明的有益效果及優(yōu)點(diǎn):
[0017]1、本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，采用三層結(jié)構(gòu)，一層玻璃作為基底，在其基底上依次設(shè)置由彈性材料構(gòu)成的氣體驅(qū)動(dòng)層和液體流動(dòng)層；該芯片由于采用彈性材料構(gòu)成，使氣體驅(qū)動(dòng)層內(nèi)的氣室頂部、流體通道的底部可以在氣壓的作用下產(chǎn)生向上的形變。通過(guò)氣室周期性擠壓流體通道，實(shí)現(xiàn)彈性材料的形變和恢復(fù)，進(jìn)而完成液體定向定量輸運(yùn)；通過(guò)微混合器的氣室周期性擠壓混合室，使流體在混合室內(nèi)產(chǎn)生渦流，完成混合效果，可以完成不同樣品的輸運(yùn)和混合。
[0018]2、本發(fā)明由于采用脈沖氣壓的壓力和氣室形變的頻率協(xié)同控制，使氣動(dòng)微泵工作時(shí)間和先后順序可通過(guò)計(jì)算機(jī)及方波控制電路按照需要調(diào)節(jié)氣壓和頻率，可以控制液體的流速、混合效率。采用多通道協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)多路不同溶液的有序注入微混合室并混合，以達(dá)到有目的的微量化學(xué)反應(yīng)；本微流控芯片可對(duì)微量液體，快速、方便、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化液體輸運(yùn)和高效混合，具有重要的實(shí)用意義。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明的微流控芯片的三層結(jié)構(gòu)分解示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明的微流控芯片的俯視圖。
[0021]圖3為微流控芯片中氣動(dòng)微泵和微混合器工作的控制系統(tǒng)圖。
[0022]圖4為圖2中氣動(dòng)微泵的縱向截面剖視圖。
[0023]圖5為圖2中微混合器的縱向截面剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]如圖1所示，為本發(fā)明微流控芯片的三層結(jié)構(gòu)分解示意圖。它是一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片，該微流控芯片采用三層結(jié)構(gòu)，其底層為玻璃型基底1，在其基底I上依次設(shè)置由彈性材料構(gòu)成的氣體驅(qū)動(dòng)層2和液體流動(dòng)層3 ;其中，氣體驅(qū)動(dòng)層2下表面包含由氣室構(gòu)成的微混合器13、其周圍分布有多個(gè)氣動(dòng)微泵及氣體通道；液體流動(dòng)層3中包含微混合室4、多個(gè)微儲(chǔ)液池及與其連通的流體通道，所述氣動(dòng)微泵數(shù)目和分布位置與液體流動(dòng)層3的流體通道數(shù)目和位置上下相對(duì)應(yīng)；外加的脈沖氣壓由電磁排氣閥有序控制經(jīng)氣體通道進(jìn)入氣動(dòng)微泵的氣室，使氣動(dòng)微泵和微混合器13工作，實(shí)現(xiàn)多路不同微量溶液有序注入和混合。
[0026]氣體驅(qū)動(dòng)層2和液體流動(dòng)層3均由彈性材料構(gòu)成為透明體，所述的彈性材料采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0027]每個(gè)氣動(dòng)微泵由兩小空間氣室和一個(gè)相對(duì)大空間氣室構(gòu)成；每個(gè)氣動(dòng)微泵上的氣體通道一端分別與對(duì)應(yīng)氣室連通接，另一端與上下貫通液體流動(dòng)層3和氣體驅(qū)動(dòng)層2的立柱14下口連通。
[0028]每個(gè)氣動(dòng)微泵上的兩個(gè)小空間氣室處于相對(duì)大空間氣室的兩側(cè)。
[0029]氣體驅(qū)動(dòng)層2內(nèi)的氣體通道的數(shù)目和位置與貫通液體流動(dòng)層3和氣體驅(qū)動(dòng)層2的對(duì)應(yīng)立柱14的數(shù)目和位置相對(duì)應(yīng)。
[0030]所述脈沖氣壓由外部氣源和可編程控制電磁排氣閥提供。
[0031]如圖2所示，是微流控芯片的俯視圖。在本實(shí)施例中該微流控芯片由四個(gè)第I?4氣動(dòng)微泵9?12和一個(gè)微混合器13集成在一塊芯片上。根據(jù)需要?dú)鈩?dòng)微泵的數(shù)量可增加，但要與液體流動(dòng)層3上微儲(chǔ)液池的數(shù)量相一致，每個(gè)氣動(dòng)微泵為兩個(gè)小空間氣室和一個(gè)相對(duì)大空間氣室，即大空間氣室的長(zhǎng)度大于小空間氣室的長(zhǎng)度，兩個(gè)小空間氣室處于相對(duì)大空間氣室的兩側(cè)，目的是通過(guò)氣室周期性擠壓流體通道，實(shí)現(xiàn)彈性材料的形變和恢復(fù)，進(jìn)而完成液體定向定量輸運(yùn)；液體流動(dòng)層3上設(shè)有微混合室4和第I?4微儲(chǔ)液池5?8及與微混合室4和各微儲(chǔ)液池連通的流體通道。
[0032]液體流動(dòng)層3微混合室4位于微混合器13的上方，每個(gè)流體通道一端連接對(duì)應(yīng)微儲(chǔ)液池，另一端連接至微混合室4。
[0033]氣體驅(qū)動(dòng)層2的每個(gè)氣動(dòng)微泵上的氣室和微混合器13的氣室頂部的厚度尺寸范圍為90?110微米。
[0034]為更好實(shí)現(xiàn)液體的輸運(yùn)和混合，在本實(shí)施例中每個(gè)氣動(dòng)微泵上的氣室和微混合器13的氣室頂部的優(yōu)選厚度尺寸采用100微米。
[0035]使氣體驅(qū)動(dòng)層內(nèi)的氣室頂部、流體通道的底部可以在氣壓的作用下產(chǎn)生向上的形變。通過(guò)微混合器13的氣室周期性擠壓微混合室4，使流體在微混合室4內(nèi)產(chǎn)生渦流，完成混合效果，可以完成不同樣品的輸運(yùn)和混合。
[0036]本發(fā)明其工作原理為:
[0037]如圖3所示，微流控芯片工作時(shí)，需要通過(guò)外接微型空氣壓縮泵、方波控制電路、電磁排氣閥對(duì)芯片進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制液體的流動(dòng)、混合。當(dāng)外加的脈沖氣壓由電磁排氣閥有序控制通過(guò)立柱14和其連通的氣體通道進(jìn)入氣體驅(qū)動(dòng)層2的氣室中，使氣室的頂部產(chǎn)生向上的形變，尤其大空間氣室頂部形變明顯，通過(guò)氣室的變形實(shí)現(xiàn)由彈性材料構(gòu)成的第I?4氣動(dòng)微泵9?12和微混合器13進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)多路不同微量溶液(微升)的有序注入和混合，以達(dá)到有目的的微量化學(xué)反應(yīng)。
[0038]氣動(dòng)微泵的工作原理如圖4所示，具體過(guò)程為:
[0039]脈沖氣壓通過(guò)對(duì)應(yīng)立柱14送入氣體驅(qū)動(dòng)層2的相應(yīng)氣室，對(duì)彈性材料構(gòu)成的流體通道產(chǎn)生周期擠壓效果，依靠彈性材料的形變和恢復(fù)，達(dá)到對(duì)流體通道中液體定向定量輸運(yùn)。[0040]舉例說(shuō)明如圖4 (a, b)所示，當(dāng)將20 μ L試劑通過(guò)移液器加載至第I?4微儲(chǔ)液池5?8內(nèi)，而此時(shí)液體通道內(nèi)只有空氣。從4(b)圖中看出氣動(dòng)微泵9的氣室無(wú)形變，即無(wú)流動(dòng)現(xiàn)象；
[0041]當(dāng)施加脈沖氣壓送入氣體驅(qū)動(dòng)層2的相應(yīng)氣室時(shí)，使氣動(dòng)微泵的大空間氣室產(chǎn)生向上的形變，還有其中靠近微混合器13的小空間氣室受流體通道內(nèi)空氣向下壓力的影響，使該氣室產(chǎn)生向下的微形變，該流體通道內(nèi)空氣被排出至混合室4中如圖4(c)所示；
[0042]當(dāng)氣體驅(qū)動(dòng)層2的氣室施加脈沖氣壓撤消時(shí)，氣室氣壓恢復(fù)至初始狀態(tài)，使相對(duì)大空間氣室形變消失，試劑從微儲(chǔ)液池5流入氣室上方流體通道內(nèi)，如圖4(d)所示；
[0043]當(dāng)再次給氣室施加一個(gè)脈沖氣壓時(shí)，位于中間的相對(duì)大空間氣室又產(chǎn)生向上的形變，如圖4(e)所示，該氣室上方流體通道內(nèi)的試劑被擠壓至微混合室4中。
[0044]多次重復(fù)上述過(guò)程，可將所述第I?4微儲(chǔ)液池5?8內(nèi)的試劑完全移動(dòng)至微混合室4。流動(dòng)過(guò)程中的流速由正氣壓(脈沖氣壓)的壓力和氣室形變的頻率協(xié)同控制。第I?4氣動(dòng)微泵9?12的工作時(shí)間和先后順序可通過(guò)計(jì)算機(jī)及方波控制電路，按照需要調(diào)節(jié)。
[0045]微混合器13的工作原理如圖5所示，具體過(guò)程為:
[0046]當(dāng)脈沖氣壓送入氣體驅(qū)動(dòng)層2的微混合器13的氣室，對(duì)由彈性材料構(gòu)成其上方微混合室4產(chǎn)生周期擠壓效果，使流體在微混合室4內(nèi)產(chǎn)生渦流，達(dá)到對(duì)液體的混合作用。
[0047]如圖5 (a)所示，所述微混合室4中可容納20?40 μ L液體，通過(guò)氣動(dòng)微泵的驅(qū)動(dòng)流體進(jìn)入微混合室4 ；
[0048]通過(guò)對(duì)氣室施加一個(gè)正氣壓(脈沖氣壓)，使微混合器13的兩個(gè)氣室產(chǎn)生向上的形變，如圖5(b)所示，對(duì)微混合室4內(nèi)的液體進(jìn)行攪動(dòng)；在周期性氣室形變的作用下，液體達(dá)到混合的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片，該微流控芯片采用三層結(jié)構(gòu)，其底層為玻璃型基底(1)，其特征在于:在其基底(I)上依次設(shè)置由彈性材料構(gòu)成的氣體驅(qū)動(dòng)層(2)和液體流動(dòng)層(3);其中，氣體驅(qū)動(dòng)層(2)下表面包含由氣室構(gòu)成的微混合器(13)、其周圍分布有多個(gè)氣動(dòng)微泵及氣體通道；液體流動(dòng)層(3)中包含微混合室(4)、多個(gè)微儲(chǔ)液池及與其連通的流體通道，所述氣動(dòng)微泵數(shù)目和分布位置與液體流動(dòng)層(3)的流體通道數(shù)目和位置上下相對(duì)應(yīng)；外加的脈沖氣壓由電磁排氣閥有序控制經(jīng)氣體通道進(jìn)入氣動(dòng)微泵的氣室，使氣動(dòng)微泵和微混合器(13)工作，實(shí)現(xiàn)多路不同微量溶液有序注入和混合。
2.按權(quán)利要求1所述的一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片，其特征在于:氣體驅(qū)動(dòng)層(2)和液體流動(dòng)層(3)均由彈性材料構(gòu)成為透明體，所述的彈性材料采用聚二甲基娃氧燒PDMS。
3.按權(quán)利要求1所述的一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片，其特征在于:每個(gè)氣動(dòng)微泵由兩小空間氣室和一個(gè)相對(duì)大空間氣室構(gòu)成；每個(gè)氣動(dòng)微泵上的氣體通道一端分別與對(duì)應(yīng)氣室連通接，另一端與上下貫通液體流動(dòng)層(3)和氣體驅(qū)動(dòng)層(2)的立柱(14)下口連通。
4.按權(quán)利要求1或3所述的一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片,其特征在于:每個(gè)氣動(dòng)微泵上的兩個(gè)小空間氣室處于相對(duì)大空間氣室的兩側(cè)。
5.按權(quán)利要求1、2或3所述的一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片,其特征在于:氣體驅(qū)動(dòng)層(2)的每個(gè)氣動(dòng)微泵上的氣室和微混合器(13)的氣室頂部的厚度尺寸范圍為90?110微米。
6.按權(quán)利要求1、2或3所述的一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片,其特征在于:氣體驅(qū)動(dòng)層(2)內(nèi)的氣體通道的數(shù)目和位置與貫通液體流動(dòng)層(3)和氣體驅(qū)動(dòng)層(2)的對(duì)應(yīng)立柱(14)的數(shù)目和位置相對(duì)應(yīng)。
7.按權(quán)利要求1或2所述的一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片,其特征在于:液體流動(dòng)層(3)微混合室(4)位于微混合器(13)的上方，每個(gè)流體通道一端連接對(duì)應(yīng)微儲(chǔ)液池，另一端連接至微混合室(4)。
8.按權(quán)利要求1所述的一種基于氣動(dòng)微泵和微混合器的微流控芯片，其特征在于:所述脈沖氣壓由外部氣源和可編程控制電磁排氣閥提供。
【文檔編號(hào)】B01L3/00GK103861668SQ201210551891
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月17日
【發(fā)明者】劉柱, 姚萍, 劉斌, 董再勵(lì), 童兆宏, 李國(guó)賓 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所