一種微流控晶片及其控制方法
2023-05-23 10:02:16 1
一種微流控晶片及其控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種微流控晶片及其控制方法。微流控晶片包括基片、蓋片、電極及其引線、塗層、檢測窗（或檢測孔）、含有分叉結構的通道、進液接口（或樣品池）、出液接口（或成品池）、廢液接口（或廢液池）等，進液接口（或樣品池）、出液接口（或成品池）、廢液接口（或廢液池）分別與通道連通，檢測窗（或檢測孔）位於通道附近，基片與蓋片封接側分別有若干塗層，電極固定在基片或蓋片的封接側表面並與通道鄰近。該微流控晶片的使用方法為：液滴經過檢測窗（或檢測孔）實時檢測其特性參數及位置參數，根據這些參數在液滴移動至通道分叉處之前，控制通道兩側或一側若干個電極接通或斷開電信號，則可改變液滴位置或液滴移動方向。
【專利說明】 一種微流控晶片及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微流控晶片及其控制方法。
【背景技術】
[0002]當今，藥品研發、醫學檢測、生物及化學實驗涉及的學科門類繁多，過程複雜，效率較低，隨著科技的進步以及時代的發展，很多複雜的檢測、實驗都可以在幾平方釐米甚至更小的晶片上實現，這就是微流控技術，它被學術界稱為「改變世界」的七種技術之一。
[0003]微流控晶片是實現微流控技術的物質載體，它具備將一個生物或化學實驗室濃縮為幾平方釐米甚至更小的晶片上的能力，使得藥品研發、醫學檢測、生物及化學實驗的成本大幅降低，效率顯著提高，併兼具便捷性。
[0004]但是，當今，在很多研發、生產領域的樣品篩選環節仍然採用傳統方法，包括使用取液器、取液槍、移液工具、試劑盒等傳統器具，效率低下且浪費嚴重，使得試劑、人力、管理等方面相關成本居高不下。
[0005]本發明的微流控晶片可實現皮升級以上體積的液滴的高速篩選，可解決上述問題。
[0006]在微流控晶片的製作工藝上，國內外相關領域有採用開孔灌注低熔點合金的方法實現電極的製作，但製作過程中，需要在低熔點合金中固定引線，由於引線、電極的尺寸較小，極易損壞，晶片製作的成功率較低，並且，在使用過程中由於低熔點合金製作的電極容易斷裂使得採用這種製造工藝生產的晶片可靠性不高。
[0007]本發明在玻璃、石英、單晶矽、多晶矽、印刷電路板以及其它材質的表面上通過電鍍或印刷工藝製作電極及其引線，這種工藝生產的晶片可靠性高、次品率低。
[0008]流式細胞儀是一種成熟、高效的針對細胞的分選儀器，其局限性為所控制的目標必須是連續液流內的細胞，如果樣本的代謝物沒有與細胞「黏合」在一起，那麼無法根據樣本的代謝物的特質進行篩選與評價；其它如針對病毒、細菌、酶、蛋白等需要以液滴型反應器進行研究的實驗，流式細胞儀都不能勝任，而本發明尤其適合以液滴型反應器作為篩選目標進行實驗分析，液滴的體積可以低至皮升級，試劑用量低於傳統篩選方式的千萬分之一，而篩選速度達到當今世界上最高端機器人操作速度的一千倍以上。
[0009]本發明具有非常好的應用前景與市場預期。
【發明內容】
[0010]本發明涉及一種微流控晶片以及一種微流控方法。
[0011]本發明涉及的微流控晶片所控制的目標物為皮升級或皮升級以上體積的液滴型反應器，根據液滴內樣本、熔劑、反應物或生成物的特徵，實時高速控制液滴在通道分叉處運動的方向，從而實現超高速、超低損耗的樣品篩選。
[0012]本發明的微流控晶片包括如下部分:基片、蓋片、電極及其引線、塗層、檢測窗(或檢測孔)、含有分叉結構的通道、進液接口(或樣品池)、出液接口(或成品池)、廢液接口(或廢液池)等，其中，進液接口(或樣品池)、出液接口(或成品池)、廢液接口(或廢液池)分別與通道連通，檢測窗(或檢測孔)位於通道附近，並可對通道內的液滴進行觀察、測量，基片與蓋片封接側分別有若干塗層，連有引線的電極可以選擇固定在基片或蓋片的內部，也可以選擇固定在封接側表面，電極固定的位置與通道鄰近。
[0013]本發明的微流控晶片中通道的分叉形式包括:一分二、一分三、一分多，這裡的一分多指一路分為三路以上的情形，包括一份四、一分五等等。
[0014]本發明的微流控晶片中電極的固定位置還限制為:沿液滴運動方向接近但未到達通道分叉處的通道兩側，使液滴在未進入通道分叉之前分別經過其行進路線上與每個電極距離最小的若干個點，並且微流控晶片內液體與電極絕緣。
[0015]本發明的微流控晶片的通道的製作方法包括但不限於:
1.在基片或蓋片內部打孔，以該孔作為液滴流動的通道。
[0016]2.基片與在基片黏合之前，在基片或蓋片封接側製作凹槽，在基片與蓋片黏合封接後形成可供液體流動的通道，這種方法的具體實現方式可以採用如下方法中的一種:只在基片封接側製作凹槽、只在蓋片封接側製作凹槽、在基片及蓋片封接側分別製作凹槽。
[0017]3.方法I與方法2的結合，即微流控晶片中承載液體流動的通道既包括基片或蓋片內部的孔式通道，也包括基片或蓋片封接側黏合前刻制的凹槽式通道。
[0018]本發明的微流控晶片包括檢測窗與檢測孔中的一種或多種，檢測窗或檢測孔的觀察檢測範圍可以包含液滴在微流控晶片通道中移動的部分或全部區域，無論選擇何種區域，液滴到達行進路線上與電極距離最小的點之前必須完成位置或特性參數的檢測，檢測的方法包括但不限於如下三種方法中的一種或多種:
1.激發螢光檢測；
2.同位素鑑別；
3.影像識別。
[0019]本發明的微流控晶片包括樣品池與進液接口中的一種或多種，用以實現液滴樣本進入，本發明的一片微流控晶片上樣品池與進液接口的數量不限，可以是一個、多個或零個。
[0020]本發明的微流控晶片包括成品池與出液接口中的一種或多種，用以實現目標液滴樣本的儲存或引出，本發明的一片微流控晶片上成品池與出液接口的數量不限，可以是一個、多個或零個。
[0021 ] 本發明的微流控晶片包括廢液池與廢液接口中的一種或多種，用以實現廢棄液滴樣本的儲存或引出，本發明的一片微流控晶片上廢液池與廢液接口的數量不限，可以是一個、多個或零個。
[0022]本發明的微流控晶片內基片與蓋片之間具有若干個塗層，塗層的功能包括但不限於:
1.為使基片與蓋片黏合封接；
2.增強液體與電極之間的絕緣性；
3.增強通道的潤滑並減少或消除液滴與通道內壁之間的浸潤現象；
4.使液滴更易於流經通道。
[0023]本發明的微流控晶片電極及其引線可以採用合金灌注的方式，也可以採用印刷電路的方式，而印刷電路的方式是本發明的顯著標誌之一，該種方式包括在玻璃、石英、單晶矽、多晶矽、印刷電路板以及其它材質的表面上通過電鍍或印刷工藝製作電極及其引線，這種工藝生產的晶片上的電極結實牢固、特性均勻，使晶片可靠性高、次品率低，更便於使用。
[0024]本發明的微流控晶片的使用方法為:首先在製作工藝上實現微流控晶片中的液滴在行進路線上先後依次接近:檢測區域、通道在液滴行進路線上分別與每個電極距離最小的若干個點、通道分叉點，這樣的位置序列在液滴行進路線上可以只有一個，也可以有多個，在有多個上述位置序列的情況:每個位置序列在前後順序不變的前提下可以包含上述三種位置中的若干種。液滴經過檢測窗(或檢測孔)實時檢測其特性參數及位置參數，根據這些參數在液滴行進至通道分叉處之前，控制通道兩側或一側若干個電極接通或斷開電信號，則可改變液滴位置或移動方向，從而實現針對液滴的高速高效的篩選。
[0025]該微流控晶片的電極上外接電信號的參數為:電壓幅值在1V至5000V之間或-5000V至-1OV之間、電壓頻率在10Hz至IMHz之間，電信號幅值與頻率的選擇依據包括但不限於:晶片內通道中液滴與電極的距離、微流控晶片的材質、液滴的參數、電極的形狀，電信號的類型包括但不限於:方波、三角波、正弦波、鋸齒波、積分波、微分波、階梯波。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明實施例的微流控晶片結構示意圖。
[0027]圖2為本發明實施例的運行狀態示意圖1。
[0028]圖3為本發明實施例的運行狀態示意圖2。
[0029]圖4為本發明實施例的運行狀態示意圖3。
[0030]圖5為本發明實施例的運行狀態示意圖4。
[0031]圖6為本發明實施例的運行狀態示意圖5。
[0032]圖7為本發明實施例的運行狀態示意圖6。
[0033]圖8為本發明實施例的運行狀態示意圖7。
【具體實施方式】
[0034]以下實施例屬於本發明具體形式中的一種，給出的目的是更詳細的描述本發明，而不是限制本發明的範圍，也不是限定本發明的應用形式。
[0035]實施例:
本實施例的微流控晶片結構示意圖如圖1所示，是基於印刷電路板材質、工藝製造而成，包括可外接電信號的電極(標號I所示)、帶有分叉結構的通道(標號2所示)、檢測窗(標號3所示)、樣品池(標號4所示)、成品池I (標號6所示)、成品池2 (標號7所示)、廢液池(標號5所示)，其中，通道的分叉部分如圖1中的標號8所示。樣品池、成品池、廢液池分別與通道連通，液滴首先經由樣品池進入微流控晶片內的通道中，之後經檢測窗檢測，根據檢測的參數及信息控制若干電極接通電信號，在電場力的作用下，使液滴經通道分叉處分別流向成品池1、成品池2或廢液池中。
[0036]具體的控制方法以及過程如圖2至圖8所示，這7幅圖是本實施例的典型控制流程，其序號與控制流程的先後順序相一致。
[0037]首先假設:微流控晶片中的液滴按照檢測的參數分為一等品、二等品以及不合格品，分別用黑色、灰色以及白色表示，控制目標為:
1.黑色液滴代表的一等品進入下方出液通道，該通道通往成品池2;
2.灰色液滴代表的二等品進入上方出液通道，該通道通往成品池I;
3.白色液滴代表的不合格品進入中間出液通道，該通道通往廢液池。
[0038]則整個控制流程中各節點的運行狀態如下:
圖2為本發明實施例的運行狀態示意圖1，表示三種液滴依次進入微流控晶片通道中，圖中顯示第一個白色液滴進入觀測區域。
[0039]圖3為本發明實施例的運行狀態示意圖2，此時，系統經檢測窗通過攝像裝置感知液滴的位置，控制通道兩側的電極分別接通電信號，控制白色液滴使其沿通道的中心線向通道分叉處運動。
[0040]圖4為本發明實施例的運行狀態示意圖3，白色液滴在通道兩側電極的控制下，沿通道的中心線進入中間出液通道，該通道通往廢液池；此時，第二個灰色液滴進入觀測窗。
[0041]圖5為本發明實施例的運行狀態示意圖4，系統經檢測窗通過攝像裝置感知灰色液滴的位置，控制通道兩側的電極分別接通電信號，使灰色液滴沿通道中心線的上方向通道分叉處運動。
[0042]圖6為本發明實施例的運行狀態示意圖5，灰色液滴在通道兩側電極的控制下，沿通道的中心線上方進入上方出液通道，該通道通往成品池I ;此時，第三個黑色液滴進入觀測窗。
[0043]圖7為本發明實施例的運行狀態示意圖6，系統經檢測窗通過攝像裝置感知黑色液滴的位置，控制通道兩側的電極分別接通電信號，控制黑色液滴使其沿通道的中心線下方向通道分叉處運動。
[0044]圖8為本發明實施例的運行狀態示意圖7，黑色液滴在通道兩側電極的控制下，沿通道的中心線下方進入下方出液通道，該通道通往成品池2。
[0045]至此，根據檢測參數或視頻數據，三種不同液滴在微流控晶片中電極的控制下實現了高速準確的分選操作。
[0046]與業內當前廣泛使用以取液器、取液槍、試劑盒為工具的傳統方式相比，本發明的微流控晶片可實現皮升級液滴的智能高速篩選，使藥品研發、醫學檢測、生物及化學實驗中的樣品篩選環節效率提高千倍以上，並使成本降低百萬倍以上。
[0047]本發明具有非常高的推廣價值。
【權利要求】
1.一種微流控晶片，其特徵在於包含基片、蓋片、電極及其引線、帶有分叉結構的通道，通過引線可外接電信號的若干個電極固定在基片或蓋片封接側內部或表面的接近通道的位置，通過在一個或多個電極上接入電信號，實現對微流控晶片通道內液滴的控制。
2.根據權利要求1所述的微流控晶片，其特徵在於包含若干個電極，其固定位置為下列位置中的一種或多種:基片內部、蓋片內部、基片表面與蓋片封接的一側、蓋片表面與基片封接的一側，並且位於沿液滴運動方向接近但未到達通道分叉處的通道兩側，使液滴在未進入通道分叉之前分別經過其行進路線上與每個電極距離最小的若干個點，並且微流控晶片內液體與電極絕緣。
3.根據權利要求2所述的微流控晶片，其特徵在於通道的分叉形式包括但不限於:一分二、一分三、一分多，這裡的一分多指一路分為三路以上的分叉情形；通道的製作方法包括:第一種方法為在基片或蓋片內部打孔；第二種方法為在基片或蓋片封接側製作凹槽，在基片與蓋片黏合封接後形成可供液體流動的通道；第三種方法為前述兩種方法的組合，本發明的微流控晶片可以採用這三種方法中的一種或多種。
4.根據權利要求3所述的微流控晶片，其特徵在於包括檢測窗與檢測孔中的一種或多種、樣品池與進液接口中的一種或多種、成品池與出液接口中的一種或多種、廢液池與廢液接口中的一種或多種，檢測窗或檢測孔的觀察檢測範圍可以包含液滴在微流控晶片通道中移動的部分或全部區域，無論選擇何種區域，液滴到達行進路線上與電極距離最小的點之前，必須到達可檢測區域並完成位置或特性參數的檢測，檢測的手段包括但不限於:激發螢光檢測、同位素鑑別、影像識別。
5.根據權利要求4所述的微流控晶片，其特徵在於使用方法為:使液滴在行進路線上先後依次接近:檢測區域、通道在液滴行進路線上分別與每個電極距離最小的若干個點、通道分叉點，這樣的位置序列在液滴行進路線上可以只有一個，也可以有多個，在有多個上述位置序列的情況:每個位置序列在前後順序不變的前提下可以包含上述三種位置中的一種或多種。
6.根據權利要求5所述的微流控晶片，其特徵在於使用方法為:根據已知或實時檢測出的液滴特性參數，選擇通道兩側或某一側的若干個電極接通電信號，實現對液滴位置或液滴移動方向的控制，電極上外接電信號的參數範圍:電壓幅值在1V至5000V之間或-5000V至-1OV之間、電壓頻率在10Hz至IMHz之間，電信號幅值與頻率的選擇依據包括但不限於:晶片內通道中液滴與電極的距離、微流控晶片的材質、液滴的參數、電極的形狀，電信號的類型包括但不限於:方波、三角波、正弦波、鋸齒波、積分波、微分波、階梯波以及上述多種波形的疊加或函數運算的結果。
7.根據權利要求6所述的微流控晶片，其特徵在於晶片內基片與蓋片之間具有若干塗層，塗層的功能為使基片與蓋片黏合封接。
8.根據權利要求6所述的微流控晶片，其特徵在於通道內壁具有若干塗層，塗層的功能為增強液體與電極之間的絕緣性。
9.根據權利要求6所述的微流控晶片，其特徵在於通道內壁具有若干塗層，塗層的功能為:增強通道的潤滑並消除或減少液滴與通道內壁之間的浸潤現象，使液滴更易於流經通道。
10.根據權利要求6所述的微流控晶片，其特徵在於電極及其弓I線採用印刷電路的方式。
【文檔編號】B01L3/00GK104248996SQ201310262829
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月27日 優先權日:2013年6月27日
【發明者】李木 申請人:李木