一种可编程的重力自驱动微流控芯片及微流控检测系统

本发明属于微流控芯片领域，更具体地，涉及一种可编程的重力自驱动微流控芯片及微流控检测系统。

背景技术：

1、传染性疾病是全球范围内公共卫生的重要挑战，对人类健康和社会稳定产生严重影响。准确、快速的诊断和筛查是传染病控制的基石。然而，现有的诊断平台极大地依赖复杂的实验室设备和专业技术人员，限制了其在疫情流行时的应对能力。即时诊断(point-of-care testing，poct)应运而生，为传染病控制提供了快速、便携和实时的诊断工具。微流控作为一种新兴的流体操控技术，为poct提供了更多的可能，是未来发展的主流趋势。

2、微流控芯片中“控”一般是通过精密的通道设计或结合外部驱动器精准控制反应进程。根据外部驱动器的有无可以将其分为主动或者被动微流控芯片，主动式微流控一般为利用外源性驱动力(包括压力、电润湿、表面波、磁力等)进行微流体操控，而被动式微流控依赖于自驱力，无需额外泵源和能源，具有便携、易于操作等特点。被动驱动力主要有毛细力、压力和重力等。其中，重力不依赖芯片表面修饰作为流体本身存在的属性具有良好的应用前景。

3、现有的重力驱动微流控芯片主要可以分为三大类：第一类是借助外部重力源替代注射泵实现流体进样；第二类是借助虹吸结构进样或在其内部完成反应；第三类是依靠流体本身的重力以及芯片结构完成流体操控。但是现有的重力驱动微流控芯片只能实现单一的流体控制，没有实现流体的精准控制或多向流动，很难完成复杂的生化反应。同时，一些微流控平台甚至依赖外部驱动或者毛细结构实现流体驱动。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种可编程的重力自驱动微流控芯片及微流控检测系统，其目的在于，借助重力自驱动控制流体顺序释放，实现编程操控，不依赖外部的驱动器，在保证检测精度的基础上极大地简化操作，为即时诊断提供新的思路。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可编程的重力自驱动微流控芯片，包括：n级加样腔，n级进样通道，引流通道，m个反应腔以及废液腔；

3、各加样腔的顶端与大气连通；

4、n级进样通道的首端一一对应地连接到n级加样腔的底端，末端连接至一点，形成交汇点；交汇点低于所有加样腔的底端；

5、引流通道的首端与交汇点相连，末端低于首端且与废液腔相连；

6、m个反应腔沿引流通道布置；

7、工作时，液体在重力驱动下流过第一级进样通道至第n级进样通道的时间递增；

8、其中，n为大于1的正整数，m为正整数。

9、进一步地，各级进样通道控制液体流过时间的方式为以下至少之一：

10、调节进样通道的长度；调节进样通道的宽度；调节进样通道的高度；调节进样通道的局部亲、疏水性。

11、在一些可选的实施例中，第一级进样通道至第n级进样通道的长度递增。

12、进一步地，加样腔为三角形，其底边与芯片边缘对齐，构成加样腔的顶端，且顶点构成加样腔的底端。

13、进一步地，相邻两级加样腔中，前一级加样腔的底端不高于后一级加样腔的底端。

14、进一步地，n级进样通道的尾部存在部分重叠。

15、进一步地，引流通道的首端至第一个反应腔之间设置有防水透气膜。

16、进一步地，废液腔包括上废液腔和下废液腔；上废液腔和下废液腔中，上废液腔的体积较小，且上边缘高度较低；

17、并且，本发明提供的可编程的重力自驱动微流控芯片具有5个芯片层，从上至下依次为：顶盖层、反应层、通道层、储液层和底盖层；

18、引流通道和m个反应腔设置于反应层；

19、n级进样通道和上废液腔位于通道层；

20、n级加样腔和下废液腔位于储液层。

21、在一些可选的实施例中，m＝1，反应腔为填充反应腔；

22、并且，可编程的重力自驱动微流控芯片还包括：设置于填充反应腔与废液腔之间且与引流通道相连通的扩增通道，以及沿扩增通道设置的k个扩增腔；

23、其中，扩增通道所提供的液体阻力大于引流通道；k为正整数。

24、按照本发明的又一个方面，提供了一种微流控检测系统，包括：芯片支架，以及本发明提供的可编程的重力自驱动微流控芯片；

25、芯片支架包括：

26、支架底座；

27、设置于支架底座上的支架背板；

28、以及设置于支架背板上、用于固定芯片的定位柱。

29、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

30、(1)本发明提供的可编程的重力自驱动微流控芯片，与各加样腔连接的进样通道交汇于一点，且液体在重力驱动下流过各进样通道到达交汇点的时间不同，由此使得加样腔内的液体能够按照预期的先后顺序经引流通道进入反应腔，且前一个加样腔内的液体在流过交汇点时，后面液体将不再流动，由此即可在重力驱动下实现加样腔中液体的逐级释放，从而实现可编程操作，不依赖外部的驱动器，在保证检测精度的基础上极大地简化操作，为即时诊断提供新的思路。

31、(2)本发明提供的可编程的自重力驱动微流控芯片，在其优选方案中，通过调节进样通道的长度调节液体通过进样通道的时间，结构简单；在其进一步的优选方案中，相邻进样通道的尾部存在部分重叠，由此能够在调控进样时间的同时，使得通道结构更为紧凑，节省芯片空间。

32、(3)本发明提供的可编程的自重力驱动微流控芯片，在其优选方案中，加样腔具体为三角形，其底边与芯片边缘对齐同时与大气相连，且顶点构成加样腔的底端连接进样通道，由此保证了加样腔与大气有较大的接触面积，加速加样腔内的液体释放。

33、(4)本发明提供的可编程的自重力驱动微流控芯片，在其优选方案中，引流通道的首端至第一个反应腔之间键合有防水透气膜，当前被释放的液体经引流通道流入反应腔时，可以排出多余的气体以免影响后续反应且不影响液体的释放，同时可以加速流体反应。

34、(5)本发明提供的可编程的自重力驱动微流控芯片，在其优选方案中，基于反应中产生的废液体积设计废液腔的体积，并设置扩增通道和扩增腔室，能够实现核酸检测。

技术特征：

1.一种可编程的重力自驱动微流控芯片，其特征在于，包括：n级加样腔，n级进样通道，引流通道，m个反应腔以及废液腔；

2.如权利要求1所述的可编程的重力自驱动微流控芯片，其特征在于，各级进样通道控制液体流过时间的方式为以下至少之一：

3.如权利要求2所述的可编程的重力自驱动微流控芯片，其特征在于，第一级进样通道至第n级进样通道的长度递增。

4.如权利要求3所述的可编程的重力自驱动微流控芯片，其特征在于，加样腔为三角形，其底边与芯片边缘对齐，构成加样腔的顶端，且顶点构成加样腔的底端。

5.如权利要求4所述的可编程的重力自驱动微流控芯片，其特征在于，相邻两级加样腔中，前一级加样腔的底端不高于后一级加样腔的底端。

6.如权利要求1～5任一项所述的可编程的重力自驱动微流控芯片，其特征在于，所述n级进样通道的尾部存在部分重叠。

7.如权利要求1～5任一项所述的可编程的重力自驱动微流控芯片，其特征在于，所述引流通道的首端至第一个反应腔之间设置有防水透气膜。

8.如权利要求1～5任一项所述的可编程的重力自驱动微流控芯片，其特征在于，所述废液腔包括上废液腔和下废液腔；所述上废液腔和所述下废液腔中，所述上废液腔的体积较小，且上边缘高度较低；

9.如权利要求1～5任一项所述的可编程的重力自驱动微流控芯片，其特征在于，m＝1，所述反应腔为填充反应腔；

10.一种微流控检测系统，其特征在于，包括：芯片支架，以及权利要求1～9任一项所述的可编程的重力自驱动微流控芯片；

技术总结
本发明公开了一种可编程的重力自驱动微流控芯片及微流控检测系统，属于微流控芯片领域，包括：N级加样腔，N级进样通道，引流通道，M个反应腔以及废液腔；各加样腔的顶端与大气连通；N级进样通道的首端一一对应地连接到N级加样腔的底端，末端连接至一点，形成交汇点；交汇点低于所有加样腔的底端；引流通道的首端与交汇点相连，末端低于首端且与废液腔相连；M个反应腔沿引流通道布置；工作时，液体在重力驱动下流过第一级进样通道至第N级进样通道的时间递增；其中，N为大于1的正整数，M为正整数。本发明借助重力自驱动控制流体顺序释放，实现编程操控，在保证检测精度的基础上极大地简化操作，为即时诊断提供新的思路。

技术研发人员：刘笔锋,袁慧娟,万超,陈鹏,李一伟
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16