專利名稱：變軸心微流體系統(tǒng)及控制微流體在該系統(tǒng)中運動的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微分析、微合成等分析和過程的方法和儀器中的微流體控制的分析、合成和提純等基因、生化、制藥和化學過程的微型化技術，特別是變軸心微流體系統(tǒng)及控制微流體在該系統(tǒng)中運動的方法。
在本文中，為了表述方便，我們放試劑、樣品、或者混合物等的腔體，有時統(tǒng)稱為“試劑池”。
背景技術：
現有的絕大多數微流體系統(tǒng)都采用各種形式的微泵和微閥來實現微流體流動的控制。按原理分類，有多種不同的微泵和微閥。
一種是采用微機械工藝制作的微機械泵和微機械閥，其基本原理類似于現有的大型泵和閥，利用泵內外的壓差來驅動微流體流動，利用微機械制作的可動閥來控制流體的流入和流出。這種微泵的典型代表是薄膜容積式微泵。該泵利用微機械制作的薄膜通過不同的驅動機制(靜電、電磁、熱等)使薄膜往復運動從而改變泵腔體積使泵腔內外產生壓力差，并由壓差推開同樣是微機械制作的閥門來驅動流體流動。利用微機械泵和閥來控制微流體流動的技術控制精度高，可以按照分析程序的需要準確地輸送液體到所需的位置，但這種微流體控制系統(tǒng)存在微機械泵和閥等可動部件，按照目前的工藝技術，其可靠性難以保證，而且制作工藝復雜和成本高，難于將其集成到以微流體為平臺的生物芯片、微反應器上去。另外，這種泵和閥的泄漏問題始終沒有得到很好的解決。
另一種典型的微流體控制系統(tǒng)基于電滲流原理。簡單地說就是當某種特定的電解質溶液(PH值)在某種特定材料(管道表面有不動的負電荷)的微管道中時，在溶液的兩端加高電壓，可以使液體在管道中產生運動。這種微流體控制技術需要高壓(幾千到上萬伏)，使得其用于生物和人樣品的檢測時，存在安全性問題以及難于使儀器小型化等問題。而且這種微流體控制系統(tǒng)對樣品的要求比較高(PH值等)，對微流體結構的表面特性也有特定的要求(管道表面要有不動的負電荷)，這限制了其控制樣品的種類和應用的范圍。
其它基于熱等原理的微流體控制技術一般都存在控制精度差、流速低、適用范圍小或者對生物樣品有損害等問題。
利用離心力來控制微流體的流動有很多優(yōu)點，例如適用范圍廣(幾乎任何液體)、控制方便(通過調節(jié)轉速就可以有效控制進樣順序等流動參數)、可靠性高等。但目前的離心力驅動的微流體控制系統(tǒng)也存在很多問題，例如控制精度差，不夠方便，無法實現準確而可靠地將樣品在特定的時間和步驟上輸送、停止和排出到指定位置等。目前利用離心力原理的微流體控制系統(tǒng)的例子有Gamera公司的Lab-on-CD系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使盤片繞其軸心旋轉產生離心力和毛細微閥來控制系統(tǒng)中液體的微流動。這樣的系統(tǒng)保留了離心力控制技術的適用范圍廣、可靠性高等一般優(yōu)點且不需要主動閥，但其不能實現讓反應物在所需的反應池內停留需要的時間，不能實現樣品的定位和不同樣品分時或分步地進入或離開特定的池。而如果無法做到這點，就使得很多檢測和反應過程不能順利地完成。例如容易使不同的樣品相互作用，在生物、化學或者醫(yī)學應用中造成交叉感染，影響檢測的精確度。在Gamera公司的Lab-on-CD系統(tǒng)中，液體的流動靠離心力驅動，靠微毛細閥來控制。由于各個微毛細閥距離轉動軸心的距離不同，所以各個微毛細閥打開的閾值轉速也相應不同，通過調節(jié)轉臺的轉速，可以實現微毛細閥的順序打開，但這樣的系統(tǒng)需要可以精密調節(jié)轉速的電機及控制系統(tǒng)，成本較高。另一方面，Lab-on-CD系統(tǒng)不容易實現液體的混合，因為在Lab-on-CD系統(tǒng)中，兩種試劑如果先后進入混合池中混合，在后一種試劑進入該混合池的同時，先進入的試劑也在流出混合池，兩種試劑不能停留在混合池中，這樣造成兩種試劑不能充分混合；Lab-on-CD系統(tǒng)不容易將樣品清洗干凈，因為在Lab-on-CD系統(tǒng)中，如果要將一種試劑排出試劑池，必須使用后一種試劑對該試劑進行擠壓，使作用完的試劑被即將發(fā)揮作用的試劑擠出混合池，這樣兩種試劑會交叉感染。
本發(fā)明的內容針對上述微流體控制技術的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種微流體控制平臺，其不僅可靠(不需要微型的可動部件，如微泵和微閥)、適用樣品范圍廣、控制方便，而且可以精確、快速地控制流體流動，并從時間和空間上較精確地定位流體。它可以容易地實現樣品的混合，可以容易地清洗樣品，可以用同一個芯片根據不同的需要執(zhí)行不同的診斷程序。且無需精密調節(jié)轉速的電動機及控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是按如下技術方案實現的。本發(fā)明一種變軸心微流體系統(tǒng)，其特征是它包括芯片，在所述芯片上具有試劑池和管道，所述試劑池經管道連通，所述芯片可繞一轉軸轉動，所述轉軸的軸心可在所述芯片所處的平面上移動其位置。在試劑池的出口與管道連接處具有微閥。當變化所述轉軸軸心的位置，使離心力方向與試劑池方向的夾角大于90度時，所述試劑池中液體受到的離心力使其停留在所述試劑池中不會流出；當變化所述轉軸軸心的位置，使離心力方向與試劑池方向的夾角小于90度時，所述試劑池中液體受到的離心力使其流出所述試劑池。
本發(fā)明通過改變芯片轉動軸心的位置和離心力驅動來實現上述發(fā)明目的的。發(fā)明原理如下如果在疏水材料制成的芯片中，當水溶液從大橫截面的試劑池流入到小橫截面的管道時，毛細力可起到阻止流動作用。形成了微閥，只有當試劑池內溶液受到一定力的作用克服微閥阻力后，溶液才可流出，如果試劑池的方向保持不變，我們假定由試劑池1的中心指向出口管道的方向L為試劑池的方向，見圖1。當芯片旋轉時，試劑池中液體所受的離心力的方向F是由轉動軸心O向外。當離心力F的方向與試劑池的方向L的夾角α大于90度的時候，離心力F的作用是阻止管道2中的液體外流，如圖1所示；當離心力F的方向與試劑池的方向L的夾角α小于90度的時候，離心力F的作用是驅動液體向外流動，如圖2所示。
如果試劑池1的方向保持不變，而轉動軸心O的位置發(fā)生變化，我們就可以控制試劑池1中液體的狀態(tài)。例如當變化轉動軸心O的位置使得離心力的方向F與試劑池的方向的夾角大于90度的時候，如圖1所示，這時試劑池中的液體受到的離心力使得它停留在試劑池中不會流出；當移動轉動軸心O的位置到圖2所示的位置使離心力的方向F與試劑池的方向L的夾角α小于90度時，這時試劑池1中的液體所受的離心力使得液體流出試劑池1。這樣我們就通過移動轉動軸心O相對于試劑池1的位置實現了試劑池中液體的流出和停止控制。如果有多個試劑池具有不同的出口方向，移動轉動軸心O到適合的位置，就可以阻止一些管道中液體流出，而同時驅動另一些管道中液體流出，從而實現液體的順序供給、混合等功能。
如圖3所示，在平臺7上裝有芯片6，芯片6上具有試劑池，當轉動軸心位O于兩個試劑池101、102中間，并且兩個試劑池101、102的方向相同，當芯片6平臺7轉動時，離心力的作用就可以使試劑池101中的液體流出，而同時阻止試劑池102中的液體流出。如果芯片6的材料用疏水材料制成，這時由于試劑池的直徑比管道寬度大，所以自然形成一個微閥，即疏水閥。如果合理布置試劑池的位置和出口管道的方向，我們就可以通過不斷移動轉動軸心O的位置使得不同的疏水閥順序打開，而且轉動角速度ω可以只要一個而不需要精密調節(jié)。即使芯片6的材料不是用疏水材料制作，我們同樣也可以利用上述的方法實現管道液體的順序流出。
下面以實施例對本發(fā)明具體介紹。


圖1為本發(fā)明原理圖(離心力為阻止液體流出的力)，
圖2為本發(fā)明原理圖(離心力為驅動液體流出的力)，圖3為本發(fā)明原理圖(多個試劑池的控制)，圖4、5為本發(fā)明的流體混合時的工作狀態(tài)圖，圖6為本發(fā)明中轉動軸心按一維移動時的液體流動控制示意圖，圖7、8為本發(fā)明中轉動軸心按二維移動時的液體流動控制示意圖。
圖中代號1試劑池 2管道 3試劑4混合池 5廢液池6芯片7平臺F離心力方向L試劑池方向O、O1至O8轉動軸心ω轉動角速度α離心力方向與試劑池方向的夾角 101至108試劑池實施例在各實施例中，為了簡化圖面，芯片及轉動平臺均未示出。整個系統(tǒng)由轉動平臺、平移裝置、芯片、電動機和控制電路組成。轉動平臺由電動機控制轉動，平移裝置用來移動轉動軸心，芯片采用疏水材料PMMA制作。
如圖4為變軸心微流體系統(tǒng)的試劑混合設計，芯片上具有試劑池101、102和管道201、202，試劑池101、102分別經管道201、202與混合池4連通。混合池4經管道2與廢液池5相連。芯片可繞轉軸O1轉動，該轉軸O1可在芯片所處的平臺上移動其位置。芯片可固定在該平臺上，由可移動軸心位置的轉軸帶動該平臺轉動，從而帶動芯片轉動。在現有技術LAB-ON-CD系統(tǒng)中，轉動軸心是固定的，當芯片轉動時，需要混合的試劑池中的試劑會克服疏水閥或親水閥的作用流出到混合池，但是由于離心力在管道各處都有作用，當不同試劑池中的試劑流入混合池的同時，它們也在流出混合池，這樣做的結果是試劑沒有得到充分混合就流出了混合池。在本發(fā)明的設計中(圖4)，芯片的轉動軸心位置是可移動的。在開始的時候，芯片的轉動軸心在O1，這時當芯片轉動時，離心力的作用是使試劑池101和試劑池102中的試劑流出到混合池4，而同時阻止混合池4中的混合液體流出混合池4進入廢液池5，從而可以實現兩種試劑的充分混合，見圖4；當兩種試劑混合充分后，將芯片的轉動軸心移到O的位置，然后轉動芯片，這時離心力的作用是使混合池4中的混合好的液體流出到廢液池5，而同時不會流回到原來的試劑池101、102，見圖5。通過這種設計，我們可以使得多種試劑充分混合，而且可以使混合液體在一定的位置停留到我們想要的時間。
圖6所示是利用移動轉動軸心原理的另一種芯片的設計，在這種設計中，我們可以通過芯片轉動軸心的一維移動使得不同試劑池中的試劑順序流出和混合。當移動芯片轉動軸心到O1時，離心力的作用是使試劑池101中的試劑流出到混合池4的同時，阻止試劑池102和試劑池103中的試劑流出，并且能夠阻止流入到混合池4中的試劑流出到廢液池，也能夠阻止廢液池5中的液體流出，也就是說我們可以利用離心力只使試劑池101中的試劑流入到混合池4。當需要混合池4中的試劑或混合物流出到廢液池5時，我們可以移動轉動軸心到O的位置并轉動芯片，這時離心力的作用是使混合池4中的液體流出到廢液池5，而同時阻止試劑池102和試劑池103中的試劑流出。同樣道理，當需要試劑池102中的試劑流出時，可以將轉動軸心移到O2的位置；這樣我們依次將轉動軸心的位置按O1-O-O2-O-O3-O的順序移動，并在每個移動后以一定的轉速轉動芯片，就可以使得試劑池101、102和103中的液體分別順序流入混合池4然后排出到廢液池5。這種操作可以使得試劑池101、102、103中的試劑避免接觸，而且可以使得各種試劑在混合池中停留到我們需要的時間。同樣道理如果將轉動軸心的位置按O2-O-O3-O的順序移動，可以使試劑池101和試劑池102中的試劑先在混合池4混合，然后排出廢液池，試劑池103中的試劑再進入混合池4。
同理，如果二維移動芯片轉動軸心的位置，我們也可以實現上面所說的試劑順序供給和混合的功能。圖7是另一種芯片的設計。在這種芯片設計中，當芯片轉動軸心的位置按照O1-O-O2-O-O3-O-O4-O-O5-O-O6-O的順序移動并轉動芯片就可以使得試劑池101到106中的試劑分別順序流入到混合池4，停留，然后流出到廢液池5。圖8是另一種設計。在這種芯片設計中，當芯片轉動軸心的位置按照O1-O-O2-O-O3-O-O4-O-O5-O-O6-O-O7-O-O8-O的順序移動并轉動芯片就可以使得試劑池101到108中的試劑分別流入到混合池4，停留，然后流出到廢液池5。同樣，改變轉動軸心的移動順序，可以改變試劑流出的順序，或者使幾種試劑先在混合池4中混合后再流出到廢液池5。
利用同樣的原理，也可以設計更為復雜的動作。而且芯片的轉動速度可以是一固定的，而不需要精密調速的電機。
另一方面由于移動轉動軸心的位置的程序是可以改變的，我們通過不同的移動程序就可以實現在同一塊芯片上完成不同的操作步驟。例如在圖6的芯片設計中，我們可以按照O1-O-O2-O-O3-O的順序移動芯片的轉動軸心的位置，使得在試劑池101、102和103中的試劑分別順序流出到混合池4然后再排出到廢液池5；我們也可以按照O2-O-O3-O的順序移動芯片轉動軸心的位置，使得試劑池101和102中的試劑先在混合池4混合后再排出到廢液池5，然后試劑池103中的試劑再進入混合池4，最后排出到廢液池5。對于圖8的設計，顯然可以實現的操作步驟的種類將更多。通過這種不同的轉動軸心位置的移動順序的改變，我們可以在同一塊芯片上實現不同的診斷程序。
綜上所述，由于采用了可移動位置的轉動軸，與現有技術比較，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點1、控制簡單、靈活；可精確快速控制流體流動，并從時間和空間上較精確地定位流體；
2、易于試劑混合、避免交叉感染；3、清洗干凈4、系統(tǒng)實現簡單，只需一固定轉速的電機，不需要精密調速電機；5、易于系統(tǒng)的小型化，降低成本；6、可以在同一個芯片上實現不同的診斷程序。
本發(fā)明適于微流體控制的分析、合成和提純等基因、生化、制藥和化學過程中使用。
權利要求
1.一種變軸心微流體系統(tǒng)，其特征是它包括芯片，在所述芯片上具有試劑池和管道，所述試劑池經管道連通，所述芯片可繞一轉軸轉動，所述轉軸的軸心可在所述芯片所處的平面上移動其位置。
2.根據權利要求1所述的一種變軸心微流體系統(tǒng)，其特征是所述芯片所處的平面為一平臺，所述芯片固定在所述平臺上，由所述可移動軸心位置的轉軸帶動所述平臺轉動。
3.根據權利要求1或2所述的一種變軸心微流體系統(tǒng)，其特征是在所述試劑池的出口和管道連接處具有微閥。
4.一種控制微流體在變軸心微流體系統(tǒng)中運動的方法，其特征是當變化所述轉軸軸心的位置，使離心力方向與試劑池方向的夾角大于90度時，所述試劑池中液體受到的離心力使其停留在所述試劑池中不會流出；當變化所述轉軸軸心的位置，使離心力方向與試劑池方向的夾角小于90度時，所述試劑池中液體受到的離心力使其流出所述試劑池。
全文摘要
一種變軸心微流體系統(tǒng)及控制微流體在該系統(tǒng)中運動的方法，該系統(tǒng)包括芯片，在芯片上具有試劑池和管道，試劑池經管道連通，芯片可繞一轉軸轉動，轉軸的軸心可在所述芯片所處的平面上移動其位置。當變化所述轉軸軸心的位置，使離心力方向與試劑池方向的夾角大于90度時，試劑池中液體受到的離心力使其停留在所述試劑池中不會流出；當變化所述轉軸軸心的位置，使離心力方向與試劑池方向的夾角小于90度時，所述試劑池中液體受到的離心力使其流出所述試劑池；本發(fā)明具有控制簡單靈活、易于試劑混合、避免交叉感染、清洗干凈、無需精密調速電動機、可在同一芯片上實現不同診斷程序，適于微流體控制的分析、合成和提純等基因、生化、制藥和化學過程中使用。
文檔編號G01N27/447GK1482465SQ02142959
公開日2004年3月17日 申請日期2002年9月13日 優(yōu)先權日2002年9月13日
發(fā)明者馮焱穎, 唐飛, 連崑 申請人:上海博昇微晶科技有限公司, 上海博 微晶科技有限公司