一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置

摘要

本发明公开了一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置，包括可调节转动速度的转动平台、微流控芯片和至少一条微流管道，该微流管道为S型管道或者Y型管道，还包括副转轴和两个锁位阀，两个锁位阀分别设置在微流控芯片的两侧，当微流控芯片围绕副转轴转动时，微流控芯片被锁位阀锁定在两个状态上，通过控制转动平台的转动加速度进而调整微流管道方向与转动平台径向之间夹角，使得微流管道中的液滴流向发生变化。它能够动态控制液滴在微流管道中的双向流动；引入二进制逻辑控制方法，实现利用周期性时序信息控制微流管道中液滴的流动，从而可以更加便捷、迅速地对实验样品进行混合、反应与检测。

说明书

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，特别一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置。

背景技术

微流控芯片技术又被称作“芯片实验室”，即Lab On A Chip，其是把生物、化学、 医学的整个反应和分析过程集成到一块芯片上，自动完成整个以前在实验室完成的复杂的 实验全过程。这其中包括样品制备、反应、分离、检测等基本操作流程。由于它在生物、 化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、 机械等学科交叉的崭新研究领域。

离心式力驱动是利用芯片在微电机带动下做圆周运动时所产生的离心力作为液流的驱 动力,这一类技术通常称为“磁盘实验室”，即Lab On A Disc，将微流控芯片放在磁盘等 盘状平台上，通过改变芯片旋转速度和设计不同的通道构型来调节和控制流体的动态特 性。离心力驱动是微流控驱动技术中较为独特的一种技术。与其他微流体驱动方式相比它 具有加工方便、成本低，集成度高、高通量、流体流动无脉动等优势。离心力驱动范围广， 整个芯片上都同时进行驱动。同时，驱动实现简单，不需要额外的泵浦，甚至可以直接利 用已有的光盘机。

微液滴(droplet)是近年来在微流控领域迅速发展的一项技术，即利用微流控技术操 控微小体积的液滴。其原理为，将两种不相溶且不反应的液体混合到一起，其中一种液体 为连续态的，另一种为离散态的。连续态的液体充斥微流管道，而离散态的液滴在微流管 道中相对连续态液体运动。通常连续态的液体为油性的，而离散态的液滴即为实验样品， 这种技术也成为“油中的液滴”，即droplet in oil。其优点是：1)大大减少实验所需 的样品数量，每一个液滴都相当于一个反应器，可完成复杂的化学、生物反应；2)被油 性物质所包裹的液滴在微流管道中运动时损耗极小，反应时不易受外界环境干扰，反应稳 定、高效。由于这些优点，基于液滴的微流控芯片技术在环境监测、食品安全，分子诊断， 以及快速高效的进行病毒检测和药品研发等领域有广阔的应用前景，正在成为工业界和学 术界的研究热点。

然而现有离心力微流控芯片液流方向都是单向的，液滴在转动平台上，都是从靠近转 动轴的地方流向原理的近端流向远端。管道里的液流的流动特性都是单态的，芯片的逻辑 操控功能较为简单，无法实现对各个液滴流动进行分别控制。系统反应结束以后，现有检 测技术都是在平台停止转动以后再做检测，没有一个动态的实时的检测系统。由于传统离 心力平台没有供电系统，芯片上的操作主要是无源操作，不能对芯片的局部进行高精度的 温度探测和加热等操作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种微流控芯片上的液滴 逻辑控制装置，采用二进制数字信号控制转动平台的加速度的变化，实现利用周期性时序 信息动态控制微流管道中液滴的流动，从而可以更加便捷、迅速地对实验样品进行混合、 反应与检测。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置，包括可调节转动速度的转 动平台、微流控芯片和至少一条微流管道，该微流管道为S型管道或者Y型管道，还包括 副转轴和两个锁位阀，两个锁位阀分别设置在微流控芯片的两侧，当微流控芯片围绕副转 轴转动时，微流控芯片被锁位阀锁定在两个状态上，通过控制转动平台的转动加速度进而 调整微流管道方向与转动平台径向之间夹角，使得微流管道中的液滴流向发生变化。

作为本发明提出的一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置的进一步优化的方案，所述 S型管道是由径向常通管道、第一类单通管道、径向常通管道依次交替首尾相连。

作为本发明提出的一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置的进一步优化的方案，所述 S型管道是由径向常通管道、第二类单通管道、径向常通管道依次交替首尾相连。

作为本发明提出的一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置的进一步优化的方案，所述 S型管道由径向常通管道、第一类单通管道、第二类单通管道、径向常通管道依次交替首 尾相连。

作为本发明提出的一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置的进一步优化的方案，所述 S型管道由径向常通管道、第二类单通管道、第一类单通管道、径向常通管道依次交替首 尾相连。

作为本发明提出的一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置的进一步优化的方案，所述 S型管道由第一类单通管道、第二类单通管道依次交替首尾相连接或者由横向可逆管道、 径向常通管道依次交替首尾相连接。

作为本发明提出的一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置的进一步优化的方案，所述 Y型管道由径向常通管道分别与第一类单通管道、第二类单通管道连接。

作为本发明提出的一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置的进一步优化的方案，所述 微流管道由Y型管道的第一类单通管道、第二类单通管道分别与另两个Y型管道的径向常 通管道级连。

作为本发明提出的一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置的进一步优化的方案，所述 横向可逆管道是指当微流控芯片分别处于限位阀所限定的两个不同位置时，微流管道中液 滴在离心力作用下均流动，但液滴的流动方向相反；

所述径向常通管道是指当微流控芯片分别处于限位阀所限定的两个不同位置时，微流 管道中液滴在离心力作用下均流动，但液滴的流动方向不变；

所述第一类单通管道、第二类单通管道是指当微流控芯片转动至某一锁位阀时，第一 类单通管道中的液滴不流动，第二类单通管道中的液滴流动；当微流控芯片转动至另一锁 位阀时，第一类单通管道中的液滴流动，第二类单通管道中的液滴不流动。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明是基于转动平 台上的液滴逻辑控制装置，本装置通过调节转动平台加速或者减速时的加速度来操控微流 控芯片相对于转动平台并围绕副转轴发生转动，将半导体芯片技术中的“二进制”逻辑单 元引入到微流控芯片中，基于二进制的双态平台的状态切换来提供“时钟”信息，实现了 二进制微阀、液滴的步进控制和液滴的支路选择，并实现了液滴的二进制寻址及寄存；本 发明扩展了装置系统在功能层面的集成度，克服了传统的离心力平台的如无时序控制、单 向流，无反馈，不可配置等缺陷，引入二进制逻辑控制方法，实现利用周期性时序信息控 制各个液滴的流动，从而可以更加便捷、迅速地对实验样品进行混合、反应与检测；本发 明装置结构简单且操作方便。

附图说明

图1是本发明提出的微流控芯片上的液滴逻辑控制装置的示意图。

图2是本发明微流控芯片上管道的受力的示意图。

图3a是本发明微流控芯片在状态一时四类管道的位置及液滴流动的示意图。

图3b是本发明微流控芯片在状态二时四类管道的位置及液滴流动的示意图。

图4a是本发明提出的微流控芯片液滴逻辑控制装置的状态二状态触发微阀示意图。

图4b是本发明提出的微流控芯片液滴逻辑控制装置的状态一状态触发微阀示意图。

图5a是本发明提出的状态一至状态二状态切换触发微阀示意图。

图5b是本发明提出的状态二至状态一状态切换触发微阀示意图。

图6a是本发明提出的由第一类单通管道和第二类单通管道构成的液滴步进控制装置 的示意图。

图6b是本发明提出的由横向可逆管道和径向常通管道构成的液滴步进控制装置的示 意图。

图7a是本发明提出的液滴支路选择装置示意图。

图7b本发明提出的液滴二进制寄存器示意图。

图8a是本发明提出的基于复合微阀的液滴支路选择装置示意图。

图8b是本发明提出的基于复合微阀的液滴二进制地址寄存器示意图。

附图标记：1-转动平台，2-微流控芯片，3-微流管道，4-副转轴，5-转动平台的主转轴， 6-锁位阀，7-微阀，8-电机，9-径向常通管道，10-横向可逆管道，11-第一类单通管道，12- 第二类单通管道，13-液滴入口，14-状态切换微阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种微流控芯片上的液滴逻辑控制装置，包括可调节转动速度的转动平 台、微流控芯片和至少一条微流管道，该微流管道为S型管道或者Y型管道，还包括副转 轴和两个锁位阀，两个锁位阀分别设置在微流控芯片的两侧，当微流控芯片围绕副转轴转 动时，微流控芯片被锁位阀锁定在两个状态上，通过控制转动平台的转动加速度进而调整 微流管道方向与转动平台径向之间夹角，使得微流管道中的液滴流向发生变化。

所述S型管道是由径向常通管道、第一类单通管道、径向常通管道依次交替首尾相连。

所述S型管道是由径向常通管道、第二类单通管道、径向常通管道依次交替首尾相连。

所述S型管道由径向常通管道、第一类单通管道、第二类单通管道、径向常通管道依 次交替首尾相连。

所述S型管道由径向常通管道、第二类单通管道、第一类单通管道、径向常通管道依 次交替首尾相连。

所述S型管道由第一类单通管道、第二类单通管道依次交替首尾相连接或者由横向可 逆管道、径向常通管道依次交替首尾相连接。

所述Y型管道由径向常通管道分别与第一类单通管道、第二类单通管道连接。

所述微流管道由Y型管道的第一类单通管道、第二类单通管道分别与另两个Y型管道 的径向常通管道级连。

所述横向可逆管道是指当微流控芯片分别处于限位阀所限定的两个不同位置时，微流 管道中液滴在离心力作用下均流动，但液滴的流动方向相反；

所述径向常通管道是指当微流控芯片分别处于限位阀所限定的两个不同位置时，微流 管道中液滴在离心力作用下均流动，但液滴的流动方向不变；

所述第一类单通管道、第二类单通管道是指当微流控芯片转动至某一锁位阀时，第一 类单通管道中的液滴不流动，第二类单通管道中的液滴流动；当微流控芯片转动至另一锁 位阀时，第一类单通管道中的液滴流动，第二类单通管道中的液滴不流动。

图2是本发明的微流控芯片上管道的受力情况示意图。因为芯片上同一管道的不同位 置的受力情况都不同，因此采用微元分析，而整个管道的受力情况是各个微管道受力情况 的积分。取其中一段长度可以忽略不计的微管道C，管道两端分别为A、B，仅用于标注方 向，无具体长度。α定义为射线O'O逆时针旋转至射线O'C的夹角，表示管道相对于副转轴 的摆角。β定义为射线OO'顺时针旋转至射线OC的夹角，表示相对于主轴的转角。θ₀定义 为射线AB顺时针旋转至射线O'C的夹角，表示管道方向与芯片径向的夹角。θ定义为射线 BA顺时针旋转至射线OC的夹角，离心力方向与管道方向的夹角。当时， 管道中液体的流向为B→A，当时，管道中液体的流向为A→B，当或时， 管道中液体不流动。因此，可以得到离心力方向与管道方向的夹角θ＝θ₀+α+β。当芯片在 不同的状态切换时，α+β发生变化，因此θ也随之发生变化，从而液体在管道中的流向也 可能发生变化。在两种状态下，根据θ的取值不同或者管道中液体流向的不同可以分为三 类管道，分别是径向常通管道、横向可逆管道和单通管道。其中单通管道又存在两个流动 规律相反的两种管道，在实际情况中为了区分这两类管道，可以分别称为第一类单通管道 和第二类单通管道。横向可逆管道是指当微流控芯片分别处于限位阀所限定的两个不同位 置时，微流管道中液滴在离心力作用下均流动，但液滴的流动方向相反。径向常通管道是 指当微流控芯片分别处于限位阀所限定的两个不同位置时，微流管道中液滴在离心力作用 下均流动，但液滴的流动方向不变；单通管道是指当微流控芯片在限位阀所限定的其中一 个位置时，微流管道中液滴在离心力作用下不流动，而在另一个位置时，液滴流动；单通 管道包括两类流动或不流动情况刚好相反的两类管道，称为第一类单通管道和第二类单通 管道。

图3a为本发明微流控芯片的在状态一时四类管道的位置及液滴流动的示意图，图3b 为本发明微流控芯片的在状态二时四类管道的位置及液滴流动的示意图。微流控芯片2通 过副转轴4安装在转动平台1上，使电机8带动转动平台1转动时微流控芯片2能够相对 于转动平台1绕副转轴4转动，在微流控芯片2的两侧各设置一个刚性锁位阀，用于限制 微流控芯片2绕副转轴4转动的角度范围。本装置通过转动速度相关的离心力以及转动加 速度相关的欧拉力之间的平衡来实现状态的切换。当转动平台1有顺时针方向的加速度时， 由于惯性或者欧拉力，微流控芯片2的中轴线将相对于副转轴4有顺时针方向摆动。在刚 性锁位阀的阻挡下，微流控芯片停留在图3a所示的位置，此态定义为状态一。此时，当转 动平台1有逆时针方向的加速度时，由于惯性或者欧拉力，微流控芯片2将相对于副转轴 4逆时针方向摆动。在刚性锁位阀的阻挡下，微流控芯片停留在图3b所示的位置，此态定 义为状态二。四类管道是双态平台中最为基本的四种管道，通过它们之间的组合可以实现 各种不同的功能，可以适应于各种不同的应用场合。

图4a是本发明提出的微流控芯片液滴逻辑控制装置的状态二状态触发微阀示意图。基 于二进制平台上的第一类单通管道和第二类单通管道的有条件的导通和截止，状态二导通 的状态触发微阀是两个径向常通管道AB和CD之间有一段第二类单通管道BC。当平台处于 状态一时，液滴在BC段所受延管道方向的离心力分量小于阻力，将停留于BC段，微阀截 止；当处于状态二时，液滴在BC段所受延管道方向的离心力分量大于阻力，将通过BC段， 微阀导通。图4b是本发明提出的微流控芯片液滴逻辑控制装置的状态一状态触发微阀示 意图。状态一导通的状态触发微阀是两个径向常通管道QM和NP之间有一段第一类单通管 道MN。当平台处于状态二时，液滴在MN段所受延管道方向的离心力分量小于阻力，将停 留于MN段，微阀截止；当处于状态一时，液滴在MN段所受延管道方向的离心力分量大于 阻力，将通过MN段，微阀导通。

图5a是本发明提出的状态一至状态二状态切换触发微阀示意图。基于二进制平台上的 第一类单通管道和第二类单通管道的有条件的导通和截止，其上的状态一到状态二切换触 发微阀设计为：两段径向常通管道EF及HI之间依次串联有一段第一类单通管道FG及一 段第二类单通管道GH，第一类单通管道在前第二类单通管道在后。当芯片处于状态一时， 液滴停留在G处，其所受延管道GH段的离心力分量小于阻力，在状态一向状态二状态切 换时，液滴所受延GH段的离心力分量大于阻力，通过GH段，微阀导通；当芯片处于状态 二时，液滴停留在F处，其所受延管道FG段的离心力分量小于阻力，在状态二向状态一 状态切换时，液滴所受延管道FG段的离心力分量大于阻力，液滴运动到G处停止，微阀 仍截止，因此只有在状态一向状态二状态切换时，微阀才导通。图5b是本发明提出的状 态二至状态一状态切换触发微阀示意图。状态二到状态一切换触发微阀设计为：两段径向 常通管道JK及MN之间依次串联有一段第二类单通管道HL及一段第一类单通管道LM，第 二类单通管道在前第一类单通管道在后。当芯片处于状态二时，液滴停留在L处，其所受 延管道LM段的离心力分量小于阻力，在状态二向状态一状态切换时，液滴所受延LM段的 离心力分量大于阻力，通过LM段，微阀导通；当芯片处于状态一时，液滴停留在K处， 其所受延管道KL段的离心力分量小于阻力，在状态一向状态二状态切换时，液滴所受延 管道KL段的离心力分量大于阻力，液滴运动到L处停止，微阀仍截止，因此只有在状态 二向状态一状态切换时，微阀才导通。

图6a是本发明提出的由第一类单通管道和第二类单通管道构成的液滴步进控制装置 的示意图。图6b是本发明提出的由横向可逆管道和径向常通管道构成的液滴步进控制装 置的示意图。基于转动加速度控制的二进制平台上的四类管道以及平台状态的周期性切 换，通过一个周期或者一次状态切换，液滴前进一步。实现方法一如图6a，由一系列交替 串联的第一类单通管道和第二类单通管道构成液滴的步进控制装置。在状态二时，液滴所 受的离心力方向如方向所示，接近平行于AB管道和CD的方向，此时在A处的液滴所受延 管道AB段的离心力分量大于阻力，将流向B处，同理C处的液滴流向D处。而此时BC管 道和DE管道的方向和离心力的方向接近垂直，管道中液滴所受延管道的离心力分量小于 阻力，液滴不能在其中流动，所以液滴将停留在B处和D处。当平台切换到状态一后，液 滴所受的离心力方向如所示，接近于平行于BC和DE管道的方向，此时停留在B处和D处 的液滴所受延管道的离心力分量大于阻力，将分别在BC和DE管道中流动，并停留在C处 和E处。当平台改变一次状态时，所有液滴都将前进一步，形成串行的步进控制。实现方 法二如图6b，通过一系列的交替首尾相连的横向管道和径向常通管道组成的“S”形结构。 在状态一时，液滴所受的离心力方向如方向所示，此时所有横向管道中，如果有液滴，其 所受合力向左，液滴都向左流，同时径向常通管道也保持畅通，这样液滴将从M流到N， 进而在径向常通管道中流到P。由于径向常通管道是不可逆的单向通道，R处的液滴不会 倒流回Q，因此Q点将没有液滴流向P。所以在状态一下，所有液滴都停在左侧径向常通 管道的顶端。在状态二时，液滴所受的离心力方向如方向所示，此时所有横向管道中，如 果有液滴，其所受合力向右，液滴都向右流，同时径向常通管道也保持畅通。这样P点的 液滴将从P流到Q，进而在径向常通管道中流到R。由于径向常通管道是不可逆的单向通 道，P处的液滴不会倒流回N，因此N点将没有液滴流向M。所以在状态二下，所有液滴都 停在右侧径向常通管道的顶端。当平台改变一次状态时，所有液滴都将前进一步，形成串 行的步进控制。

图7a是本发明提出的液滴支路选择装置示意图。图7b本发明提出的液滴二进制寄存 器示意图。基于转动加速度控制的二进制平台，本发明实现了液滴的支路选择。如下图7a。 一个径向常通管道9末端一个“Y”形分支，分别连接一个第二类单通管道12和一个第一 类单通管道11。当芯片处于状态一时，液滴所受的离心力方向如方向所示，接近于平行于 第一类单通管道，延管道方向离心力分量大于阻力，同时接近于垂直于第二类单通管道， 延管道方向离心力分量小于阻力，此时液滴通过分支后，将会流向左侧的第一类单通管道。 相似的，当芯片处于状态二时，液滴所受的离心力方向如所示，接近于平行于第二类单通 管道，而接近于垂直于第一类单通管道，此时液滴通过分支后，将会流向右侧的第二类单 通管道。如此可以通过芯片的状态控制液滴的流向，实现支路选择功能。为了控制液滴运 动的进度，在径向常通管道中间可以加入一个微阀，如约束型微阀7。通过级联一系列液 滴的支路选择单元，可以实现液滴的二进制地址及寄存器，如图7b。第一个支路选择单元 两个分支，实现两个一级“1”和“0”地址寄存器；后面接两个支路选择单元，有4个分 支，实现4个二级地址寄存器，分别是“11”，“10”，“01”和“00”；四个分支后继 续接四个支路选择单元实现8个三级地址寄存器，分别是“111”，“110”，“101”， “100”“011”，“010”，“001”，“000”。如此可扩展到任意N级级联，实现2N 个地址单元。为了控制液滴运动的进度，在每一级的径向常通管道中间都加入一个微阀， 对于约束型微阀，阈值逐级提高。

图8a是本发明提出的基于复合微阀的液滴支路选择装置示意图。图8b是本发明提出 的基于复合微阀的液滴二进制地址寄存器示意图。二进制复合微阀由一个二进制切换触发 微阀及一个约束型微阀组成，如图8a。由液滴入口13加入的液滴，无论芯片处于状态一 还是状态二，液滴都停留在约束微阀7。等调整好芯片状态后，平台加速转动，液滴通过 分叉。若此时芯片处于状态一，液滴则流向左侧，停留在二进制状态切换微阀14的第二 类单通管道内，当平台继续低速转动切换到状态二时，液滴突破二进制状态切换微阀14， 停留在下一层的约束微阀7。如此反复便可以实现液滴的步进控制。几个约束微阀可以有 相同的阈值。无论液滴以何速度通过分叉，液滴都能在下一个分支以前停留下来，以供判 断。如此实现液滴的支路选择操作。基于此二进制切换触发微阀，多级串联的支路选择单 元即二进制地址寄存器有更好的可控性及可扩展性。三级串联的8个地址单元的设计如图 8b。其中的二进制状态微阀与转动速度无关，即所有的微阀的阈值都可以一样。地址单元 的级数不受约束微阀的级差限制。突破前一级支路选择单元的液流不存在继续突破第二级 微阀的可能。