微流控芯片及其检测装置、控制方法与流程

1.本发明涉及一种微流控芯片及其检测装置、控制方法，属于微流控芯片领域。


背景技术：

2.微流控芯片可以容纳流体的有效结构为微米级尺度，发挥出独特的分析性能，目前，对其研究越来越广泛，在医疗检测领域的应用也备受重视，如何使检测结果更精准、抗干扰性更好，尤为重要，而微流控芯片气密性的保持便是其中非常重要的一环。长期保持芯片内部良好的气密性，对于试剂的储存保护、抗干扰、避免污染、提高检测的精准性都有重要作用。
3.微阀是微流控芯片中对流体流动进行控制的关键技术，微阀的设置及开启和关闭过程，也应该使芯片内部长期保持良好的气密性。目前的微阀中，有采用石蜡等物质，例如通过对石蜡微阀加热，使得微阀由常闭状态调整为打开状态，从而实现阀的状态改变。
4.但是，石蜡微阀因熔点较低，打开和关闭过程中易与流体混合，污染反应物。另外，微流控芯片内试剂反应温度可以达到100℃，而达到试剂反应温度时，石蜡阀已经融化，失去封闭管路作用，因此，无法在试剂反应时实现阀的关闭，无法保证芯片内部的气密性，有可能对试剂造成污染。


技术实现要素：

5.本发明要解决的问题是针对现有技术中石蜡微阀打开和关闭过程中易与流体混合从而污染反应试剂的问题，提供一种微流控芯片及其检测装置、控制方法。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种微流控芯片，包括装置主体、形成在装置主体内且一端开口的通道，所述通道开口外侧设置有用于将反应试剂和密封液向通道内侧推入的推动单元；所述通道的远离开口一端与推动单元的推动端之间形成封闭空间，所述封闭空间内容纳有反应试剂、气柱、用于密封反应试剂的密封液，所述反应试剂、气柱、密封液由通道的远离开口一端向通道开口依次设置；所述通道下壁面开设有容纳槽，所述容纳槽中容纳有被检测样品；所述通道壁面设置有阀体，所述阀体用于在受热后熔融、并在熔融后固化在通道中从而将气柱分隔为互不连通的两部分，所述阀体材料的熔点高于反应试剂反应时的温度，所述容纳槽位于阀体、通道开口之间；所述推动单元未动作时，第一位置位于推动单元的推动端与最外侧的容纳槽之间。
7.本发明中，所述推动单元未动作时，第一位置位于推动单元的推动端与最外侧的容纳槽之间，从而可令反应试剂进入容纳槽中储存。利用推动单元可实现将反应试剂、气柱、密封液推向通道内侧，从而令密封液位于容纳槽上方实现对反应试剂的密封。推动完成后，可通过加热后熔融的阀体固化后将气柱分隔为互不连通的两部分，从而在气柱所在位
置完全堵塞通道。申请人在研究时发现，由于反应时需加热，如果阀体不密封，则密封液会受热膨胀向左挤压气柱，使得密封液可能在通道延伸方向上左右移动，使其状态不稳定，可能会影响反应试剂与被检测样品之间的反应。本发明中，由于阀体密封，因此，密封液被封闭在阀体与推动单元的推动端之间的封闭空间中，使其活动范围受限，从而可以使其处于热力学稳定状态，避免影响检测结果。申请人在研究时发现，如果管路中有反应试剂或密封油，反应试剂的加热汽化及油的受热流动都会增加阀体的密封难度。通过设置气柱，可以在气柱所在位置令阀体密封堵塞通道，从而便于实现密封，而且密封过程不会污染反应试剂。由于阀体材料的熔点高于反应试剂反应时的温度（一般为100℃），因此达到反应试剂反应时的温度时，阀体不会融化。加热阀体可使得阀体熔融后密封，从而可实现阀体的关闭，保证芯片内部的气密性，不会对试剂造成污染。
8.进一步地，所述容纳槽的个数不小于2个，各个容纳槽沿通道延伸方向间隔设置，各个容纳槽中的被检测样品为相同或不同样品。
9.各个容纳槽沿通道延伸方向间隔设置，一个容纳槽中的反应试剂与其相邻的容纳槽中的反应试剂之间通过密封液间隔开。
10.进一步地，所述密封液为沸点高于反应试剂沸点的液体。
11.本发明中，反应试剂与被检测样品反应时，一般需要加热，因此反应试剂被加热容易在反应试剂上表面产生气泡。通过设置密封液为沸点高于反应试剂沸点的液体，可以阻挡气泡，从而阻挡反应试剂挥发。
12.进一步地，所述阀体为不透光材料，所述阀体设置在装置主体内壁面，所述装置主体的位于阀体外侧的至少一个侧壁为透光材料。
13.本发明中，通过上述设置，利用外部光线加热单元（例如激光加热单元）进行加热时，阀体外侧的至少一个侧壁为透光材料，因此不吸收热量，不会因加热单元的照射而变形；而阀体为不透光材料，可以吸收热量，从而使得阀体受热熔融而堵塞通道。
14.进一步地，所述阀体、装置主体均为塑料材料，所述不透光材料为深色塑料，所述透光材料为透明塑料。
15.进一步地，所述阀体包括在通道延伸方向两侧相对设置的第一子阀体、第二子阀体；所述装置主体的位于第一子阀体外侧的侧壁、位于第二子阀体外侧的侧壁为透光材料。
16.进一步地，所述装置主体的朝向通道的壁面上开设有第一凹槽、第二凹槽，所述第一凹槽、第二凹槽在通道延伸方向两侧相对设置，所述第一子阀体、第二子阀体分别容纳固定于第一凹槽、第二凹槽。
17.本发明中，通过将第一子阀体、第二子阀体分别容纳固定于第一凹槽、第二凹槽，使得二者在受热熔融时，只能向通道一侧移动，从而便于二者朝向彼此移动，使得熔融后的第一子阀体、第二子阀体共同作用，从而堵塞通道。通过设置第一凹槽、第二凹槽，还可以避免对通道中流动的液体产生过多阻碍。
18.进一步地，所述通道的壁面上开设有环状凹槽，所述环状凹槽围绕通道设置，所述阀体为环状结构且容纳在所述环状凹槽中。而且，由于阀体为环状结构，仅需在采用透光材料的装置主体的侧壁外侧设置一个加热单元，即可对阀体整体加热。
19.本发明还提供一种微流控芯片检测装置，所述微流控芯片检测装置包括控制单元、用于检测如上述任一项所述的被检测的微流控芯片的气柱在所述被检测的微流控芯片的通道中位置的检测单元，所述控制单元、检测单元均设置在所述被检测的微流控芯片外侧，所述检测单元输出端、所述被检测的微流控芯片的推动单元控制端分别与控制单元电连接。
20.通过设置检测单元，从而可以确定气柱何时到达正对阀体的位置，从而可以在气柱正对阀体时，令推动单元停止运行，从而便于阀体实现密封。
21.在一种优选技术方案中，所述检测单元用于检测所述推动单元的推动端所在位置。
22.本发明中，由于通道尺寸、密封液体积、反应试剂的体积、推动单元的速度均可确定，因此，通过检测推动端所在位置，即可估算气柱所在位置。
23.在一种优选技术方案中，所述检测单元为视觉检测单元，所述视觉检测单元的图像采集端朝向所述通道设置。在一种优选技术方案中，所述装置主体的至少位于视觉检测单元与通道之间的部分为透明材料，所述气柱和反应试剂的颜色差别和/或亮度差别可由视觉检测单元分辨，所述气柱与密封液的颜色差别和/或亮度差别可由视觉检测单元分辨。
24.本发明中，通过上述设置，视觉检测单元可以检测气柱与反应试剂的界面的位置、气柱与密封液的界面的位置，从而可对气柱位置进行检测。
25.本发明还提供一种微流控芯片控制方法，被控微流控芯片为上述任一项所述的微流控芯片；所述微流控芯片控制方法包括如下步骤：步骤(a)：将反应试剂、气柱和密封液向通道内侧推入；步骤(b)：若判断阀体位于第一位置和第二位置之间，则停止推动；步骤(c)：以预设时长加热阀体，使得阀体受热后熔融、并在熔融后固化在通道中，从而将通道分隔为互不连通的两部分。
26.本发明具有的优点和积极效果是：1、阀体关闭后，芯片内部能够长期保持高度的气密性，稳定可靠；2、简化了阀体整体的制作工艺，阀体与微流控芯片更易集成，降低了芯片的制作成本，适于批量化生产；3、常开阀关闭速度快，最短0.5s就可实现阀体的关闭；4、气柱移动位置可视化，控制精准、快速；5、采用外置的加热单元，将动力源与芯片相独立，降低了芯片的加工生产难度，使芯片检测时在仪器中的安装和取出更加灵活，提高了检测效率。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例1、2的阀体打开且推动单元未动作位于初始状态时微流控芯
片的剖视结构示意图；图2为本发明实施例1、2的阀体打开且阀体100位于第一位置和第二位置之间时微流控芯片的剖视结构示意图；图3为本发明实施例1的阀体关闭时微流控芯片的剖视结构示意图；图4为图2的a-a剖视示意图；图5为图3的b-b剖视示意图；图6为本发明实施例2的图2的a-a剖视示意图；图7为本发明实施例2的装置主体的立体剖面示意图；图8为本发明实施例的微流控芯片控制方法的工作过程流程图。
具体实施方式
29.下面将结合本技术的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.实施例1如图1-5所示，本发明提供一种微流控芯片，包括装置主体10、形成在装置主体10内且一端开口的通道6。
31.所述通道6开口外侧设置有用于将反应试剂7和密封液4向通道6内侧推入的推动单元3。所述装置主体10上设置有筒体31。所述推动单元3可沿筒体31内壁面向通道6开口一侧滑动，从而将反应试剂7和密封液4向通道6内侧推入。筒体31、装置主体10外壁、推动单元3的推动端围成的空间与通道6连通。
32.所述通道6的远离开口一端与推动单元3的推动端之间形成封闭空间，所述封闭空间内容纳有反应试剂7、用于密封反应试剂7的密封液4、设置于反应试剂7与密封液4之间的气柱5，所述反应试剂7、气柱5、密封液4由通道6的远离开口一端向通道6开口依次设置。
33.所述通道6下壁面开设有容纳槽61（也可称为微室），所述容纳槽61中容纳有被检测样品。
34.所述通道6壁面设置有阀体100，所述阀体100用于在受热后熔融、并在熔融后固化在通道6中从而将气柱5分隔为互不连通的两部分，从而将通道6分隔为互不连通的两部分。所述阀体100材料的熔点高于反应试剂反应时的温度。所述容纳槽61位于阀体100、通道6开口之间。
35.所述推动单元3未动作时，第一位置位于推动单元3的推动端与最外侧的容纳槽61之间。
36.所述容纳槽61的个数可不小于2个，各个容纳槽61沿通道延伸方向间隔设置，各个容纳槽61中的被检测样品为相同或不同样品。
37.如图1-4所示，装置主体10由侧壁101、侧壁102、侧壁103、侧壁104围成。在加工时，各个侧壁可为独立结构，可通过真空键合或常规键合后再抽真空形成装置主体10，从而形成真空密闭环境。在侧壁101、侧壁102、侧壁103、侧壁104之间形成有通道6（即微流管道），在通道6中设置有阀体100。
38.本实施例1中，所述阀体100包括在通道6延伸方向两侧相对设置的第一子阀体1、第二子阀体2；所述阀体100可为不透光材料，所述阀体100设置在装置主体10内壁面，装置主体10的位于阀体100外侧的至少一个侧壁为透光材料。本实施例中，所述装置主体10的位于第一子阀体1外侧的侧壁101、位于第二子阀体2外侧的侧壁102为透光材料。侧壁103、侧壁104可为透光材料，也可为不透光材料。
39.由于侧壁101、侧壁102为透光材料，因此不会吸热。当第一子阀体1、第二子阀体2熔融后，会将热量分别传递到侧壁101、侧壁102，凝固时分别与侧壁101、侧壁102粘到一起。
40.所述阀体100、侧壁103、侧壁104、侧壁101、侧壁102可均为高分子塑料材料。高分子塑料材料可为熔点高于100
°
c的材料，优选为pc、pp材料。所述不透光材料可为深色塑料，所述透光材料可为透明塑料。由于阀体100为高分子塑料材料，因此不易受外界环境变化影响，不污染试剂，稳定可靠。
41.侧壁103、侧壁104可采用深色不透光材料，优选黑色。阀体100由第一子阀体1和第二子阀体2组成，设置在需要控制流体通断的通道位置上下两侧，与侧壁103、侧壁104材料相同，不与侧壁103、侧壁104一体成型。以芯片本体材料作为阀体，阀体与芯片能够一体成型，阀体关闭后，芯片内部能够长期保持高度的气密性。
42.本实施例中，侧壁101朝向通道6一侧开设有所述第一凹槽，侧壁102朝向通道6一侧开设有第二凹槽，第一凹槽、第二凹槽在通道6延伸方向两侧相对设置，所述第一子阀体1、第二子阀体2分别容纳固定于第一凹槽、第二凹槽。
43.第一子阀体1可与侧壁101一体成型，第二子阀体2可与侧壁102一体成型。
44.推动单元未动作（即位于初始状态）时，反应试剂7、气柱5、密封液4所在位置可为如下两种情况：第1种情况：如图1所示，反应试剂7、气柱5位于通道6内，密封液4位于通道6外。即反应试剂7容纳于气柱5与通道6的远离开口一端之间，且容纳槽61中容纳有反应试剂7；第2种情况：通道6的远离开口一端与反应试剂7之间为真空状态。
45.在图1所示初始状态时，阀体100为常开状态，反应试剂7可以进入并容纳于容纳槽61中。
46.推动单元3将反应试剂7、气柱5、密封液4推向通道6内侧，当阀体100位于第一位置和第二位置之间时，推动单元3停止动作，即为图2所示状态。此时容纳槽61中仍容纳有反应试剂7，且各个容纳槽61上方为密封液4。各个容纳槽61沿通道延伸方向间隔设置，一个容纳槽61中的反应试剂7与其相邻的容纳槽中的反应试剂7之间通过密封液4间隔开。
47.在图3所示状态，阀体100关闭，在该状态时容纳槽61中的反应试剂7可以与被检测样品进行反应。如图3所示，当所述阀体100固化在通道6时，所述阀体100将气柱5分隔为互不连通的两部分。图3中，第一子阀体1、第二子阀体2熔融后，在流体通道处往管路两侧流动并凝固堵塞管路，中间位置因材料少，会形成一个空腔。空腔不会影响通道的封闭。第一子阀体1、第二子阀体2熔融后，熔体流动不仅受重力作用，因阀体100之外的侧壁103、侧壁104没有受热，为固体状态，熔体没有流动空间，因此熔融的第一子阀体1、第二子阀体2只能往通道6一侧流动，从而封闭（完全堵塞）通道。图3中，各个容纳槽61上方为密封液4，因此，当每个容纳槽61中的反应试剂7与被检测样品反应时，各个容纳槽61中的反应试剂7不会相互
影响，因此不会影响各个容纳槽61中被检测样品的检测结果（不会影响荧光标记结果）。
48.反应试剂7与被检测样品反应时，一般需要加热，因此反应试剂7被加热容易在反应试剂7上表面产生气泡。通过设置密封液4为沸点高于反应试剂7沸点的液体，可以阻挡气泡，从而阻挡反应试剂7挥发。密封液4优选为密封油。
49.在反应时加热，如果阀体100不密封，则密封液4会受热膨胀向左挤压气柱5，使得密封液4可能在通道延伸方向上左右移动，使其状态不稳定，可能会影响反应试剂7与被检测样品之间的反应。
50.在图3中，由于阀体100密封，因此，密封液4被封闭在阀体100与推动单元3的推动端之间的封闭腔体中，使其活动范围受限，从而可以使其处于热力学稳定状态，避免影响检测结果。
51.所述装置主体10外侧设置有控制单元、用于检测气柱5在通道6中位置的检测单元。控制单元可采用plc控制器、单片机、dsp或fpga。
52.所述检测单元用于检测推动单元3的推动端所在位置。由于推动单元的位置、通道尺寸、反应试剂的体积、气柱的体积、密封液的体积、推动单元的速度均可确定，因此，即可估算，从运行开始，到气柱正对阀体时（即气柱一端位于阀体、通道的远离开口一端之间，气柱另一端位于阀体、通道开口之间），需要推动单元运行到哪个位置，从而可在推动单元停止后对阀体100进行加热。
53.所述检测单元也可为视觉检测单元，所述视觉检测单元的图像采集端朝向通道6设置，所述装置主体10的至少位于视觉检测单元与通道6之间的部分为透明材料，所述气柱5和反应试剂7的颜色差别和/或亮度差别可由视觉检测单元分辨，所述气柱5与密封液4的颜色差别和/或亮度差别可由视觉检测单元分辨。
54.所述装置主体10外侧与阀体100对应的位置设置有用于对阀体100加热的加热单元50，所述加热单元50的控制端、检测单元输出端、推动单元控制端分别与控制单元电连接。所述加热单元50可采用激光加热单元。用于加热第一子阀体1的加热单元50可靠近侧壁101外壁或与侧壁101外壁接触。用于加热第二子阀体2的加热单元50可靠近侧壁102外壁或与侧壁102外壁接触。激光可透过透明的侧壁101、侧壁102分别对第一子阀体1、第二子阀体2加热。激光可采用非接触加热。通过外置加热单元对覆盖子阀体的侧壁加热，材料熔融凝固，封堵住管道。采用不透光材料阀体100能吸收激光能量从而熔融。所选激光为特定波长，试剂不受光照影响。
55.本发明中，通过上述设置，控制单元可根据检测单元检测的气柱在通道中的位置，判断是否到达指定位置，从而在到达指定位置时令推动单元停止工作，且控制加热单元进行加热，从而实现装置的自动控制。所述加热单元的加热端与装置主体外侧与阀体对应的位置接触或靠近该位置设置。
56.在一种优选实施方式中，所述加热单元为激光加热单元，所述阀体设置在装置主体内壁面，所述阀体为不透光材料，所述装置主体的至少位于阀体与加热单元之间的部分为透光材料。
57.本发明中，阀体关闭后，芯片内部能够长期保持高度气密性。
58.加热单元可采用激光加热单元，优选为蓝紫激光光源。加热单元的参数可为：功率为1-5w，波长为450nm，加热时间0.5-2s。
59.本发明通过视觉检测单元识别气柱5位置，进而控制气柱5移动到指定位置。对气柱5移动位置的控制准确、快速，气柱5的存在有利于阀体100的关闭，阀体100关闭方式为激光加热管路两边材料使其熔融，如果管路中有试剂或密封油，试剂的加热汽化及油的受热流动都会增加密封难度，所以设置气柱5，从而便于密封。视觉检测单元的采集头可朝向通道设置，且采集头的朝向可垂直于侧壁。视觉检测单元可采用ccd或cmos。
60.本发明的阀体启闭稳定可靠、操作简单、能植入微小微流控芯片中、对试剂无污染，可以使得芯片使用前内部保持长期稳定的真空度，且阀体关闭后，芯片内部能够长期保持高度的气密性。
61.如图8所示，本发明还提供一种微流控芯片控制方法，所述反应试剂7与密封液4之间设置有气柱5；封闭空间内容纳有反应试剂7、气柱5、用于密封反应试剂7的密封液4，所述反应试剂7、气柱5、密封液4由通道6的远离开口一端向通道6开口依次设置。
62.所述微流控芯片控制方法包括如下步骤：步骤(a)：将反应试剂7、气柱5和密封液4向通道内侧推入；步骤(b)：若判断阀体100位于第一位置和第二位置之间，则停止推动；步骤(c)：以预设时长加热阀体100，使得阀体100受热后熔融、并在熔融后固化在通道6中，从而将通道6分隔为互不连通的两部分。预设时长可为0.5-2秒。
63.其中，第一位置、第二位置分别为气柱5与反应试剂7的交界所在位置、气柱5与密封液4的交界所在位置。可通过检测检测第一位置、第二位置所在位置来判断阀体100是否位于第一位置和第二位置之间。
64.本发明的工作过程如下：芯片通道6上端连接有柱塞（即推动单元3），柱塞管路中存储有密封液4。密封液4可为矿物油等高沸点导热油，用于密封反应试剂7。密封液4前端与通道6接触处为一段10-15mm长的气柱5，设置气柱5的目的为便于阀体100的熔融密封，在反应试剂7进入通道6后，下压柱塞，气柱5随着柱塞下压移动，将反应试剂7向前推动，视觉检测单元通过识别气柱5与密封液4的界面以及气柱5与反应试剂7的界面，便可连续识别气柱5所在位置，并反馈至控制系统，控制系统对结果进行判断，当气柱5移动到接近指定位置后，控制系统控制电机制动减速，直到气柱5移动到阀体100下端指定的管路位置时，电机制动器停止，柱塞3停止下压。此时，调节加热单元50对第一子阀体1和第二子阀体2同时加热，两部分的阀体材料部分熔融后流到通道。在装置主体10的压力束缚下，在通道处连接并凝固，将管路横向截面堵死，通道被截断。该阀体可实现“常开-常闭”的功能，使芯片内长期保持高度气密性。推动单元3可采用柱塞，为本领域已有技术，本领域技术人员可以理解。
65.实施例2如图1-2、图6、图7所示，本实施例3与实施例1的区别在于：所述通道6的壁面上开设有环状凹槽60，所述环状凹槽60围绕通道6设置，所述阀体100为环状结构且容纳在所述环状凹槽60中。装置主体10的位于阀体100外侧的至少一个侧壁为透光材料，即侧壁101、侧壁102、侧壁103、侧壁104中的至少一个为透光材料。由于阀体100为一体的环状结构，仅需在采用透光材料的所述至少一个侧壁外侧设置加热单元50，从而对装置主体10进行加热。而且，环状结构的阀体100在受热时均向中心移动，从而更方便实现阀体100关断，从而堵塞通道6。图7为沿装置主体横截面将装置主体剖开，得到的装置主体立体剖面示意图。
66.实施例3本实施例3与实施例1的区别在于，不设置检测装置，仅设置计时装置。根据通道尺寸、反应试剂的体积、气柱的体积、密封液的体积、推动单元的速度，估计：从运行开始，估计气柱5到达正对阀体的位置，需要推动单元运行多长时间，从而可在推动单元停止后对阀体100进行加热。
67.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
68.以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。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技术所附权利要求所限定的范围。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。