一种微流控阀及微流控芯片的制作方法

[0001]
本发明涉及微流控技术领域，具体而言，涉及一种微流体控制阀，本发明还涉及一种具有上述微流体控制阀的微流控芯片。


背景技术：

[0002]
微流体控制是微流控芯片的操作核心，芯片所涉及的进样、混合、反应、检测等过程都需在可控的流体中完成，因此微流体控制阀是微流控系统的主要部件之一，微流控通过阀控制流体，使液体在指定方向流动。
[0003]
目前微流体控制阀分为无源阀和有源阀。无源阀不需要外部的动力或控制，利用流体本身流向和压力的变化就可实现阀状态的改变，以双晶片单向阀和凝胶阀为主要代表。有源阀也称为主动阀，其原理是利用外界致动力实现阀的开启和关闭操作。它有多种致动机理，包括气动，热膨胀，压电效应、形状记忆合金、静电、电磁等。应用较多的阀门主要有：相变阀、机械阀、气动阀等形式。
[0004]
相变阀芯片利用激光等加热设备对预先安装在芯片内的易相变物质进行加热，固态物质融化，流入主管道内，冷却后堵住流道，这种方法存在对反应试剂污染的风险，尤其是在分子检测领域，增加了实验结果的不稳定性。
[0005]
传统机械阀芯片通过机械部件的旋转挪动压迫下层薄膜，利用薄膜形变堵塞管道。一方面如果所用芯片本身体积小，要想将机械部件尽可能多的集成到芯片内，必须尽可能缩小机械阀门体积，对机械加工工艺要求很高，增加制作成本。另一方面如果机械阀门过大，则使芯片本身微体积的优势丧失。
[0006]
传统气动阀芯片需内嵌一层可形变薄膜，外接泵通过气道芯片内的气体流道，向阀门处送入气体，薄膜受气体压力发生形变，堵住管道，实现阀门的开关闭合。机械阀和气动阀都需在薄膜外覆盖一层芯片，因为薄膜太薄，易破，透气导致密封性差，需要额外加芯片层保护，这增加了芯片成品的封接步骤，工艺繁琐。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的之一在于提供一种微流体控制阀。
[0008]
包括管道和微阀，所述微阀位于管道内部，其一端与所述管道连接，为凸起状，其高度低于所述管道的高度，所述管道至少一侧为弹性材料，施加外力时所述微阀另一端与管道接触，管道闭合。
[0009]
本发明的目的之二在于提供一种微流体芯片，所述微流体芯片包括如上所述的微流体控制阀。
[0010]
本发明的有益效果：1、微阀采用凸起状设计，使管道只需少量形变即可闭合，保证管道密封，实现流体精准控制，同时降低了对管道材质的要求，使更多的材料能应用到微流控领域。
[0011]
2、本发明在关闭阀门时管道形变量小，对管道内液体造成的流动干扰小，管道的
其它区域不因阀门处形变而翘起变形，尤其适用于分子检测领域，确保实验结果的稳定性。
[0012]
3、相比于传统的气动阀、相变阀，本发明无需借助外部电源设备及复杂控制系统即可实现微阀开关，大幅降低整体使用成本，同时操作简便，应用场景不受限制；相比传统机械阀，制备工艺更加简单，更易将多个微阀集成于更小的芯片上，成本更低。
[0013]
4、本发明芯片组装步骤少，易生产，成本低，无需增加额外的薄膜，依靠芯片自身材料弹性形变即可实现阀门开关闭合控制。
附图说明
[0014]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]
图1为本发明实施例1微流体控制阀阀开时的截面示意图；图2为本发明实施例1微流体控制阀阀关闭时的截面示意图；图3为本发明实施例2的结构示意图；图4为本发明实施例3阳性样本的检测结果图。
[0016]
图中标记如下：1、进样口；2、第一微流体控制阀；3、第一反应腔；4、第二微流体控制阀；5、第二反应腔；6、微阀；7、管道一侧；8、管道另一侧。
具体实施方式
[0017]
现将详细地提供本发明实施方式的参考，其一个或多个实例描述于下文。提供每一实例作为解释而非限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，可以对本发明进行多种修改和变化而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施方式的部分而说明或描述的特征可以用于另一实施方式中，来产生更进一步的实施方式。
[0018]
因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求的范围及其等同范围中的此类修改和变化。本发明的其它对象、特征和方面公开于以下详细描述中或从中是显而易见的。本领域普通技术人员应理解本讨论仅是示例性实施方式的描述，而非意在限制本发明更广阔的方面。
[0019]
如本文所用，术语“管道”是把流体(如蒸汽、煤气、水或油)从一处传送到另一处的管道。
[0020]
如本文所用，术语“弹性材料”是除去外力后能恢复原状的材料。
[0021]
本发明的目的之一在于提供一种微流体控制阀。
[0022]
包括管道和微阀，所述微阀位于管道内部，其一端与所述管道连接，为凸起状，其高度低于所述管道的高度，所述管道至少一侧为弹性材料，施加外力时所述微阀另一端与管道接触，管道闭合。
[0023]
在一些优选的实施方式中，所述微阀截面宽度等于所述管道宽度。
[0024]
在一些优选的实施方式中，所述管道横截面为矩形、圆形、扁圆形中的任意一种或几种。
[0025]
在一些优选的实施方式中，所述管道一侧为弹性材料，另一侧可由下述任意一种
或两种混合型的材料制成，如硅、陶瓷、玻璃和塑料等，其中所述塑料包括：聚酰胺(pa)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚碳酸酯(pc)、聚乙烯(pe)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚甲醛(pom)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯二乙醚(ppe)、聚苯乙烯(ps)、聚砜(psu)、聚醚醚酮(peek)和聚二甲基硅氧烷(pdms)等。
[0026]
在一些优选的实施方式中，所述微阀为柱形。
[0027]
在一些优选的实施方式中，所述微阀高度为所述管道高度的50%-90%。
[0028]
在一些优选的实施方式中，所述弹性材料为聚合物。
[0029]
其中，聚合物分为弹性体、热塑性塑料和热固性塑料。
[0030]
弹性体由通常缠结的交联聚合物链组成，当外力施加时，弹性体可以伸展或压缩，并且在外力撤回时恢复到原始形状，其表现出较弱的分子间作用力，与其他材料相比具有较低的杨氏模量和较高的失效应变。
[0031]
在一些优选的实施方式中，所述聚合物为聚二甲基硅氧烷（pdms）、热固性聚酯（tpe）、聚乙二醇二丙烯酸脂（pegda）、全氟化合物（pfep/pfa/pfpe）、聚氨酯（pu）。
[0032]
本发明微流体控制阀的流量控制原理为利用管道受外力作用产生弹性变形与微阀贴合以截流微流体。
[0033]
根据本发明的第二方面，本发明还提供一种微流体芯片，所述微流体芯片包括如上所述的微流体控制阀。
[0034]
在一些优选的实施方式中，所述微流体芯片还包括反应模块，所述反应模块包括所述微流体控制阀，与所述微流体控制阀相通可形变的反应腔。
[0035]
在一些优选的实施方式中，所述微流体控制阀数量为n个，所述可形变反应腔数量为n+m个，其中n为＞0的整数， m为≥0的整数。选取不同数量的微流体控制阀和可形变反应腔数量组成反应模块，可实现不同需求的流量控制。
[0036]
采用上述反应模块，可达到以下效果：反应腔腔体密封性提高，反应交叉风险降低；反应腔两端设有微流体控制阀，实现可控闭合，可实现腔室内液体受热过程的蒸发显著减少，显著提高有加热需求的检测产品性能；实现流体流动方向精准驱动、位置精准定位，实现液体定量分配；可全部手工操控反应过程，更加满足便携式设备使用需求，配合专门的手动压具，更好实现市场化应用。
[0037]
在一些优选的实施方式中，所述微流体芯片包括依次连通的进样口、反应模块的第一微流体控制阀、反应模块的第一反应腔，反应模块的第二微流体控制阀，反应模块的第二反应腔，检测区，出气孔。
[0038]
本发明的微流体芯片可实现原始样本到结果简便检测，使用时，将待测样本由进样口加入到微流体芯片，待测样本流到第一反应腔后，挤压第二微流体控制阀，微流体控制阀竖直方向发生位移变化堵住管道，截流样本，再挤压第一微流体控制阀，使第一反应腔进行密封反应，降低了液体受热挥发或反应交叉风险。反应结束后，打开第二微流体控制阀阀门，挤压第一反应腔，液体进入第二反应腔，进行下阶段反应，根据情况添加不同数量的微流体控制阀和反应腔，满足不同需求。反应结束后，挤压第二反应腔，液体进入检测区进行检测。
[0039]
当微流体芯片为核酸检测微流体芯片时，所述检测的显示方法可以有不同方法，如胶体金法、荧光法、变色反应、杂交法或微球法等。
[0040]
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。对于本领域技术人员来说，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
[0041]
实施例1 一种微流体控制阀包括管道和微阀6，管道一侧7为弹性材料如pdms或透明硅胶，管道另一侧8为硬质材料，如pmma、树脂材料等，两侧使用双面胶贴合。
[0042]
微阀6位于管道内部，为一柱形，微阀6截面宽度等于管道宽度，其一端与管道固定连接，其高度为管道高度的90%。施加外力时微阀6另一端与管道接触，管道闭合，实现管道液体截流，撤去外力时管道内液体恢复流动。
[0043]
实施例2 一种微流控芯片如图3所示，包括依次连通的进样口1、反应模块的第一微流体控制阀2、反应模块的第一反应腔3，反应模块的第二微流体控制阀4，反应模块的第二反应腔5，检测区，出气孔。微流体控制阀结构同实施例1。
[0044]
芯片管道深度1000微米，宽600微米。
[0045]
（1）芯片制作用树脂材料制作集进样口1、反应模块的第一微流体控制阀2、反应模块的第一反应腔3，反应模块的第二微流体控制阀4，反应模块的第二反应腔5，检测区，出气孔于一体的芯片底层结构。
[0046]
芯片顶层为一片弹性材料如pdms或透明硅胶，芯片顶层与底层用双面胶贴合。
[0047]
芯片封接步骤少，易生产，成本低。相比于之前报道通过控制上下平行基层膜直接接触的阀门装置，无需增加额外的薄膜，依靠芯片上下层自身材料弹性形变即可实现阀门开关闭合控制。
[0048]
（2）微流体控制阀效果验证实验一：采用上述工艺制作100个微流控芯片合格品，将微流控芯片随机均分为两组，分别为实验组和对照组具体实验方法如下：由芯片进样口1向第一反应腔3内注入一定体积的液体，施加一定外力按压第一微流体控制阀2；实验组：施加一定外力按压第二微流体控制阀4正上方，挤压第一反应腔3内液体，观察第二微流体控制阀4处液体流动情况。
[0049]
对照组：施加一定外力按压第二微流体控制阀4与第一反应腔3连接管道之间的某一处（即非第二微流体控制阀4正上方位置），挤压第一反应腔3内液体，观测第二微流体控制阀4处液体流动情况。
[0050]
实验结果：实验组的液体未流过第二微流体控制阀4；对照组的液体穿过第二微流体控制阀4，流向第二反应腔5。
[0051]
实验结果证明，增加凸起状的微阀6结构，微流体控制阀的密封性更好，截流效果显著。
[0052]
实验二：将实验一芯片底面材料换成和上层弹性材料一样的材料直接贴合成芯片，重复了上述实验，得出相同的实验结果。
[0053]
实施例3 一种用于核酸检测的微流控芯片的使用案例应用到核酸检测时，本发明提供的是一种用于核酸检测的微流控芯片，结构同实施例2。本实施例为检测非洲猪瘟病毒(african swine fever virus，asfv) 的微流控芯片，微流控芯片具体的扩增引物及grna为针对非洲猪瘟病毒（african swine fever virus，asfv ）设计。
[0054]
微流控芯片的凸起状微阀设计保证只需少量形变即可闭合管道，保证管道密封，避免反应腔内液体加热时挥发到芯片内其它区域，影响实验结果。尤其在深宽比大的管道内，截流密封效果更加显著。
[0055]
第一反应腔预装有有恒温扩增的冻干试剂，试剂组成为：ys40 uvsx: 120ng/ul，ys40 uvsak: 60ng/ul，t4 gp32: 300ng/ul，dntp: 200um，primers: 500nm，dtt: 2mm，肌醇: 50mm，ckase: 200ng/ul，atp: 1.5mm，mgac:14mm，bsu: 2u，tris-乙酸: 100mm ，乙酸钠: 50mm，peg20000: 5% 。
[0056]
第二反应腔预装有crispr/cas12a的检测体系的冻干试剂，试剂组成为：sccas12a 45nm，grna 22.5nm，地高辛和生物素标记核酸探针 100nm，tris 20 mm，nacl 60 mm , mgcl2 10 mm , ph 7.3。
[0057]
微流控检测芯片检测步骤：（1）将待测样本由进样口加入到检测芯片，待测样本流到第一反应腔，挤压第二微流体控制阀，微流体控制阀竖直方向发生位移变化堵住管道，截流样本，再挤压第一微流体控制阀，使待测样本与第一反应腔的预装试剂进行密封反应，降低待测样本受热挥发或反应交叉风险。
[0058]
（2）反应结束后，打开第二微流体控制阀阀门，挤压第一反应腔，待测样本进入第二反应腔，与第二反应腔预装试剂进行反应；（3）反应结束后，挤压第二反应腔，使待测样本进入检测区进行检测。
[0059]
（4）检测区使用免疫层析试纸制备，检测区结果判断：胶体金颗粒标记鼠源地高辛抗体；检测线即t线，标记链霉亲和素；控制线即c线，标记羊抗鼠抗体。结果分析，在检测芯片c线显色的情况下，若血液样本中含有非洲猪瘟病毒，则检测芯片t线不显色，结果判读为阳性；若不含有非洲猪瘟病毒，则检测芯片t线显色，结果判读为阴性。
[0060]
检测结果显示，阴性样本的检测线与对照线均出现，对应为检测阴性；阳性样本结果如图4所示，其对照线出现但检测线消失，对应为检测阳性。结果说明通过该检测芯片可以准确检测非洲猪瘟样本中的病毒核酸。