一种微流控芯片及其微流驱动控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种微流控芯片及其微流驱动控制系统，属于微机电技术领域，该芯片包括控制层、PDMS薄膜层、流体通道层和玻璃基底,流体通道层设置有1个主通道和3个分选通道，分选通道的开关由控制层的热膨胀微阀门控制，该微流驱动控制系统包括观测装置和液流控制装置，本发明专利技术提出的微流控系统完整性的解决了微流聚焦、微流驱动和微流检测等技术问题，设计的分选系统能够针对不同检测物实现自动归类，设计的液流控制装置能够替代现有多个微流驱动泵，该方案推进了微流控芯片和微流驱动技术的科学研究。

A Microfluidic Chip and Its Microfluidic Drive Control System

【技术实现步骤摘要】
一种微流控芯片及其微流驱动控制系统
本专利技术属于生物微机电
，具体涉及一种微流控芯片及其微流驱动控制系统。
技术介绍
微流控是一种精确控制和操控微尺度流体技术，微流控利用对于微尺度下流体的控制，是一个包括了工程学，物理学，化学，微加工和生物工程的多交叉学科。微流控芯片作为微流控技术的核心工具属于生物微机电
重要技术分支，微流控检测芯片具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点，可以广泛的应用于生物、医学、化工等
，现有技术中，微流控芯片的结构和功能单一，不具备自动检测、分选等功能，导致应用场景受限，制约了其发展，特别是，微流驱动控制系统多采用国外进口设备，缺少自主研发的微流驱动系统。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出的微流控系统完整性的解决了微流聚焦、微流驱动和微流检测等技术问题，设计的分选系统能够针对不同检测物实现自动归类，设计的液流控制装置能够替代现有多个微流驱动泵，该方案推进了微流控芯片和微流驱动技术的科学研究。为了实现本专利技术的目的，本专利技术的微流控芯片采用如下技术方案：一种微流控芯片包括控制层、PDMS薄膜层、流体通道层和玻璃基底，其中：所述控制层内设置有多个用于开、闭流体通道的微阀门，所述微阀门为热膨胀阀门；所述流体通道层内设置有1个主通道，主通道的输入端连通样品池，主通道的中部设置有观测段，主通道的输出端分别连接三个分选通道，所述分选通道的上方设置有所述微阀门；在所述输入端和观测段之间对称设置有聚焦鞘流组；在观测段和分选通道之间对称设置有驱动鞘流组；所述聚焦鞘流组用于控制检测物单行排列和运动、且包括第一鞘流通道和第二鞘流通道，在第一鞘流通道和第二鞘流通道的推动下，检测物能够依次进入观测段；所述驱动鞘流组用于驱动检测物前进、且包括第三鞘流通道和第四鞘流通道，在第三鞘流通道和第四鞘流通道的推动下，检测物按照设定进入不同的分选通道；所述分选通道包括第一分选通道、第二分选通道和第三分选通道，所述第一分选通道、第二分选通道和第三分选通道分别连通不同的分选池；所述微阀门包括第一微阀门、第二微阀门和第三微阀门，其中：所述第一微阀门设置在第一分选通道的上方，第一微阀门的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层形变以实现第一分选通道的导通或关闭，第二微阀门的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层形变以实现第二分选通道的导通或关闭，第三微阀门的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层形变以实现第三分选通道的导通或关闭；所述鞘流通道与主通道的夹角为72°，所述鞘流通道的两侧汇入斜边与主通道的夹角为16°。优选的，所述微阀门的内部设置有加热片，所述加热片由铂材料制成，加热片采用相互盘绕且非交错的双螺旋曲线型结构，所述双螺旋曲线型结构的外轮廓宽度为700μm。优选的，所述热膨胀阀门的阀腔采用圆形结构，圆形阀腔的半径为850μm，紧邻所述圆形阀腔的PDMS薄膜层的厚度为120μm。优选的，所述控制层为玻璃材料，所述阀腔通过光刻工艺开设在所述控制层上，所述加热片通过溅射工艺设置在阀腔底部。本专利技术的一种微流控芯片具有以下有益效果：（1）该微流控芯片采用了新颖的聚焦角度和交口设计，鞘流通道与主通道存在一定的夹角，同时，鞘流通道汇入主通道时存在一个缓冲斜边，鞘流通道的过渡处均为圆角过渡，这种设计方案能够有效提升聚焦效果，实现低速下的良好聚焦，本专利技术方案中聚焦鞘流组中的液体流速仅为8-12m/s即可实现较好聚焦效果。（2）本专利技术中包含有3个分选通道以及对应的微阀门，通过控制不同的微阀门关闭或打开实现不同检测物的归类和分选。（3）本专利技术的方案能够与图像采集系统和计算机分析系统相结合，基于检测物的图像和视频，实现自动分析和分选。（4）本专利技术采用的是新设计的热膨胀阀门，阀腔的直径、弹性PDMS薄膜层的厚度、加热片的材料、加热片的形状布局等都做了针对性的设计和优化，与气控阀门相比，一方面不再需要气泵和气路能够降低芯片的体积，另一方面可以降低阀门控制难度，只需要控制通电时间和通电电压即可，在10-20V电压的驱动下，该热膨胀阀门的延迟时间只有1.5-2s。一种针对上述微流控芯片的微流驱动控制系统包括观测装置和液流控制装置，其中：所述观测装置分为检测分析装置和分选观测装置，所述检测分析装置设置在观测段的一侧，检测分析装置用于获取检测物的物理形态或光谱信息，所述分选观测装置设置在输出端的一侧，分选观测装置用于反馈检测物的筛选运动轨迹，所述物理形态包括检测物的尺寸、轮廓和透明度信息，所述光谱信息包括拉曼光谱或荧光信息；所述液流控制装置包括箱体、样品柱塞泵、第一鞘流柱塞泵、第二鞘流柱塞泵和传动组，其中：所述箱体内部设置有电源及控制板、电机、安装电机用的固定座、多个固定轴承座、两组滑动轴承座、安装滑动轴承座用的滑槽、以及驱动滑动轴承座运动的电磁铁和复位弹簧；所述样品柱塞泵包括样品管、样品推杆、样品塞头、样品齿条、样品进液管和样品出液管，所述样品管用于容放样品，所述样品推杆的一端可移动的安装在箱体上，样品推杆的另一端安装在样品管内，所述样品塞头用于密封样品管且安装在样品推杆的另一端，所述样品塞头和样品管内壁形成样品腔，所述样品进液管和样品出液管分别连通样品腔，样品进液管通过软管连通样品池，样品出液管通过软管连通主通道，所述样品齿条设置在样品推杆上，样品齿条由传动组驱动；所述第一鞘流柱塞泵包括第一鞘流管、第一鞘流推杆、第一鞘流塞头、第一鞘流齿条、第一鞘流进液管和第一鞘流出液管，所述第一鞘流管用于容放鞘流液，所述第一鞘流推杆的一端可移动的安装在箱体上，第一鞘流推杆的另一端安装在第一鞘流管内，所述第一鞘流塞头用于密封第一鞘流管且安装在第一鞘流推杆的另一端，所述第一鞘流塞头和第一鞘流管内壁形成第一鞘流腔，所述第一鞘流进液管和第一鞘流出液管分别连通第一鞘流腔，第一鞘流进液管连通鞘液池，第一鞘流出液管通过软管一分为二连通第一鞘流通道和第二鞘流通道，所述第一鞘流齿条设置在第一鞘流推杆上，第一鞘流齿条由传动组（驱动；所述第二鞘流柱塞泵包括第二鞘流管、第二鞘流推杆、第二鞘流塞头、第二鞘流齿条、第二鞘流进液管和第二鞘流出液管，所述第二鞘流管用于容放鞘流液，所述第二鞘流推杆的一端可移动的安装在箱体上，第二鞘流推杆的另一端安装在第二鞘流管内，所述第二鞘流塞头用于密封第二鞘流管且安装在第二鞘流推杆的另一端，所述第二鞘流塞头和第二鞘流管内壁形成第二鞘流腔，所述第二鞘流进液管和第二鞘流出液管分别连通第二鞘流腔，第二鞘流进液管连通鞘液池，第二鞘流出液管通过软管一分为二连通第三鞘流通道和第四鞘流通道；所述样品进液管、样品出液管、第一鞘流进液管、第一鞘流出液管、第二鞘流进液管和第二鞘流出液管上分别设置有手动阀门或电磁阀；所述传动组用于驱动第一鞘流柱塞泵、第二鞘流柱塞泵和样品柱塞泵工作。优选的，所述传动组包括电机齿轮、样品减速齿轮、鞘流减速齿轮、第一鞘流传动锥轮、第一鞘离合锥轮、第一鞘流驱动锥轮、第一鞘流驱动齿轮、第二鞘流传动锥轮、第二鞘离合锥轮、第二鞘流驱动锥轮和第二鞘流驱动齿轮，其中：所述电机齿轮套设在电机转轴上，所述样品减速齿轮的一侧啮合电机齿轮；样品减速齿轮的一侧啮合样品齿条，所述鞘流减速齿轮、第一鞘流传动锥轮和第二鞘流传动锥轮同轴布置，鞘流减速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微流控芯片，其特征在于，微流控芯片（1）包括控制层（101）、PDMS薄膜层（102）、流体通道层（103）和玻璃基底（104），其中：所述控制层（101）内设置有多个用于开、闭流体通道的微阀门，所述微阀门为热膨胀阀门；所述流体通道层（103）内设置有1个主通道（1031），主通道（1031）的输入端（10311）连通样品池，主通道（1031）的中部设置有观测段（10312），主通道（1031）的输出端（10313）分别连接三个分选通道，所述分选通道的上方设置有所述微阀门；在所述输入端（10311）和观测段（10312）之间对称设置有聚焦鞘流组；在观测段（10312）和分选通道之间对称设置有驱动鞘流组；所述聚焦鞘流组用于控制检测物单行排列和运动、且包括第一鞘流通道（1032）和第二鞘流通道（1033），在第一鞘流通道（1032）和第二鞘流通道（1033）的推动下，检测物能够依次进入观测段（10312）；所述驱动鞘流组用于驱动检测物前进、且包括第三鞘流通道（1034）和第四鞘流通道（1035），在第三鞘流通道（1034）和第四鞘流通道（1035）的推动下，检测物按照设定进入不同的分选通道；所述分选通道包括第一分选通道（1036）、第二分选通道（1037）和第三分选通道（1038），所述第一分选通道（1036）、第二分选通道（1037）和第三分选通道（1038）分别连通不同的分选池；所述微阀门包括第一微阀门（1011）、第二微阀门（1012）和第三微阀门（1013），其中：所述第一微阀门（1011）设置在第一分选通道（1036）的上方，第一微阀门（1011）的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层（102）形变以实现第一分选通道（1036）的导通或关闭，第二微阀门（1012）的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层（102）形变以实现第二分选通道（1037）的导通或关闭，第三微阀门（1013）的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层（102）形变以实现第三分选通道（1038）的导通或关闭；所述鞘流通道与主通道（1031）的夹角为72°，所述鞘流通道的两侧汇入斜边与主通道的夹角为16°。...

【技术特征摘要】
1.一种微流控芯片，其特征在于，微流控芯片（1）包括控制层（101）、PDMS薄膜层（102）、流体通道层（103）和玻璃基底（104），其中：所述控制层（101）内设置有多个用于开、闭流体通道的微阀门，所述微阀门为热膨胀阀门；所述流体通道层（103）内设置有1个主通道（1031），主通道（1031）的输入端（10311）连通样品池，主通道（1031）的中部设置有观测段（10312），主通道（1031）的输出端（10313）分别连接三个分选通道，所述分选通道的上方设置有所述微阀门；在所述输入端（10311）和观测段（10312）之间对称设置有聚焦鞘流组；在观测段（10312）和分选通道之间对称设置有驱动鞘流组；所述聚焦鞘流组用于控制检测物单行排列和运动、且包括第一鞘流通道（1032）和第二鞘流通道（1033），在第一鞘流通道（1032）和第二鞘流通道（1033）的推动下，检测物能够依次进入观测段（10312）；所述驱动鞘流组用于驱动检测物前进、且包括第三鞘流通道（1034）和第四鞘流通道（1035），在第三鞘流通道（1034）和第四鞘流通道（1035）的推动下，检测物按照设定进入不同的分选通道；所述分选通道包括第一分选通道（1036）、第二分选通道（1037）和第三分选通道（1038），所述第一分选通道（1036）、第二分选通道（1037）和第三分选通道（1038）分别连通不同的分选池；所述微阀门包括第一微阀门（1011）、第二微阀门（1012）和第三微阀门（1013），其中：所述第一微阀门（1011）设置在第一分选通道（1036）的上方，第一微阀门（1011）的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层（102）形变以实现第一分选通道（1036）的导通或关闭，第二微阀门（1012）的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层（102）形变以实现第二分选通道（1037）的导通或关闭，第三微阀门（1013）的缩小或膨胀能够驱动PDMS薄膜层（102）形变以实现第三分选通道（1038）的导通或关闭；所述鞘流通道与主通道（1031）的夹角为72°，所述鞘流通道的两侧汇入斜边与主通道的夹角为16°。2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微阀门的内部设置有加热片（3），所述加热片（3）由铂材料制成，加热片（3）采用相互盘绕且非交错的双螺旋曲线型结构，所述双螺旋曲线型结构的外轮廓宽度为700μm。3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述热膨胀阀门的阀腔采用圆形结构，圆形阀腔的半径为850μm，紧邻所述圆形阀腔的PDMS薄膜层（102）的厚度为120μm。4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述控制层（101）为玻璃材料，所述阀腔通过光刻工艺开设在所述控制层（101）上，所述加热片（3）通过溅射工艺设置在阀腔底部。5.一种针对权利要求1至4任意一项所述微流控芯片的微流驱动控制系统，其特征在于，包括观测装置（2）和液流控制装置（4），其中：所述观测装置（2）分为检测分析装置（201）和分选观测装置（202），所述检测分析装置（201）设置在观测段（10312）的一侧，检测分析装置（201）用于获取检测物的物理形态或光谱信息，所述分选观测装置（202）设置在输出端（10313）的一侧，分选观测装置（202）用于反馈检测物的筛选运动轨迹，所述物理形态包括检测物的尺寸、轮廓和透明度信息，所述光谱信息包括拉曼光谱或荧光信息；所述液流控制装置（4）包括箱体（41）、样品柱塞泵（42）、第一鞘流柱塞泵（43）、第二鞘流柱塞泵（44）和传动组（45），其中：所述箱体（41）内部设置有电源及控制板（411）、电机（412）、安装电机（412）用的固定座（413）、多个固定轴承座（414）、两组滑动轴承座（415）、安装滑动轴承座（415）用的滑槽（416）、以及驱动滑动轴承座（415）运动的电磁铁（417）和复位弹簧（418）；所述样品柱塞泵（42）包括样品管（421）、样品推杆（422）、样品塞头（423）、样品齿条（424）、样品进液管（425）和样品出液管（426），所述样品管（421）用于容放样品，所述样品推杆（422）的一端可移动的安装在箱体（41）上，样品推杆（422）的另一端安装在样品管（421）内，所述样品塞头（423）用于密封样品管（421）且安装在样品推杆（422）的另一端，所述样品塞头（423）和样品管（421）内壁形成样品腔，所述样品进液管（425）和样品出液管（426）分别连通样品腔，样品进液管（425）通过软管连通样品池，样品出液管（426）通过软管连通主通道（1031），所述样品齿条（424）设置在样品推杆（422）上，样品齿条（424）由传动组（45）驱动；所述第一鞘流柱塞泵（43）包括第一鞘流管（431）、第一鞘流推杆（432）、第一鞘流塞头（433）、第一鞘流齿条（434）、第一鞘流进液管（435）和第一鞘流出液管（436），所述第一鞘流管（431）用于容放鞘流液，所述第一鞘流推杆（432）的一端可移动的安装在箱体（41）上，第一鞘流推杆（432）的另一端安装在第一鞘流管（431）内，所述第一鞘流塞头（433）用于密封第一鞘流管（431）且安装在第一鞘流推杆...

【专利技术属性】
技术研发人员：石进水，
申请(专利权)人：山东交通职业学院，
类型：发明
国别省市：山东,37