专利名称：一种微流控芯片手动空气压力进样方法
技术领域：
本发明属于分析化学领域，涉及微全分析系统用于微流控芯片检测技术，特别是一种微流控芯片手动空气压力进样方法。
背景技术：
在当今环境形势与人们强烈关心环保的意识要求下，实时、在线、绿色微量分析技术成为分析化学的主要发展趋势。各种微分析技术应运而生，而微全分析技术成为目前最受瞩目的技术新领域之一。微全分析系统(Miniaturized Total Analysis Systems)技术的主要目的是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等分析化学的基本 操作单元，集成到一块微小尺寸的芯片上，以达到微量取样，自动完成分析任务的全过程。微流控芯片(microfluidic chip)是基于微全分析系统理念为目标的具体执行技术，也是当前微全分析系统发展最热点的领域。微流控芯片通过在玻璃、石英、硅、塑料等芯片上设置微通道或微小的生化反应单元，以及检测器，对样品进行微量、快速速的分析技术。但是，所有的微流控芯片内的样品及试液，需要一定的驱动力，使其在芯片的微通道内进行移动，进行必要的分离、反应，流经检测器，才能完成检测。所以微流控进样技术是微流控芯片检测技术的第一道屏障，该设计的设计是否得当，足以影响微流控分析技术的关实际应用成败。对于自动化、微量化样品的检测技术而言，样品进入方式对检测能力和可被检测的对象范围影响更为重要的。因此，一直以来，进样技术成为制约微流控芯片发展的一项技术瓶颈。目前，常见的微流控芯片进样方式主要有电动进样、压力进样。电动进样是在液体样品(包括缓冲液、电泳液)的入、出口两端，施加电�。砸禾逶诘绯〉那ㄒ铺匦晕Γ鸬揭贫⒎掷氲淖饔�。由于目前的微流控芯片加工技术限制，微流体通道尺寸微小(小于100微米)，芯片的结构尽量要设计得简单。样品试液与背景缓冲液混合后，需要匀速流动经过检测器部分，能够在简单的芯片结构上实现这个要求的，大多微流控芯片分析技术都采用了电动进样。这种进样方式优点是芯片卡上的结构简单。但是缺点非常明显因为芯片上液体依靠外加高压电场(几百至数千伏特)驱动，就离不开特殊供电设备。致使芯片固然是小巧了，但附加设备却复杂了，整套微流控分析设备变得体积较大，这就很不适合现场检测技术的便携、微型化的要求，违背微流控分析技术的初衷。难以适用于现场实时检测。而且，由于驱动电场和样品电泳分离电场共用相同的通道，如图I所示，以现在的非接触电容耦合电导检测(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection 简称 C4D)微流控芯片主要采用的电动进样方式示例。采用电动进样时，驱动电场施加于反应液流动两端，对本身有电性物质的样品检测，会影响分离效果，甚至产生严重干扰。致使电动进样方式对于某些样品是不适用的，这就大大限制了电动进样的方法应用范围。压力进样，是在液体入口路径上的某一处，由连续可控加压装置，施加压力或产生压力差为样品进入通道反应的驱动力。而压力进样方式可以分为压力自动进样、手动进样。压力自动进样包括微流泵进样、压电泵、微阀进样等。最成熟，应用最广泛的是临床检验的自动化生化分析仪的进样系统。压力自动进样，自动化程度、效率高，可连续在线完成检测任务。是高级分析技术的首先。这类进样方式也有其缺点限制需要相应的附属设备，如蠕动泵、蠕动管、压电泵与膜等，增加了系统实现成本。往往设备复杂，体积相对较大，制造成本高、能耗高。所以，微流泵(微阀)压力连续自动进样方式，虽然不干扰反应，自动化控制程度很高，也仍然不能以简便可靠的工作方式，廉价的制造成本，满足各种现场环境的微分析要求。手动进样一般特征，是由实验者来控制，分步操作，手动完成，随时添加、抽压。目前，手动进样的设计多为储液池静压力差(包括垂直重力落差)、通道界面双侧浓差压、出口吸负压等方法。这类进样方式(方法)，虽简陋，自动化连续作业程度稍差，但其在性价比、使用灵活性上却大有优势。何时、如何采用，都可以自主组合配置，自由灵活，实现容易，尤其适于野外现场检测。甚至可能是微流控芯片进样技术的，唯一实用轻量级解决方案。只是目前现有手动简易进样方式负压、静压、气泵、蠕动泵等，设计构思创新性受限，可控性差水平不够，进样性能不够实用要求，难于用于实验室之外真正的现场检测。
发明内容
本发明在综合性考虑，上述现有的微流控芯片电动进样、压力自动进样、手动负压进样等方式优缺点之后，对微流控芯片手动进样方式，进行了创新性设计。利用手动缓慢地产生空气压力为驱动力，在芯片内部设一定空间形状缓冲区空腔，不仅可以容许空气压力由此产生、注入，而且可以容留一定量的数种反应液体暂时停留，使其预先混合、反应，芯片上的反应何时进行，由实验者来控制决定。本发明设计的微流控芯片手动混合进样方法新颖实用，不需要复杂的高电压驱动，无泵、无阀，设备结构简单，性能可靠，容易实施。本发明的技术方案如下微流控芯片手动混合进样检测方法，以推动密闭的一段空气，向另一端产生的压力为动力，驱动形成密闭通路的检测芯片微通道回路中的液体，向指定的目标方向流动；并经过微流控芯片上的检测器位置，从而完成物质的分析检测；在微流控芯片的进样口处，设置有空腔11，存储反应液和作为驱动的空气气体，非常有利于掌握反应检测时机，容易产生持续的空气压力，实现驱动。在微流控芯片检测技术中，用手动压力装置，使微通道内一端的一段空气密封，向另一端移动，产生的压力为芯片微通道内反应液体，提供驱动力；即单向封闭空气，手动推动微通道内反应液体，作为驱动微流控芯片上的反应液流动。在微流控芯片进样口与加空气压力接口共用，使用内有斜度的通用注射器标准接□。用带空气单向阀的活塞式注射器施加空气压力，连续向同一方向施加压力。微流控芯片上内设置空腔体积11，作为检测需要的各种反应液，在此空间短暂停留，起到试剂均匀混合、预反应、容留产生空压体积的空气。本发明的微流控芯片进样检测方法，步骤如下a)用移液器将反应所需的微量液体，通过进样12 (加压口)，滴加入微流控芯片卡上内置空腔11;进行预先停留反应；b)启动电导信号发生、检测装置5 ；c)抽动注射器活塞，用施加 空气压力的注射器接头出口，插入芯片上的进样口12，吻合形成密封，推动活塞，形成空气压强P，空腔内的样品液体移动，经过检测电极15，数秒后完成检测，废液向出口 6流动。所述的手动压力装置为注射器活塞或手动微型气泵。芯片主体材料为绝缘或化学惰性材料为聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、玻璃或石英。本发明的微流控芯片手动混合进样检测方法，能够与各种检测装置、检测器结合使用。检验装置说明如图2所示，一种微流控芯片手动空气压力进样装置，在微流控芯片卡内设置具有空间形状的空腔为缓冲区(11);空腔在芯片内封闭设置，缓冲区(11)上方设置有加样口
(12);缓冲区(11)内侧壁设置有与芯片上微通道(13)相连的废液出口( 14)。所述的上方的加样口( 12)与通用注射器针头接合外径相等，使注射器活塞以内的气体密闭。如图4所示，注射器活塞侧位设置开通孔(19)，内部为锥形结构，内设置有塑料小球，成为空气单向阀。发明的原理及理论依据本发明设计原理，是利用简易器件(如不带针头的医用注射器)抽吸空气后，在微流控液体通路一端接合，密封，手动向微流控芯片卡上内置的空腔，注入空气，产生空压(空气压力)为驱动力，迫使芯片上位于通道中的液体，向有与微通道相连的另一个侧开较小的口，即废液出口方向移动，如图4中，空腔与微通道内的虚箭头所指方向。由于某一定的微流控通路液体，产生的移动阻力负荷P (Fpfi/S Pfi)是固定的，而在注射器与微流控芯片接口处内截面面积3&与产生空压的注射器接触内界面面积S相等(共截面)，所以，微通道中液体移动速度可由外施加的空气压力大小F (F/FPfi)来决定，并可得到适当控制，如图4。对于C4D、MCE微流控芯片的检测，只需要维持数十秒的稳定流速经过检测器部分，就可以完成信号检测。所以说，手动控制的空压驱动方式，对微流控芯片的液体流速稳定要求，是完全可以满足的。检测时，需要反应的多种检测试液，由加样口 12，多次加入到缓冲(混合)空腔11内，如图3所示。稍置，反应、混合。再由注射器等器件，抽吸数毫升空气，插入加样口，使接口处吻合不漏气，将空压缓缓注入缓冲区11空腔内，在空气压力下，空腔内反应液体向低压的微通道出口方向流动，到达检测区域，最后到达废液出口溢出，压力泄出，如图4所示。19部位为空气单通阀作用的圆球，这样可以多次对混合缓冲空腔内的液体施加空气压力，保持微通道内反应液连续流动。由单向吸气后密闭，特制加空压注射器与缓冲区空腔共同组成一个手动空气泵，可以连续产生，施加空气压力。本发明的手动混合进样方式，性价比高、简便实用，是微流控芯片最佳轻量级进样方案之一，尤其适用于野外现场检测分析。优点减少样需要设置的反应通道数，简化了芯片设置的复杂程度。缓冲区(舱)具有样品混合、预反应、提供空压驱动力等多种功能。与以往已有的手动压力进样，相比优点显著。I、本发明的手动混合进样技术，巧妙地使进样与驱动的构造、功用都可以共用，精简了微流控芯片制造结构。还可以广泛地与各种检测装置(检测器)结合使用，即使应用于MCE微流控芯片上，结构上也比通用的电动进样方式，减少一对电极，有了相当大的精简，如图5。省去了微流控芯片为驱动的高压电源附属设备，大大降低微流控芯片加工制造复杂程度，降低成本。2、可以允许多种反应试样，同时加在缓冲区，混合停留，并预先反应，根据不同反应情况，可随时手动加压让通道中的液体移动、检测，不受时间和空间的限制。这是其他进样方式不能做到的。3、由于该进样方式不需要电场驱动，取消或减少了电极，不干扰样品试液，对检测效果不影响。解决了电动进样对检测样品的干扰问题。扩大了手动进样的适用范围，也增 强微流控检测技术方法对不同电性样品检测适应性。4、采取压力，微通路中无外加电�。约觳舛韵笪镏实牡缧圆恍枰拗疲嘤┐罅思觳庋返闹掷喾段�。5、与目前的主流电动进样方式相比，减少了 2个通道入口和2个驱动电极。大大简化了进样结构，实施简便，容易。非常利于该技术普及应用推广。6、本发明的微流控芯片手动空气压力进样技术，可以广泛地在各种微流控芯片检测装置上应用，具有较好的通用性。
图I :为目前C4D、MCE微流控芯片主要采用的高压电动进样方式示意图。图2 :为本发明设计的微流控芯片手动混合进样方式示意图。图3 :加样器加入多种试液示意图。图4 :微流控芯片手动空气压力进样装置。图5 :本发明手动混合进样方式在MCE微流控芯片上的应用示例。图中1、7为样品液驱动电极1,2为样品液入口，3为缓冲液入口，4、10为缓冲液驱动电极，5为电导检测电极，6为检测废液出口，8为微流控芯片的微通道，9为缓冲液出口 ；11虚线立方体为微流控芯片板卡体内部的缓冲(混合)区域，此区外部视图不可见。12为反应液加样口，也是施加器压力器械(加压注射器)的接口。13为微流控芯片的内部微通道。14为检测废液出口。15为电导检测电极。16为加液器。17是为给空腔施加空气压力的器件。19黑线方块部分，为侧开通孔，内部为锥形结构，两端孔径大小不一，内有塑料小球，小球往右运动空气无阻力，往左运动，封闭堵塞左侧小孔，此部分为空气单向阀。18箭头方向为空气压力驱动下微通道中液体的流向。20为MCE微流控芯片分离电极。21为进样及空气压力加压口。22为微流控芯片的微通道。23为检测废液出口及分离电极。24、25为分置微通道两侧的信号源及检测器。
具体实施例方式如图2所示，在微流控芯片(一般采用透明、相对绝缘的有机玻璃与聚碳酸酯材料，加工成卡板形状)内部，利用激光钻直孔，加工微通道(目前，微流控芯片上的微通道直径一般在I-IOOOnm内)。再通过铣孔设置一个具有一定空间体积(圆柱或立方槽)的进样缓冲区(舱)。此区进口为顶部的内圆孔，出口是与微流控芯片微通道相通的微口。该区域既是各种试液均匀混合的场合，混合，又是预反应的容器，同时可以使反应溶液在该区域停留静置，便于人为干预，掌握反应、检测时机。该区域还是产生空压的空气压缩容器。该区同时集成了加样、预反应、空压驱动的多种作用功能。进样压力与速度，手动操作下，就可以使微通道内的反应试液，在短时间内(数十秒内)，保持亚匀速移动，这个时间足以满足大多数芯片检测器要求停留的时间。利用微制造技术，在有机玻璃或聚碳酸酯、PVC塑料等材料板卡上，加工内封闭，相互连通的缓冲储液空腔、微通道结构。用空气压力施加于液流一端，充当驱动力，完成检测时对液体匀速流过检测器的需求。如图2，虚线部分11所示，在微流控芯片卡上，内设一定空间形状的空腔为空压与缓冲(混合)的区域。空腔为芯片内封闭结构，仅有上方与右内侧壁与芯片上微通道相连的两个开口。上方的开口为内径标准的加样口，如图2所示的12，此开口内径尺寸与通用注射器针头接头外径相吻合，以备加空压的器件(注射器或压力泵等)密封吻合。空腔的右侧壁是与微通道相通的开口，经微通道13，与废液出口 14相连通。微流控芯片手动混合进样检测方法，以推动密闭的一段空气，向另一端产生的压力为动力，驱动可以形成密闭通路的检测芯片微通道回路中的液体，向指定的目标方向流动。并经过微流控芯片上的检测器位置，从而完成物质的分析检测。在微流控芯片的进样口处，设一定体积的空腔，可以储存一定的反应液和作为驱 动的空气，非常有利于掌握反应检测时机，容易产生持续的空气压力，实现驱动。保护如图4的设计方式，在微流控芯片检测技术中，以手动加压力装置(如注射器活塞、手动微型气泵等)，使微通道内一端的一段空气密封，向另一端移动，产生的压力(推力)为芯片微通道内反应液体，提供驱动力。即单向封闭空气，手动推动微通道内反应液体，作为驱动微流控芯片上的反应液流动的设计思路。在微流控芯片进样口与加空气压力接口共用，使用内有斜度的通用注射器标准接口，容易加工，便于密封加压的内椎体斜面设计，如图2中12设计。用带空气单向阀的活塞式注射器施加空气压力，可以连续向同一方向施加压力。如图2中，微流控芯片上内设置一定形状空腔体积11的设计，作为检测需要的各种反应液，在此空间短暂停留，起到试剂均匀混合、预反应、容留产生空压所需要一定体积的空气等，多种作用于一体的多功能、高效的设计。使用步骤的特征①如图3用移液器将反应所需的各种微量液体，通过进样12 (加压口)，滴加入微流控芯片卡上内置空腔(即预反应、混合区)。进行预先停留反应，等待随时加压，移动向废液出口 6方向。②如图4，抽动注射器活塞，用施加空气压力的注射器接头出口，插入芯片上的进样口 12，吻合，形成密封。推动活塞，想成空气压强P，在P的作用下，空腔内的样品液体缓缓向右侧，进过检测电极5，向废液出口 6方向流动。③上述操作前，启动电导信号发生、检测装置。当微通道内的反应液流过检测电极15，数秒后即可完成检测。实施例I如图3所示，本发明进样使用方法具体实施如下I、在C4D微流控芯片上使用步骤①如图3用移液器将反应所需的各种微量液体，通过进样12 (也是加压口)，滴加入微流控芯片卡上内置空腔(即预反应、混合区)。进行预先停留反应，等待随时加压，移动向废液出口方向。②如图4，抽动注射器活塞，用施加空气压力的注射器接头出口，插入芯片上的进样口 12，吻合，形成密封。推动活塞，形成空气压强P，在P的作用下，空腔内的样品液体缓缓向右侧，如箭头所指方向，经过检测电极，向废液出口流动。
③上述操作前，启动电导信号发生、检测装置。当微通道内的反应液流过检测电极，数秒后即可完成检测。实施例2由于本发明的微流控芯片手动空气压力进样技术，可以与各种检测装置(检测器)，广泛结合使用。所以具体操作使用，本发明加样技术基本与使用何种检测器、检测装置无关。如图5，是利用本发明设计原理(手动空气压力驱动液体流动)，在MCE (MicrochipCapillary Electrophoresis,芯片毛细管电泳)微流控芯片上的实施应用示例。使用步骤基本与上I类似。如图5，在芯片卡的设计上，取消了以往常见MCE微流控芯片中的缓冲液驱动电极，将一个分离电极20设置在缓冲混合区的内左侧壁，另一个，设置在废液出口 23。检测时，可以预先或途中手动从进样口 12加稍微过量的缓冲液。在分离电极的高压电场(100-600V)下，可以在数分钟内，维持混合均匀，由微通道内向23方向移动，完成检测，速度和稳定时间均满足检测要求20s内，0. 8ml，液体流过检测器，到达废液出口。实施例3采用本发明的微流控芯片手动混合简易压力进样方法，已成功实施对水样中K+、Mg2+离子与背景缓冲液乙磺酸(MES)-组氨酸(His)的分离，和C4D的检测。检测原理是利用用背景缓冲液乙磺酸(MES)-组氨酸(His)的分离与被分离、检测的K+、Mg2+离子，在注射器的空气压力驱动下，缓慢(约lmm/s)流过如图2中电导检测电极15时，测得的连续电流变化波形特征，测得液体样中K+、Mg2+存在的特征电导信号。检测试验实施的装置条件MES:His比例1:0. 9，pH值〈6. 5，浓度为15mmol/L。C4D激励信号为连续正弦波IOOHz，电压5V，由DG1022型普源信号发生器I台，来完成。如图2所示有机玻璃材料(PMMA)加工制成的微流控芯片一块，IOml普通塑料注射一支。C4D的电导信号检测，由TDS1012C-SC型示波器完成。检测时，如图3，用移液器加入 0. 5ml 的 MESHis(l :0. 9，15mmol/L，pH 在 6. 0 7. 5)缓冲液，加入被测水样0. 3ml，静置停留约4分钟。将IOml医用注射器，吸空气到5ml。将注射器，取下针头，再将注射器出口部位插入与图4中微流控芯片的进样接口处，使其吻合、密闭。缓慢推动注射器活塞，使缓冲区空腔内液体，向检测电极所在方向流去。启动C4D检测的电导信号，并用示波器检测接收到的信号。
实验结果显示在8s内，仅有背景缓冲液情况下，即样品空白试验，示波器测得的基线正弦波比较稳定。在样品检测时，加入同时含0. Iii mol/L的K+、Mg2+O. 2ml，结果，K+、Mg2+的峰形尖锐明显，峰值比基线值高出I. 5倍和I倍之多，由峰形区别可以明显分辨两种离子。如图6。·
权利要求
1.微流控芯片手动混合进样检测方法，其特征是以推动密闭的一段空气，向另一端产生的压力为动力，驱动形成密闭通路的检测芯片微通道回路中的液体，向指定的目标方向流动；并经过微流控芯片上的检测器位置，从而完成物质的分析检测；在微流控芯片的进样口处，设置有空腔(11)，储存反应液和作为驱动的空气，非常有利于掌握反应检测时机，容易产生持续的空气压力，实现驱动。
2.如权利要求I所述的微流控芯片进样检测方法，其特征是在微流控芯片检测技术中，用手动压力装置，使微通道内一端的一段空气密封，向另一端移动，产生的压力为芯片微通道内反应液体，提供驱动力；即单向封闭空气，手动推动微通道内反应液体，作为驱动微流控芯片上的反应液流动。
3.如权利要求I所述的微流控芯片进样检测方法，其特征是在微流控芯片进样口与加空气压力接口共用，使用内有斜度的通用注射器标准接口。
4.如权利要求I所述的微流控芯片进样检测方法，其特征是用带空气单向阀的活塞式注射器施加空气压力，连续向同一方向施加压力。
5.如权利要求I所述的微流控芯片进样检测方法，其特征是微流控芯片上内设置空腔体积11，作为检测需要的各种反应液，在此空间短暂停留，起到试剂均匀混合、预反应、容留产生空压体积的空气。
6.如权利要求I所述的微流控芯片进样检测方法，其特征是步骤如下 ①用移液器将反应所需的微量液体，通过进样加压口(12)，滴加入微流控芯片卡上内置空腔(11);进行预先停留反应； ②启动电导信号发生、检测装置(5)； ③抽动注射器活塞，用施加空气压力的注射器接头出口，插入芯片上的进样加压口 (12)，吻合形成密封，推动活塞，形成空气压强P，空腔内的样品液体移动，经过检测电极(15)，数秒后完成检测，废液向出口(6)流动。
7.权利要求I的微流控芯片手动混合进样检测方法，能够与各种检测装置、检测器结合使用。
8.如权利要求2所述的微流控芯片手动混合进样检测方法，其特征是所述的手动压力装置为注射器活塞或手动微型气泵。
9.如权利要求I所述的微流控芯片进样检测方法，其特征是芯片主体材料为绝缘或化学惰性材料为聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、玻璃或石英。
全文摘要
本发明属于一种微流控芯片手动空气压力进样方法。微流控芯片手动混合进样检测方法，以推动密闭的一段空气，向另一端产生的压力为动力，驱动形成密闭通路的检测芯片微通道回路中的液体，向指定的目标方向流动；并经过微流控芯片上的检测器位置，从而完成物质的分析检测；在微流控芯片的进样口处，设置有空腔11，储存反应液和作为驱动的空气，非常有利于人为掌握反应检测时机，容易产生持续的空气压力作为微流控芯片内液体移动所需的动力，实现驱动。本发明的手动混合进样方式，性价比高、简便实用，是微流控芯片最佳轻量级进样方案，尤其适用于野外现场检测分析。可以广泛地在各种微流控芯片检测装置上应用，具有较好的通用性。
文档编号G01N27/00GK102735864SQ20121021948
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者刘楠, 李晓丽, 欧国荣, 马新华 申请人:中国人民解放军军事医学科学院卫生学环境医学研究所
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