一种具有旋转阀结构的微流控芯片的制作方法

本发明涉及核酸扩增检测技术领域，尤其涉及一种具有旋转阀结构的微流控芯片。

背景技术：

微流控芯片是以微机电加工技术为基础，由微管路在芯片上形成网络，以可控微流路贯穿整个系统并完成各种生物和化学过程的一种技术。在微流控芯片技术发展早期，芯片毛细管电泳是其主流技术，所用芯片结构简单，功能单一；近年来，微流控芯片开始向功能化、集成化方向飞速发展，诸如核酸扩增反应、免疫反应、细胞裂解等重要的生物和化学过程成为新的热点。随着产业的发展，微流控芯片的技术应用进入临床应用阶段，涉及试剂的混合、反应、前处理等复杂流程，芯片结构上就要满足多种流路的切换、通闭等控制，这都需要精密可靠的阀结构才能完成。

当前的检测用芯片有多种，如cn1996009b、cn101590389a、us6627159、us20050199500a1、us2004120856a1、us6919058b2、us20030166265a1、wo9533986a1。但这些芯片均没有阀结构或使用简单的通闭阀结构，很难进行复杂流程。

实际使用中对芯片的阀的要求有：

1、功能性强。阀作为芯片的核心单元，尽量用最少的阀实现流路的多种控制功能，如多个流路的切换与通闭。

2、可靠。阀通常需要接触液体试剂或气体试剂，必须保证试剂无泄漏、切换迅速，这需要阀耐腐蚀、耐高低温、耐磨损。

3、控制简单。芯片通常与仪器配套使用，阀控制越简单，仪器设计制造就越容易。

4、批量制造。临床市场的销量通常很大，且价格不高，这就要求芯片要选用价格便宜的材质，且加工成型工艺成熟；不能用湿法刻蚀，因为加工周期过长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有旋转阀结构的微流控芯片,其能满足多种流路的控制要求，并且密封可靠、控制方法简单，还能满足批量制造，成本低廉的要求。

本发明是这样实现的：一种具有旋转阀结构的微流控芯片，包括阀芯、基片和底片，所述基片的一个面与底片贴合，所述基片的另一个面设有阀腔室和流道，所述阀腔室内设有至少两个阀腔室通孔，所述各阀腔室通孔分别与流道连接，所述基片上还设有分别与流道连接的进口、出口；所述阀芯包括密封层和支撑层，所述密封层设在所述阀腔室内，所述支撑层设在所述密封层上，所述密封层设有转换通道；所述支撑层旋转时，带动所述密封层旋转，使所述转换通道与至少两个阀腔室通孔连通。

上述的阀腔室包括设在基片上的凹陷结构。上述的转换通道是指设在密封层上的通道，其在密封层旋转时，与阀腔室通孔处在连通或者封闭的状态，从而实现流路在流道之间的自由切换或者通闭。

采用上述技术方案，只需要一个阀芯就可以实现不同流路的自由转换和通闭，满足了多种流路的控制要求；提高了生产效率；只需要旋转支撑层就可以实现流路的控制，控制方法简单高效。

作为本发明的进一步改进，还包括设在所述阀腔室上方的压盖，所述压盖的顶端设有压盖孔，所述压盖的底端与基片连接，所述压盖和阀腔室的内部连通形成阀芯容纳腔；所述支撑层和密封层设在所述阀芯容纳腔内，所述支撑层与所述阀芯容纳腔的顶端接触，所述压盖孔的直径小于所述支撑层的直径，所述压盖的直径大于支撑层的直径。

采用此技术方案，通过压盖、阀腔室将支撑层、支撑层固定住，所述压盖对支撑层施压，使下方的密封层密封更加牢固，由于压盖的直径大于支撑层的直径，因此支撑层仍能带动密封层进行灵活的旋转，用户可以通过压盖孔对支撑层进行旋转控制，压盖孔的直径比支撑层的直径小，因此支撑层不会从压盖中跑出。

作为本发明的进一步改进，所述支撑层的顶端设有旋转固定构件，所述旋转固定构件在所述压盖孔的下方。本发明在使用时，可以通过外部仪器的旋转杆与支撑层接触，进行旋转控制，只需将旋转杆插入所述旋转固定构件中，就可以通过外部仪器对所述微流控芯片的流路进行切换或者通闭的控制。

作为本发明的进一步改进，所述旋转固定构件包括凹槽；进一步的，所述凹槽包括一字凹槽和十字凹槽。采用凹槽结构，是因为其结构简单，容易生产、使用。

作为本发明的进一步改进，所述密封层为弹性高分子材料；所述支撑层和密封层的总高度大于所述阀芯容纳腔的深度。采用此技术方案，所述密封层处于被压缩状态，保证了试剂在流经密封层的转换通道的时候，不会发生挥发或泄露。

作为本发明的进一步改进，所述弹性高分子材料为热塑性弹性体或橡胶中的一种。采用热塑性弹性体或橡胶，第一利用了其耐腐蚀、耐高低温、耐磨损且价格低廉的优点，第二利用了其具有弹性，压缩后不容易变形的优点。

作为本发明的进一步改进，所述支撑层为聚碳酸酯、环烯烃类共聚物、热塑性弹性体、铜或不锈钢中的一种。所述支撑层与密封层可以是相同或者不同的材料。采用此技术方案，所述支撑层耐磨损，价格低廉。

作为本发明的进一步改进，所述基片为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯或环烯烃类共聚物中的一种。因为密封层呈压缩状态，导致整体的芯片容易变形，因此基片必须为足够刚性的材料以保证上述芯片的长时间稳定性，采用上述技术方案，基片的刚性较强，为阀芯、压盖提供了刚性支撑。

作为本发明的进一步改进，所述压盖为聚碳酸酯、环烯烃类共聚物、铜或不锈钢中的一种。采用此技术方案，所述压盖耐磨损，价格低廉。

作为本发明的进一步改进，所述密封层和支撑层的结合方式为化学胶粘接、激光焊接、镶嵌、卡扣或者注塑成型中的一种；所述压盖和基片的结合方式为热压封接、高强度化学胶粘接、激光焊接、嵌套或卡扣中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述密封层和支撑层的结合方式为注塑成型，所述压盖和基片的结合方式为卡扣连接。采用这种方式，所述密封层与支撑层的连接牢固，所述压盖和基片的连接方式灵活，可以根据需要进行拆卸。

这种具有旋转阀结构的微流控芯片的的使用方法是：将外部仪器的旋转杆插入支撑层的凹槽内，旋转杆带动支撑层旋转，从而调整密封层上的转换通道的方向，使转换通道与不同的流道连通，或关闭相应的流道。在流通情况下，流路从基片的一个流道进入一个阀腔室通孔，然后进入密封层的转换通道，进而进入另一个阀腔室通孔，从基片的另一个流道流出。在关闭情况下，转换通道不连通阀腔室通孔，试剂无法流出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、功能性强。本发明只需使用一个旋转阀结构就能实现多个流路的自由转换与通闭，实现了现有技术中多个通闭阀才能获得的效果。

2、可靠耐用。本发明中与流路接触的密封层、基片均为耐腐蚀的高分子材料，耐高低温、耐磨损。

3、控制简单。本发明只需要手动或者使用外部仪器的旋转杆，就能实现操作，操作简单，避免了复杂的仪器设计。

4、批量制造。在多数情况下，本发明中采用的材料均为普通的材料，价廉易得，注塑工艺、卡扣连接均为医疗器械行业常用工艺，容易实现批量生产。

附图说明

图1是一种具有旋转阀结构的微流控芯片的爆炸图。

图2是一种具有旋转阀结构的微流控芯片的剖视图。

图3是一种具有旋转阀结构的微流控芯片的正视图。

图4是一种具有旋转阀结构的微流控芯片的结构示意图。

图5是一种具有旋转阀结构的微流控芯片的结构示意图。

图6是一种具有旋转阀结构的微流控芯片的结构示意图。

图7是一种具有旋转阀结构的微流控芯片的结构示意图。

图8是一种具有旋转阀结构的微流控芯片的结构示意图。

图9是一种具有旋转阀结构的微流控芯片的结构示意图。

附图说明：1-阀芯，11-密封层，110-转换通道，12-支撑层，120-凹槽，2-基片，21-阀腔室，210-阀腔室通孔，3-压盖，31-压盖孔，4-底片，501-a流路，502-b流路，503-c流路，504-d流路，505-e流路，506-f流路，507-g流路。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步说明。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中，芯片制作技术和使用方法均为微流控芯片领域和生物检测领域的常规技术和方法。

实施例1

一种具有旋转阀结构的微流控芯片，包括阀芯、基片和底片，所述基片的一个面与底片贴合，所述基片的另一个面设有阀腔室和流道，所述阀腔室内设有至少两个阀腔室通孔，所述各阀腔室通孔分别与流道连接，所述基片上还设有分别与流道连接的进口、出口；所述阀芯包括密封层和支撑层，所述密封层设在所述阀腔室内，所述支撑层设在所述密封层上，所述密封层设有转换通道；所述支撑层旋转时，带动所述密封层旋转，使所述转换通道与至少两个阀腔室通孔连通。

上述的阀腔室为设在基片上的凹陷结构。上述的转换通道是指设在密封层上的通道，其在密封层旋转时，与阀腔室通孔处在连通或者封闭的状态，从而实现流路在流道之间的自由切换或者通闭。

采用上述技术方案，只需要一个阀芯就可以实现不同流路的自由转换和通闭，满足了多种流路的控制要求；提高了生产效率；只需要旋转支撑层就可以实现流路的控制，控制方法简单高效。

进一步的，还包括设在所述阀腔室上方的压盖，所述压盖的顶端设有压盖孔，所述压盖的底端与基片连接，所述压盖和阀腔室的内部连通形成阀芯容纳腔；所述支撑层和密封层设在所述阀芯容纳腔内，所述支撑层与所述阀芯容纳腔的顶端接触，所述压盖孔的直径小于所述支撑层的直径，所述压盖的直径大于支撑层的直径。

采用此技术方案，通过压盖、阀腔室将支撑层、支撑层固定住，所述压盖对支撑层施压，使下方的密封层密封更加牢固，由于压盖的直径大于支撑层的直径，因此支撑层仍能带动密封层进行灵活的旋转，用户可以通过压盖孔对支撑层进行旋转控制，压盖孔的直径比支撑层的直径小，因此支撑层不会从压盖中跑出。

进一步的，所述支撑层的顶端设有旋转固定构件，所述旋转固定构件在所述压盖孔的下方。本发明在使用时，可以通过外部仪器的旋转杆与支撑层接触，进行旋转控制，只需将旋转杆插入所述旋转固定构件中，就可以通过外部仪器对所述微流控芯片的流路进行切换或者通闭的控制。

进一步的，所述旋转固定构件包括凹槽；进一步的，所述凹槽包括一字凹槽和十字凹槽。采用凹槽结构，是因为其结构简单，容易生产、使用。

实施例2

在实施例1的基础上，所述密封层为弹性高分子材料；所述支撑层和密封层的总高度大于所述阀芯容纳腔的深度。采用此技术方案，所述密封层处于被压缩状态，保证了试剂在流经密封层的转换通道的时候，不会发生挥发或泄露。

进一步的，所述弹性高分子材料为热塑性弹性体或橡胶中的一种。采用热塑性弹性体或橡胶，第一利用了其耐腐蚀、耐高低温、耐磨损且价格低廉的优点，第二利用了其具有弹性，压缩后不容易变形的优点。

进一步的，所述支撑层为聚碳酸酯、环烯烃类共聚物、热塑性弹性体、铜或不锈钢中的一种。所述支撑层与密封层可以是相同或者不同的材料。采用此技术方案，所述支撑层耐磨损，价格低廉。

进一步的，所述基片为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯或环烯烃类共聚物中的一种。

实施例2中，基片的作用有两个：

1、形成阀腔室、流道、进口、出口等结构，配合流路切换，并进行后续反应过程。

2、为阀芯、压盖提供刚性支撑。因为密封层呈压缩状态，导致整体的芯片容易变形，因此基片必须为足够刚性的材料以保证上述芯片的长时间稳定性，采用上述技术方案，基片的刚性较强，为阀芯、压盖提供了刚性支撑。

进一步的，所述压盖为聚碳酸酯、环烯烃类共聚物、铜或不锈钢中的一种。采用此技术方案，所述压盖耐磨损，价格低廉。

进一步的，所述底片为聚碳酸酯或环烯烃类共聚物中的一种。

进一步的，所述密封层和支撑层的结合方式为化学胶粘接、激光焊接、镶嵌、卡扣或者注塑成型中的一种；所述压盖和基片的结合方式为热压封接、高强度化学胶粘接、激光焊接、嵌套或卡扣中的一种。

实施例2中，阀芯的作用有两个：

1、保证液态或气态试剂的有效密封。流路切换中的密封性由阀芯的密封层来保证，当压盖与基片结合后，密封层处于压缩状态，保证了流路的密封性；同时，由于密封层具有优良的耐腐蚀性能，能够确保不同温度条件下各种性质试剂的密封性能。

2、控制液态或气态试剂的流路切换和通闭。由于支撑层上的凹槽、密封层上的转换通道、基片的流道均有对应的位置关系，因此只要控制外部仪器的旋转杆的角度就能控制流路的切换和通闭。

这种具有旋转阀结构的微流控芯片的使用方法是：将外部仪器的旋转杆插入凹槽内，旋转杆带动支撑层旋转，进而调整密封层上的转换通道的方向，使转换通道与不同的流道连通，或关闭相应的流道。在流通情况下，流路从基片的一个流道进入一个阀腔室通孔，进而进入密封层的转换通道，然后再次进入另一个阀腔室通孔，从基片的另一个流道流出。在关闭情况下，转换通道不连通阀腔室通孔，试剂无法流出。

实施例1、实施例2与现有技术相比，有益效果是：

1、功能性强。本发明只需使用一个旋转阀结构就能实现多个流路的自由转换与通闭，实现了现有技术中多个通闭阀才能获得的效果。

2、可靠耐用。本发明中与流路接触的密封层、基片均为耐腐蚀的高分子材料，耐高低温、耐磨损。

3、控制简单。本发明只需要手动或者使用外部仪器的旋转杆，就能实现操作，操作简单，避免了复杂的仪器设计。

4、批量制造。在多数情况下，本发明中采用的材料均为普通的材料，价廉易得，注塑工艺、卡扣连接均为医疗器械行业常用工艺，容易实现批量生产。

实施例3

在实施例2的基础上，本实施例结合图1-图5对本发明进行说明。

如图1-图3所示的一种具有旋转阀结构的微流控芯片，包括阀芯1、基片2、压盖3和底片4。基片2的最大厚度为5mm，压盖3的厚度为2mm，底片4的厚度为1mm，所述基片2、压盖3和底片4均为聚碳酸酯材料制成，所述基片1、压盖3和底片4分别通过注塑成型。

底片与基片通过化学胶粘接方式结合。采用这种技术方案，所述所述压盖和基片的连接牢固。

所述基片2上设有一个阀腔室21和流道，阀腔室21在基片2的上部，流道在基片2的底部，所述阀腔室21内设有两个阀腔室通孔210，所述各阀腔室通孔210分别与流道连接，所述基片2上还设有分别与流道连接的一个进口和一个出口。所述阀腔室21深度为3.5mm，所述流道的宽度为0.5mm，所述流道的深度为0.5mm。

所述阀芯1包括密封层11和支撑层12，所述密封层11设在所述阀腔室21上，所述支撑层12设在所述密封层11上，所述密封层11设有转换通道110。其中，所述阀芯1为圆柱形，所述阀芯1的总高度为3.6mm，阀芯1的直径为5mm。所述支撑层12为聚碳酸酯材料制成，所述支撑层12的高度为3mm；所述密封层11为热塑性弹性体制成，所述密封层11的硬度为70度，所述密封层11高度为0.6mm，所述支撑层12、密封层11通过注塑一体成型。

阀芯1的支撑层12上有凹槽120，长5mm，宽2mm，深2mm，凹槽120的作用是配合外部仪器的旋转杆，便于仪器控制旋转阀角度。

压盖3上设有压盖孔31，压盖孔31直径为3mm，比支撑层12的直径小，这样能保证支撑层12不从压盖3内跑出。

压盖与基片通过激光焊接方式结合，所述压盖和阀腔室的内部连通形成阀芯容纳腔。采用这种方式，所述密封层与支撑层的连接牢固。

阀芯的高度比阀芯容纳腔深度略大，密封层压缩量为0.1mm，这样当芯片组合完毕后，阀芯的密封层呈压缩状态。阀芯的密封层上有转换通道，长3mm，宽1mm，深0.6mm。

上述的具有旋转阀结构的微流控芯片的使用方法为，包括以下步骤：

步骤s1，如图4所示，初始状态下，所述转换通道与所述阀腔室通孔不连通，流路呈关闭状态，试剂无法通过阀芯；

步骤s2，如图5所示，将外部仪器的旋转杆插入凹槽中，带动支撑层旋转90°，此时密封层的转换通道随之旋转90°，所述转换通道正好将两个阀腔室通孔连通，流路呈开启状态。试剂从基片的一个流道进入一个阀腔室通孔，进而进入转换通道，然后进入另一个阀腔室通孔，再从基片的另一个流道流出。

通过对实施例2的测试发现，阀芯容纳腔的深度是关键，阀芯容纳腔太深则阀芯密封不严，阀芯容纳腔太浅则阀芯很难旋转。对采用热塑性弹性体制成的密封层而言，当密封层的硬度为70度，经测试发现密封层的压缩量为0.1~0.2mm时，密封性能，旋转灵活性最好。

采用实施例3的技术方案，所述具有旋转阀结构的微流控芯片的结构简单，材料易得，容易被批量制造；通过一个阀芯就可以实现对流路的通闭的控制，功能性强；操作简单；密封层和基片耐腐蚀，密封性好，可靠耐用。

实施例4

在实施例2的基础上，本实施例结合图6-图7对发明进行说明。

一种具有旋转阀结构的微流控芯片，所述压盖为厚度1mm的不锈钢板，所述压盖与基片的结合方式为卡扣连接。采用这种技术方案，所述压盖和基片的连接方式灵活，可以根据需要拆卸。

所述基片上设有一个阀腔室和流道，所述阀腔室内设有七个阀腔室通孔，所述各阀腔室通孔分别与流道连接，形成a流路501、b流路502、c流路503、d流路504、e流路505、f流路506和g流路507。

所述密封层上设有两个转换通道，所述两个转换通道的相对位置关系如图6或图7所示。

上述的具有旋转阀结构的微流控芯片的使用方法为，包括以下步骤：

步骤h1，如图6所示，初始状态下，阀芯的第一个转换通道连通a流路501和g流路507，第二个转换通道连通f流路506和e流路505。

步骤h2，如图7所示，将外部仪器的旋转杆插入凹槽，带动支撑层顺时针旋转90°，此时第一个转换通道和第二个转换通道均不与流道连通，各流路呈关闭状态。

采用实施例4的技术方案，所述具有旋转阀结构的微流控芯片的结构简单，材料易得，容易被批量制造；通过一个阀芯就可以实现对流路的自由切换、流路的通闭的控制，功能性强；操作简单；密封层和基片耐腐蚀，密封性好，可靠耐用，压盖和基片的卡扣式设计容易拆卸。

实施例5

本实施例结合图8-9对本发明进行说明。

一种具有旋转阀结构的微流控芯片，其与实施例4的区别在于：所述密封层上的两个转换通道的相对位置关系不同，如图8或图9所示。

上述的具有旋转阀结构的微流控芯片的使用方法为，包括以下步骤：

步骤j1，如图8所示，初始状态下，阀芯的第一个转换通道与流道不连通，第二个转换通道连通f流路506和e流路505。

步骤j2，如图9所示，将外部仪器的旋转杆插入凹槽，带动阀芯逆时针旋转90°，此时第一个转换通道连通a流路501和g流路507，第一个转换通道与流道不连通。

实施例4、实施例5的技术方案还表明，所述阀芯可以根据用户的实际需求进行设计，通过一个阀芯解决多个流路的切换和通闭，功能强，操作简单。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。