一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置，包括可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、微流控芯片和設(shè)置于微流控芯片上的微流管道，還包括副轉(zhuǎn)軸和兩個(gè)鎖位閥，兩個(gè)鎖位閥分別設(shè)置在微流控芯片的兩側(cè)，微流控芯片能圍繞副轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度來(lái)調(diào)整微流管道方向與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)徑向之間夾角，微流控芯片被鎖位閥鎖定在兩個(gè)狀態(tài)上，使得微流管道中的液滴流向發(fā)生變化；微流管道包括第一橫向可逆管道、徑向常通管道、第二橫向可逆管道和主管道。本發(fā)明還公開(kāi)了基于該裝置的方法。本發(fā)明通過(guò)周期性切換轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)了微流控芯片上液滴的產(chǎn)生和度量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且操作方便。
【專利說(shuō)明】一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微流控【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置及方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 微流控芯片是一個(gè)新興的技術(shù)平臺(tái)。微流控芯片技術(shù)又被稱作"芯片實(shí)驗(yàn)室"即 Lab On A Chip，其是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)的整個(gè)反應(yīng)和分析過(guò)程集成到一塊芯片上，自動(dòng)完 成整個(gè)以前在實(shí)驗(yàn)室完成的復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)全過(guò)程。這其中包括樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等 基本操作流程。由于它在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)生物、化 學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。
[0003] 離心式力驅(qū)動(dòng)是利用芯片在微電機(jī)帶動(dòng)下做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的離心力作為液 流的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)改變芯片旋轉(zhuǎn)速度和設(shè)的計(jì)不同的通道構(gòu)型來(lái)調(diào)節(jié)和控制流體的動(dòng)態(tài) 特性。離心力驅(qū)動(dòng)是微流控驅(qū)動(dòng)技術(shù)中較為獨(dú)特的一種技術(shù)。與其他微流體驅(qū)動(dòng)方式相比 它具有加工方便、成本低，集成度高、高通量、流體流動(dòng)無(wú)脈動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。離心力驅(qū)動(dòng)范圍廣， 整個(gè)芯片上都同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要額外的泵浦，甚至可以直接利用 已有的光盤機(jī)。
[0004] 微液滴（droplet)是近年來(lái)在微流控領(lǐng)域迅速發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，即利用微流控技 術(shù)操控微小體積的液滴。其原理為，將兩種不相溶且不反應(yīng)的液體混合到一起，其中一種液 體為連續(xù)態(tài)的，另一種為離散態(tài)的。連續(xù)態(tài)的液體充斥微流管道，而離散態(tài)的液滴在微流管 道中相對(duì)連續(xù)態(tài)液體運(yùn)動(dòng)。通常連續(xù)態(tài)的液體為油性的，而離散態(tài)的液滴即為實(shí)驗(yàn)樣品，這 種技術(shù)也成為"油中的液滴"，即droplet in oil。
[0005] 微流控芯片技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全，分子診斷，以及快速高效的進(jìn)行病毒檢測(cè) 和藥品研發(fā)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，正在成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。然而現(xiàn)有離 心力微流控芯片液流方向都是單向的，液滴或者液流在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上，都是從靠近轉(zhuǎn)動(dòng)軸的 地方流向原理的近端流向遠(yuǎn)端。管道里的液流的流動(dòng)特性都是單態(tài)的，芯片的邏輯操控功 能較為簡(jiǎn)單。系統(tǒng)反應(yīng)結(jié)束以后，現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)都是在平臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)以后再做檢測(cè)，沒(méi)有 一個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)的檢測(cè)系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)離心力平臺(tái)沒(méi)有供電系統(tǒng)，芯片上的操作主要是無(wú) 源操作，不能對(duì)芯片的局部進(jìn)行高精度的溫度探測(cè)和加熱等操作?，F(xiàn)有技術(shù)不能夠通過(guò)周 期性切換多態(tài)芯片平臺(tái)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)等量液滴的周期性產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)不簡(jiǎn)單，操作不方便等缺 陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種微流控芯片液滴 產(chǎn)生及度量的裝置及方法，通過(guò)周期性的切換轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向并結(jié)合本裝置，可以周 期性地度量并產(chǎn)生等量的液滴，實(shí)現(xiàn)微流控技術(shù)的數(shù)字化。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案： 根據(jù)本發(fā)明提出的一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置，包括可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的轉(zhuǎn) 動(dòng)平臺(tái)、微流控芯片和設(shè)置于微流控芯片上的微流管道，還包括副轉(zhuǎn)軸和兩個(gè)鎖位閥，兩個(gè) 鎖位閥分別設(shè)置在微流控芯片的兩側(cè)，微流控芯片能圍繞副轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn) 動(dòng)加速度來(lái)調(diào)整微流管道方向與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)徑向之間夾角，微流控芯片被鎖位閥鎖定在兩個(gè) 狀態(tài)上，使得微流管道中的液滴流向發(fā)生變化； 微流管道包括第一橫向可逆管道、徑向常通管道、第二橫向可逆管道和主管道； 第一橫向可逆管道的一端是封閉的，第一橫向可逆管道的另一端與徑向常通管道的一 端連接，徑向常通管道的另一端與第二橫向可逆管道的一端連接，第二橫向可逆管道的另 一端與主管道連接；所述徑向常通管道與第二橫向可逆管道的連接處設(shè)有度量液體的量液 倉(cāng)，第二橫向可逆管道中至少設(shè)有一個(gè)限流閥； 所述第一橫向可逆管道、第二橫向可逆管道是當(dāng)微流控芯片分別處于鎖位閥所限定的 兩個(gè)不同位置時(shí)，微流管道中液滴在離心力作用下均流動(dòng)，但液滴的流動(dòng)方向相反； 所述徑向常通管道是指當(dāng)微流控芯片分別處于鎖位閥所限定的兩個(gè)不同位置時(shí)，微流 管道中液滴在離心力作用下均流動(dòng)，但液滴的流動(dòng)方向不變； 第一橫向可逆管道中存有樣品液滴，通過(guò)周期性切換轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可實(shí)現(xiàn)等量 液滴從第二橫向可逆管道的另一端周期性產(chǎn)生。
[0008] 基于本發(fā)明的一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量裝置的方法，首先，控制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái) 的加速度使微流控芯片位于鎖位閥限定的狀態(tài)一的位置，此時(shí)第一橫向可逆管道中的液滴 通過(guò)徑向常通管道充滿量液倉(cāng)，同時(shí)限流閥限制液滴的溢出；其次，控制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的加速度 使微流控芯片位于鎖位閥限定的狀態(tài)二的位置，量液倉(cāng)中的液滴突破限流閥從第二橫向可 逆管道中流出進(jìn)入主管道。
[0009] 所述的狀態(tài)一是指微流控芯片在鎖位閥限定下的其中一個(gè)位置，在這個(gè)位置下第 一橫向可逆管道中的液體在離心力作用下可以流向徑向常通管道。
[0010] 所述的狀態(tài)二是指微流控芯片在鎖位閥限定下的其中一個(gè)位置，在這個(gè)位置下第 一橫向可逆管道中的液體在離心力作用下不能流向徑向常通管道。
[0011] 作為本發(fā)明的一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述第 一橫向可逆管道的形狀為長(zhǎng)方形。
[0012] 作為本發(fā)明的一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述徑 向常通管道的形狀為長(zhǎng)方形。
[0013] 作為本發(fā)明的一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述第 二橫向可逆管道的形狀為長(zhǎng)方形。
[0014] 作為本發(fā)明的一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述轉(zhuǎn) 動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有η個(gè)微流控芯片，η是根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的面積設(shè)定的，η為大于等于1的整數(shù)。
[0015] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：通過(guò)周期性切換 轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)等量液滴的周期性產(chǎn)生。在其中一個(gè)狀態(tài)下，液滴流向并填充量 液倉(cāng)，在下一個(gè)狀態(tài)下，量液倉(cāng)中的液滴流出，多余的液滴仍被約束在管道中。本發(fā)明通過(guò) 周期性切換轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)了微流控芯片上液滴的產(chǎn)生和度量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 成本低且操作方便。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明裝置的示意圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的管道結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3a是本發(fā)明一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的微流控芯片在初始狀態(tài)時(shí)的位 置示意圖。
[0019] 圖3b是本發(fā)明一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的微流控芯片位于狀態(tài)一的示意 圖。
[0020] 圖3c是本發(fā)明一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的微流控芯片位于狀態(tài)二的示意 圖。
[0021] 附圖標(biāo)記：1-轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，2-微流控芯片，3-微流管道，4-副轉(zhuǎn)軸，5-鎖位閥，6-電 機(jī)，7-第一橫向可逆管道，8-徑向常通管道，9-量液倉(cāng)，10-限流閥，11-第二橫向可逆管道。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明： 如圖1所示是本發(fā)明裝置的示意圖，一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置，包括可 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)1、微流控芯片2和設(shè)置于微流控芯片2上的微流管道3,還包括 副轉(zhuǎn)軸4和兩個(gè)鎖位閥5,兩個(gè)鎖位閥5分別設(shè)置在微流控芯片2的兩側(cè)，微流控芯片2能 圍繞副轉(zhuǎn)軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)1的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度來(lái)調(diào)整微流管道3方向與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)徑向 之間夾角，微流控芯片2被鎖位閥鎖定在兩個(gè)狀態(tài)上，使得微流管道3中的液滴流向發(fā)生變 化。
[0023] 圖2是本發(fā)明一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的管道結(jié)構(gòu)示意圖，微流管道3包 括第一橫向可逆管道7、徑向常通管道8、第二橫向可逆管道11和主管道； 第一橫向可逆管道7的一端是封閉的，第一橫向可逆管道7的另一端與徑向常通管道 8的一端連接，徑向常通管道8的另一端與第二橫向可逆管道11的一端連接，第二橫向可逆 管道11的另一端與主管道連接；所述徑向常通管道8與第二橫向可逆管道11的連接處設(shè) 有度量液體的量液倉(cāng)9,第二橫向可逆管道11中至少設(shè)有一個(gè)限流閥10 ; 所述第一橫向可逆管道7、第二橫向可逆管道11是當(dāng)微流控芯片2分別處于鎖位閥5 所限定的兩個(gè)不同位置時(shí)，微流管道3中液滴在離心力作用下均流動(dòng)，但液滴的流動(dòng)方向 相反； 所述徑向常通管道8是指當(dāng)微流控芯片2分別處于鎖位閥5所限定的兩個(gè)不同位置 時(shí)，微流管道3中液滴在離心力作用下均流動(dòng)，但液滴的流動(dòng)方向不變； 第一橫向可逆管道7中存有樣品液滴，通過(guò)周期性切換轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)1的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可實(shí)現(xiàn) 等量液滴從第二橫向可逆管道11的另一端周期性產(chǎn)生。
[0024] 所述轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)1上設(shè)有η個(gè)微流控芯片2, η是根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)1的面積設(shè)定的，η 為大于等于1的整數(shù)。
[0025] 基于本發(fā)明的一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量裝置的方法，首先，控制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)1 的加速度使微流控芯片2位于鎖位閥5限定的狀態(tài)一的位置，此時(shí)第一橫向可逆管道7中 的液滴通過(guò)徑向常通管道8充滿量液倉(cāng)9,同時(shí)限流閥10限制液滴的溢出；其次，控制轉(zhuǎn)動(dòng) 平臺(tái)1的加速度使微流控芯片2位于鎖位閥5限定的狀態(tài)二的位置，量液倉(cāng)9中的液滴突 破限流閥10從第二橫向可逆管道11中流出進(jìn)入主管道。
[0026] 所述的狀態(tài)一是指微流控芯片2在鎖位閥5限定下的其中一個(gè)位置，在這個(gè)位置 下第一橫向可逆管道7中的液體在離心力作用下可以流向徑向常通管道8。
[0027] 所述的狀態(tài)二是指微流控芯片2在鎖位閥限定下的其中一個(gè)位置，在這個(gè)位置下 第一橫向可逆管道7中的液體在離心力作用下不能流向徑向常通管道8。
[0028] 所述第一橫向可逆管道7的形狀均為長(zhǎng)方形。所述徑向常通管道8的形狀為長(zhǎng)方 形。所述第二橫向可逆管道11的形狀為長(zhǎng)方形。
[0029] 圖3a是本發(fā)明一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的微流控芯片在初始狀態(tài)時(shí)的示 意圖。第一橫向可逆管道7作為樣本倉(cāng)，此時(shí)在第一橫向可逆管道7中注入液體。
[0030] 圖3b是本發(fā)明一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的微流控芯片位于狀態(tài)一的示意 圖。通過(guò)控制離心力平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度，使得微流控芯片處于圖3b所示的位置。然后控制 離心力平臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，給離心力平臺(tái)上的液體提供驅(qū)動(dòng)力。在離心力的作用下，液體從第一 橫向可逆管道7流出，通過(guò)徑向常通管道8填充滿量液倉(cāng)9,同時(shí)限流閥10限制了液滴的溢 出。之后通過(guò)再次控制離心力平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度，使得微流控芯片切換到狀態(tài)二的位置。
[0031] 圖3c是本發(fā)明一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的微流控芯片位于狀態(tài)二的示意 圖。通過(guò)控制離心力平臺(tái)1的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度，微流控芯片2從狀態(tài)一切換到狀態(tài)二。此時(shí)多 余的樣品退回樣品倉(cāng)，同時(shí)由于徑向常通管道8的不可逆特性，量液倉(cāng)9中的樣品并不會(huì)回 流，而是突破限流閥10流出量液倉(cāng)9進(jìn)入主管道，產(chǎn)生一個(gè)與樣品倉(cāng)相同體積的液滴。樣 品倉(cāng)和量液倉(cāng)9可以異化為各種形狀，但功能相同。
【權(quán)利要求】
1. 一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置，包括可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、微流控 芯片和設(shè)置于微流控芯片上的微流管道，其特征在于，還包括副轉(zhuǎn)軸和兩個(gè)鎖位閥，兩個(gè)鎖 位閥分別設(shè)置在微流控芯片的兩側(cè)，微流控芯片能圍繞副轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng) 加速度來(lái)調(diào)整微流管道方向與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)徑向之間夾角，微流控芯片被鎖位閥鎖定在兩個(gè)狀 態(tài)上，使得微流管道中的液滴流向發(fā)生變化； 微流管道包括第一橫向可逆管道、徑向常通管道、第二橫向可逆管道和主管道； 第一橫向可逆管道的一端是封閉的，第一橫向可逆管道的另一端與徑向常通管道的一 端連接，徑向常通管道的另一端與第二橫向可逆管道的一端連接，第二橫向可逆管道的另 一端與主管道連接；所述徑向常通管道與第二橫向可逆管道的連接處設(shè)有度量液體的量液 倉(cāng)，第二橫向可逆管道中至少設(shè)有一個(gè)限流閥； 所述第一橫向可逆管道、第二橫向可逆管道是當(dāng)微流控芯片分別處于鎖位閥所限定的 兩個(gè)不同位置時(shí)，微流管道中液滴在離心力作用下均流動(dòng)，但液滴的流動(dòng)方向相反； 所述徑向常通管道是指當(dāng)微流控芯片分別處于鎖位閥所限定的兩個(gè)不同位置時(shí)，微流 管道中液滴在離心力作用下均流動(dòng)，但液滴的流動(dòng)方向不變； 第一橫向可逆管道中存有樣品液滴，通過(guò)周期性切換轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可實(shí)現(xiàn)等量 液滴從第二橫向可逆管道的另一端周期性產(chǎn)生。
2. -種基于權(quán)利要1所述一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量裝置的方法，其特征在于， 首先，控制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的加速度使微流控芯片位于鎖位閥限定的狀態(tài)一的位置，此時(shí)第一橫 向可逆管道中的液滴通過(guò)徑向常通管道充滿量液倉(cāng)，同時(shí)限流閥限制液滴的溢出；其次，控 制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的加速度使微流控芯片位于鎖位閥限定的狀態(tài)二的位置，量液倉(cāng)中的液滴突破 限流閥從第二橫向可逆管道中流出進(jìn)入主管道； 所述的狀態(tài)一是指微流控芯片在鎖位閥限定下的其中一個(gè)位置，在這個(gè)位置下第一橫 向可逆管道中的液體在離心力作用下可以流向徑向常通管道； 所述的狀態(tài)二是指微流控芯片在鎖位閥限定下的其中一個(gè)位置，在這個(gè)位置下第一橫 向可逆管道中的液體在離心力作用下不能流向徑向常通管道。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置，其特征在于，所述 第一橫向可逆管道的形狀為長(zhǎng)方形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置，其特征在于，所述 徑向常通管道的形狀為長(zhǎng)方形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置，其特征在于，所述 第二橫向可逆管道的形狀為長(zhǎng)方形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微流控芯片液滴產(chǎn)生及度量的裝置，其特征在于，所述 轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有η個(gè)微流控芯片，η是根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的面積設(shè)定的，η為大于等于1的整數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01N35/00GK104155463SQ201410432400
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】王光輝, 何浩培, 張旭蘋, 丁兆雄 申請(qǐng)人:南京大學(xué)