CN113492024B - 一种带自驱动单元的微流控芯片、微流控方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明“一种带自驱动单元的微流控芯片、微流控方法及其应用”属于微流控芯片技术领域。所述一种带自驱动单元的微流控芯片包括：反应腔、自驱动单元、流体管路；按流体流动方向，反应腔沿上游、中游、下游设置若干个；自驱动单元可通过流体管路与中游反应腔相连通，且自驱动单元位于上游反应腔的上游；上游反应腔可通过流体管路与中游反应腔相连通；中游反应腔可通过流体管路与下游反应腔相连通；所述中游反应腔上设置有定量分流机构；自驱动单元内可产生压缩空气。本发明的微流控芯片及其微流控方法可适用于多种生物或其它领域的检测实验，操作便捷、简单易行，应用范围广泛。

Description

一种带自驱动单元的微流控芯片、微流控方法及其应用

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，更具体地说，涉及一种带自驱动单元的微流控芯片、微流控方法及其应用。

背景技术

微流控芯片技术是将各种生物、化学或医学分析过程中的样品制备、分离、反应及检测等基本操作集成在几平方厘米到几十平方厘米的芯片之上的一种技术，由于其具有集成化、自动化、样品和试剂消耗量小等特点，目前已经广泛应用于生化检测、核酸分析、免疫检测、细胞分选、环境检测和食品安全等领域。但由于生化、免疫和核酸的检测需要涉及多步流体操作反应，将其转移到微流控芯片上，就需要反应液体多步加入或流出等复杂的流体操作。而常规的微流控芯片需要外接管道，与外界的泵阀相连，操作复杂，极易造成污染。

因此，如何提供一种芯片能够简便实现多步流体操作，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

基于本领域存在的上述需求，本发明旨在提供一种带自驱动单元的微流控芯片、微流控方法及其应用，利用芯片内置的自驱动单元再结合外力作用使芯片内的流体实现多步渐进的流向流量控制，并顺利完成各步反应。

本发明的技术方案如下：

一种带自驱动单元的微流控芯片，其特征在于，包括：反应腔、自驱动单元、流体管路；按流体流动方向，反应腔沿上游、中游、下游设置若干个；

自驱动单元可通过流体管路与中游反应腔相连通，且自驱动单元位于上游反应腔的上游；

上游反应腔可通过流体管路与中游反应腔相连通；中游反应腔可通过流体管路与下游反应腔相连通；所述中游反应腔上设置有定量分流机构；

自驱动单元内可产生压缩空气。

所述定量分流机构为设置在中游反应腔的腔壁上的高度可调的开口；

优选地，所述高度可调的开口为：开口底沿所在腔壁的内部设有可径向滑动的、形状大小与开口周缘对应的腔壁相适配且密封接触的开合门或推拉门；优选地，所述高度可调的开口与流体管路相连通。

所述的一种带自驱动单元的微流控芯片还包括：通气单元；所述通气单元包括通气管；所述反应腔远离芯片下游端的腔壁上开设通气口与通气管接通；

优选地，上游反应腔上的通气管、中游反应腔上的通气管、下游反应腔上的通气管相互连通；

更优选地，各通气管相互连通处向远离芯片下游端的方向延伸出折弯。

所述的一种带自驱动单元的微流控芯片还包括：储液单元；所述储液单元位于上游反应腔的上游，且通过流体管路与中游反应腔相连通；

所述中游反应腔设有至少2个；相互连通的中游反应腔之间设有止回机构，可防止流体回流至上游反应腔；

优选地，相互连通的中游反应腔之间、中游反应腔与下游反应腔之间还设有防接触机构；所述防接触机构为流体管路朝远离下游端方向延伸出的、并高于中游反应腔顶部的折弯结构；

优选地，所述止回机构指中游反应腔之间的流体管路的管径大于中游反应腔与上游反应腔之间的流体管路的管径。

所述流体管路优选虹吸管；

优选地，各反应腔内设有干燥的反应试剂；

优选地，所述反应试剂包括：核酸提取试剂、核酸释放剂、引物、核酸扩增所需的酶、扩增缓冲液、dNTP；

优选地，所述微流控芯片选自圆盘型结构或扇形结构。

所述的一种带自驱动单元的微流控芯片还包括芯片固定机构，用于将芯片固定于流体流动驱动装置内或与流体流动驱动装置连接；所述芯片固定机构为芯片固定槽；

在一些优选的实施例中，所述微流控芯片为圆盘型结构；所述微流控芯片包括：样本池、转移池、混匀池、空气池、分配管道和反应孔；

作为上游反应腔的样本池的池壁上开设加样口；

作为中游反应腔的转移池和混匀池，二者通过流体管路相连通；按流体流动方向转移池位于混匀池的上游；自驱动单元包括空气池和气体管路，转移池顶部池壁上通过气体管路与空气池相连通；空气池位于样本池的上游；所述流体流动方向为圆盘从圆心向圆周的方向；

作为下游反应腔的分配管道和反应孔位于芯片边缘内侧；

优选地，储液单元通过流体管路与中游反应腔的混匀池相连通；

优选地，中游反应腔的转移池靠近混匀池一侧的侧壁上设有定量分流机构A，中游反应腔的混匀池远离转移池一侧的侧壁上设有定量分流机构B；

可被定量分流机构A分流的流体量q₁满足下述关系式：q₁=Q₁-s₁h₁，

定量分流机构B的高度可调的开口b的高度为h₂满足下述关系式：(Q₂+q₁)/s₂＞h₂＞q₁/s₂，

其中：q₁为进入转移池内部的流体总量，Q₂为储液单元内的流体量，h₁为定量分流机构A的高度可调的开口a的高度，s₁为转移池底面积，s₂为混匀池底面积；

转移池与样本池之间的流体管路为第一连接管道，转移池与混匀池之间设有周向的流体管路为第三连接管道，径向的流体管路为第一虹吸管道；第一连接管道与第三连接管道相连通，第三连接管道与第一虹吸管道相连通，第一虹吸管道内径均大于第一连接管道的内径和第二连接管道的内径，形成止回机构；

所述止回机构优选为：第一虹吸管道的内径为第一连接管道的内径的2-3倍；

优选地，所述反应孔为多个，分别与分配管道相连通；混匀池与分配管道之间的流体管路为第二虹吸管道；

优选地，混匀池正面投影性状为类L形；

优选地，第一虹吸管道、第二虹吸管道均朝圆盘中心方向延伸出高于混匀池类L形顶部的折弯结构，形成所述防接触机构；

优选地，多个反应孔沿分配管道均匀分布，且均位于分配管道的下游侧；反应孔内设置反应试剂；

优选地，所述储液单元内置铝箔液囊，且与混匀池相连通；铝箔液囊易于挤破使液囊内的流体经流体管路流入混匀池中；

优选地，芯片固定槽设置在圆盘中心。

一种带自驱动单元的微流控方法，其特征在于，将流体注入采用所述的一种带自驱动单元的微流控芯片内进行流体控制。

所述一种带自驱动单元的微流控方法包括：

（1）流体样品经微流控芯片的加样孔进入上游反应腔的样本池中，将微流控芯片置于流体流动驱动装置中或者与流体流动驱动装置相连，调整流体流动驱动装置的驱动力大小，进行反应；

（2）调整驱动力大小，使样本池中的流体样品经流体管路进入中游反应腔的转移池，进行反应，同时转移池内空气被迫压缩经自驱动单元的气体管路进入空气池；

（3）调整驱动力大小，空气池中的压缩空气膨胀将转移池中的流体挤出，因定量分流机构作用转移池中的部分流体经流体管路在止回机构的作用下进入混匀池，储液单元的铝箔液囊挤破，调整驱动力大小，储液单元内流体经流体管路进入混匀池，进行反应；

（4）调整驱动力大小，混匀池中的流体经流体管路进入下游反应腔的分配管道中，调整驱动力大小，使流体分别进入各个反应孔，进行反应；

优选地，所述流体流动驱动装置选自：离心机、负压泵；

优选地，所述驱动力选自：离心力、压力、重力；

优选地，所述调整驱动力大小指降低或升高离心机转速、降低或升高负压泵的压力；

优选地，所述反应选自：核酸提取反应、核酸释放反应、核酸扩增反应、细胞培养反应；

优选地，所述流体样品选自反应液、或，待测样品；所述待测样品选自 由细胞培养液、血液、拭子涮洗液、脑脊液、肺泡灌洗液、尿液组成的组；所述反应液可以是液体形态的反应试剂。

所述的一种带自驱动单元的微流控芯片、和/或，所述的一种带自驱动单元的微流控方法在 核酸提取、和/或，核酸释放、和/或，核酸扩增检测、和/或，环境监测、和/或，食品检测、和/或，法医鉴定方面的应用。

本发明通过腔室之间的上下游位置关系设计以及各管路之间及其与各腔体之间的连接关系设置，使芯片内部形成自驱动单元，即，通过高速离心将流体甩入中游反应腔时，反应腔内部的空气会被压缩至自驱动单元的空气池内，这一过程中高速离心时产生的离心力远大于自驱动单元内压缩空气的压力，而在高速离心结束后，芯片不再受离心力影响，此时的空气池内的压缩空气产生一定的驱动力会促使流体往下一个腔体流动。此外，本发明还通过简单巧妙的结构设计使芯片内部具有定量分流机构、止回机构、防接触机构等功能机构，能保证芯片内的流体可按预定的反应程序地进入正确的腔体和管路，简便地实现流体的流向和流量的全面控制，使芯片内的流体可稳定、多步、渐进、定量地开展各个环节的反应。同时，本发明的微流控芯片及其微流控方法可适用于多种生物或其它领域的检测实验，操作便捷、简单易行，应用范围广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个具体实施例提供的微流控芯片的内部结构示意图；

图2a-图2f是为本发明实验例一提供的微流控芯片工作时不同阶段中液体流向的示意图；

图3a-图3f是为本发明实验例二提供的微流控芯片工作时不同阶段中液体流向的示意图；

图4为本发明的另一个具体实施例提供的微流控芯片的中游反应腔之间的止回机构的结构示意图。

图中标记列示如下：100-微流控芯片、101-加样口、102-样本池；103a-第一连接管道、103b-第二连接管道、103c-第三连接管道、103d-第四转移管道、105a-第一虹吸管道、105b-第二虹吸管道；104a-转移池、104b-空气池、106a-混匀池、106b-铝箔液囊、107-分配管道、108-反应孔、109-通气管、110-芯片固定槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第1组实施例、本发明的一种带自驱动单元的微流控芯片

本组实施例提供一种带自驱动单元的微流控芯片。本组所有的实施例都具备如下共同特征：所述微流控芯片包括：反应腔、自驱动单元、流体管路；按流体流动方向，反应腔沿上游、中游、下游设置若干个；自驱动单元可通过流体管路与中游反应腔相连通，且自驱动单元位于上游反应腔的上游；上游反应腔可通过流体管路与中游反应腔相连通；中游反应腔可通过流体管路与下游反应腔相连通；所述中游反应腔上设置有定量分流机构；自驱动单元内可产生压缩空气，该压缩空气为流体流向下游提供驱动力。

在一些具体的实施例中，所述定量分流机构为设置在中游反应腔的腔壁上的高度可调的开口；

优选地，所述高度可调的开口为；开口底沿所在腔壁的内部设有可径向滑动的、形状大小与开口周缘对应的腔壁相适配且密封接触的开合门或推拉门，开合门或推拉门的径向（上下）移动位置即可决定开口的高度；可通过调整在反应腔或缓冲腔的腔壁上开口的高度，来实现进入下游缓冲腔液体量的调整；

优选地，所述高度可调的开口与流体管路相连通。

在进一步的实施例中，所述的一种带自驱动单元的微流控芯片，其特征在于，还包括：通气单元；所述通气单元包括通气管；所述反应腔远离芯片下游端的腔壁上开设通气口与通气管接通；

优选地，上游反应腔上的通气管、中游反应腔上的通气管、下游反应腔上的通气管相互连通；

更优选地，各通气管相互连通处向远离芯片下游端的方向延伸出折弯，以增加实际的空气流通空间，有效拓宽空气通路，使芯片内的流体流动更为通畅。

在另一些实施例中，所述的一种带自驱动单元的微流控芯片还包括：储液单元；所述储液单元位于上游反应腔的上游，且通过流体管路与中游反应腔相连通；

所述中游反应腔设有至少2个；相互连通的中游反应腔之间设有止回机构，如图4所示，该止回机构可防止流体回流至上游反应腔；

优选地，相互连通的中游反应腔之间、中游反应腔与下游反应腔之间还设有防接触机构，可使流体不提前接触下一步虹吸管以免过早进入位于下游的腔体中；

优选地，所述防接触机构为流体管路朝远离下游端方向延伸出的、并高于中游反应腔顶部的折弯结构；

优选地，所述止回机构指中游反应腔之间的流体管路的管径大于中游反应腔与上游反应腔之间的流体管路的管径。

在一些实施例中，所述流体管路优选虹吸管，虹吸管具有亲水特性，可使流体一接触虹吸管的一端就可流入虹吸管内部；

优选地，各反应腔内设有干燥的反应试剂；

优选地，所述反应试剂包括：核酸提取试剂、核酸释放剂、引物、核酸扩增所需的酶、扩增缓冲液、dNTP；

优选地，所述微流控芯片选自圆盘型结构或扇形结构。

在更进一步的实施例中，所述的一种带自驱动单元的微流控芯片还包括芯片固定机构，用于将芯片固定于流体流动驱动装置内或与流体流动驱动装置连接；所述芯片固定机构为芯片固定槽；所述流体流动驱动装置为芯片内的流体流动提供驱动力；所述驱动力优选离心力、压力、重力；所述流体流动驱动装置优选离心设备或负压设备；

在一些优选的实施例中，所述微流控芯片为圆盘型结构；所述微流控芯片包括：样本池、转移池、混匀池、空气池、分配管道和反应孔；

作为上游反应腔的样本池的池壁上开设加样孔，用于加样；

作为中游反应腔的转移池和混匀池，二者通过流体管路相连通；按流体流动方向转移池位于混匀池的上游；自驱动单元包括空气池和气体管路，转移池顶部池壁上通过气体管路与空气池相连通；空气池位于样本池的上游；所述流体流动方向为圆盘从圆心向圆周的方向；

作为下游反应腔的分配管道和反应孔位于芯片边缘内侧；

优选地，储液单元通过流体管路与中游反应腔的混匀池相连通；在一些具体的实施例中，下游反应腔的分配管道、储液单元与混匀池之间的流体管路可以不采用亲水特性的虹吸管，采用普通管道即可；

优选地，中游反应腔的转移池靠近混匀池一侧的侧壁上设有定量分流机构A，中游反应腔的混匀池远离转移池一侧的侧壁上设有定量分流机构B，；

可被定量分流机构A分流的流体量q₁满足下述关系式：q₁=Q₁-s₁h₁，

定量分流机构B的高度可调的开口b的高度为h₂满足下述关系式：(Q₂+q₁)/s₂＞h₂＞q₁/s₂，

其中：Q₁为进入转移池内部的流体总量，Q₂为储液单元内的流体量，h₁为定量分流机构A的高度可调的开口a的高度，s₁为转移池底面积，s₂为混匀池底面积；

在具体的实施例中，如图1和图4所示，中游反应腔的转移池104a与上游反应腔的样本池102之间的流体管路为第一连接管道103a，中游反应腔的转移池104a与中游反应腔的混匀池106a之间设有周向的流体管路为第三连接管道103c，径向的流体管路为第一虹吸管道105a；第一连接管道103a与第三连接管道103c相连通，第三连接管道103c与第一虹吸管道105a相连通，第一虹吸管道105a内径均大于第一连接管道103a的内径和第二连接管道103b的内径，形成止回机构；

所述止回机构优选为：第一虹吸管道105a的内径为第一连接管道103a的内径的2-3倍；

优选地，所述反应孔为多个，分别与分配管道相连通；中游反应腔的混匀池106a与下游反应腔的分配管道107之间的流体管路为第二虹吸管道105b；

优选地，混匀池正面投影性状为类L形；这样设计方便第一虹吸管道105a在更高位与混匀池接入，流体从样本池进入转移池的过程中不会提前进入第一虹吸管道105a内；

优选地，第一虹吸管道105a、第二虹吸管道105b均朝圆盘中心方向延伸出高于中游反应腔的混匀池106a类L形顶部的折弯结构；第一虹吸管道105a折弯处远高于中游反应腔的混匀池106a，流体从上游反应腔的样本池102进入中游反应腔的转移池104a的过程中因第一虹吸管道105a折弯处过高且在强大的离心力的作用下流体不会接触第一虹吸管道105a；第二虹吸管道105b折弯处远高于中游反应腔的混匀池106a，中游反应腔的转移池104a中的流体被空气池中的压缩空气挤压至中游反应腔的混匀池106a的过程中，因第二虹吸管道105b折弯处过高，并结合高速离心，流体不会接触第二虹吸管道105b进而提前进入。

本文中的第一连接管道103a、第二连接管道103b、第三连接管道103c、第四转移管道103d、第一虹吸管道105a、第二虹吸管道105b均属于流体管路；

分配管道107、反应孔108均属于下游反应腔；

转移池104a、混匀池106a均属于中游反应腔；

空气池104b属于自驱动单元；

铝箔液囊106b属于储液单元；

样本池102属于上游反应腔。

优选地，多个反应孔沿分配管道均匀分布，且均位于分配管道的下游侧；反应孔内设置反应试剂；

优选地，所述储液单元内置铝箔液囊，且与混匀池相连通；铝箔液囊易于挤破使液囊内的流体经流体管路流入混匀池中；

优选地，芯片固定槽设置在圆盘中心。

第2组实施例、本发明的微流控方法

本组实施例提供一种带自驱动单元的微流控方法。本组所有的实施例都具备如下共同特征：将流体注入采用第1组实施例任一项所提供的一种带自驱动单元的微流控芯片内进行流体控制。

在具体的实施例中，所述一种带自驱动单元的微流控方法包括：

（1）流体样品经微流控芯片的加样孔进入上游反应腔的样本池中，将微流控芯片置于流体流动驱动装置中或者与流体流动驱动装置相连，调整流体流动驱动装置的驱动力大小，进行反应；

（2）调整驱动力大小，使样本池中的流体样品经流体管路进入中游反应腔的转移池，进行反应，同时转移池内空气被迫压缩经自驱动单元的气体管路进入空气池；

（3）调整驱动力大小，空气池中的压缩空气膨胀将转移池中的流体挤出，因定量分流机构作用转移池中的部分流体经流体管路在止回机构的作用下进入混匀池，储液单元的铝箔液囊挤破，调整驱动力大小，储液单元内流体经流体管路进入混匀池，进行反应；这一步不仅可以定量分流，在一些特殊的实验例中，还可将样品进行分离，例如，实验例2中，血液样品在这一步的高速离心下分层，进入混匀池的是上层的血清。

（4）调整驱动力大小，混匀池中的流体经流体管路进入下游反应腔的分配管道中，调整驱动力大小，使流体分别进入各个反应孔，进行反应；

优选地，所述流体流动驱动装置选自：离心机、负压泵；

优选地，所述驱动力选自：离心力、压力、重力；

优选地，所述调整驱动力大小指降低或升高离心机转速、降低或升高负压泵的压力；

优选地，所述反应选自：核酸提取反应、核酸释放反应、核酸扩增反应、细胞培养反应；

优选地，所述流体样品选自反应液、或，待测样品；所述待测样品选自 由细胞培养液、血液、拭子涮洗液、脑脊液、肺泡灌洗液、尿液组成的组；所述反应液可以是液体形态的反应试剂。

第3组实施例、本发明的微流控芯片和微流控方法的应用

本组实施例提供本发明的微流控芯片和微流控方法的应用。

具体为，第1组实施例任一所述的一种带自驱动单元的微流控芯片、和/或，第2组实施例任一所述的一种带自驱动单元的微流控方法在 核酸提取、和/或，核酸释放、和/或，核酸扩增检测、和/或，环境监测、和/或，食品检测、和/或，法医鉴定方面的应用。

使用本发明的芯片，可定制专门配套的离心设备，该离心设备除了常规离心机的常规部件结构外，还内置有加热器、控制器；控制器可通过线路分别与加热器和离心机相连，控制器内设有通过时长触发的控制程序，例如，预设：高速离心步骤、低速或停止离心步骤、低速正反向旋转步骤 等上述各步骤的时长和加热温度，高速离心步骤、低速离心步骤还需分别预设离心机转速；启动离心设备后控制器开始工作，控制加热器加热至预设温度，并控制离心机高速离心，高速离心步骤时间结束后触发控制器控制离心机低速或停止离心或正反向旋转，并控制加热器调整加热温度至预设的对应步骤的温度。上述程序的预设为本领域技术人员可根据实践中芯片实际进行的反应步骤和反应程序（例如，PCR反应程序、LAMP反应程序、RPA反应程序、核酸提取反应、核酸释放反应）可进行的相应的常规设定或调整，而加热器和控制器均为本领域常规部件，均可商购获得。上述专门配套的离心设备可委托厂家定制生产，也可自行组装集成得到，因此，对本领域技术人员而言，本发明芯片配套的离心设备可基于本领域常规现有产品、并结合本领域技术常识完全可以实现、制备得到。

本发明最具体的实施例提供一种微流控芯片100，如图1所示，包括反应腔、自驱动单元、储液单元、通气单元。其中，具体包括：加样口101、属于上游反应腔的样本池102；属于中游反应腔的转移池104a、属于自驱动单元的空气池104b以及连接上下游腔室的流体管路（例如，第一连接管道103a、第二连接管道103b、第三连接管道103c）；储液单元包括铝箔液囊106b，中游反应腔包括混匀池106a和连接上下游腔室的流体管路（例如，第一虹吸管道105a、第四转移管道103d、第二虹吸管道105b）；下游反应腔包括不少于两个的反应孔108以及将液体分配至反应孔的分配管道107；通气单元是一个连接分配管道107、样本池102和混匀池106a的管道，即通气管109。具体的，加样口101直接连接样本池102，样本池102通过第一连接管道103a连接转移池104a，转移池104a通过第二连接管道103b连接空气池104b，转移池104a与混匀池106a通过第三连接管道103c和第一虹吸管道105a连接，铝箔液囊106b通过第四转移管道103d连接混匀池106a，混匀池106a与各个反应孔108通过第二虹吸管道105b以及分配管道107连接。分配管道107与样本池102、混匀池106a通过通气单元的通气管109连接。

本申请中，空气池104b与转移池104a通过第二连接管道103b相连接，且空气池104b更靠近芯片的中心，这样当液体在离心力的作用下进入转移池104a时，转移池104a中原有的空气将被压缩在空气池104b中，以便后续作控制转移池104a中液体的动力使用；铝箔液囊106b用于存储稀释液，在想要释放的时候通过机械按压，液囊被挤破，然后在离心力作用下液体会被甩到混匀池106a中。另外，与转移池104a连接的第三连接管道103c距离转移池104a底部有一定的距离，所以转移池104a中只有部分液体会通过第三连接管道103c进入第一虹吸管道105a；第一虹吸管道105a的宽度和深度均大于第一连接管道103a，使得转移池104a中的液体进入混匀池106a时优先通过第一虹吸管道105a，而不会通过第一连接管道103a重新回到样本池102。

本申请中，存在固定芯片的直槽口做为微流控芯片100的芯片固定槽110，并以此为芯片的离心旋转中心。

通过上述设置可以实现液体受控的通过转移池104a、混匀池106a等各个芯片上的腔室。

根据本申请的核心通过下面最具体的2个实验例对本申请进行进一步详细说明：

具体实验例一：

加样口101，样本池102，第一连接管道103a，转移池104a，第二连接管道103b，空气池104b，第三连接管道103c，第一虹吸管道105a，混匀池106a，铝箔液囊106b，第四转移管道103d，第二虹吸管道105b，分配管道107，反应孔108，通气管109，如图1所示，为了便于对各个单元进行区分，本实验例中对同单元或类型的结构通过编号不同进行区分，以方便审查。

在该实验例中，使用该微流控芯片实现了两步法恒温扩增的生物反应，具体过程如下。

在实验开始前，该微流控芯片中铝箔液囊106b已经预先填充了稀释液，且被铝箔密封；样本池102中存放有第一步恒温扩增的冻干试剂；混匀池106a存放有第二步扩增的冻干试剂；反应孔108中存放有不同指标的引物，如图2a所示。实验开始后，将样本通过加样口101加入到样本池102中，通过低速离心溶解冻干试剂并混匀样本，同时进行第一步恒温扩增，如图2b所示。在第一步恒温扩增结束后，芯片经过高速离心使第一步恒温扩增的产物从样本池102通过第一连接管道103a进入转移池104a中，同时转移池104a中的空气被压缩，使得部分空气通过第二连接管道103b进入并被储存在空气池104b中，如图2c所示。当降低离心转速时，空气池104b中的空气膨胀将转移池104a中的液体挤压出去。因为转移池104a右侧与之连接的第三连接管道103c、第一连接管道103a和第一虹吸管道105a粗细不同，第一虹吸管道105a的宽度和深度均大于第三连接管道103c和第一连接管道103a，所以转移池104a中的液体被挤出来后会优先通过第一虹吸管道105a进入混匀池106a。具体来说，第一虹吸管道105a的横截面面积和第一连接管道103a的横截面面积比不小于4。同时，因为与转移池104a连接的第三连接管道103c距离转移池104a底部有一定距离，所以转移池104a只有部分液体可以通过第一虹吸管道105a进入混匀池106a，从而达到部分转移第一步扩增产物的目的，如图2d所示。当第一步扩增的产物部分进入了混匀池106a后，与其中存储的第二步扩增试剂相溶（或部分相溶），但因为混匀池106a右侧的第二虹吸管道105b起点和混匀池106a底部有一定距离，所以此时液体还不能接触到第二虹吸管道105b。此时通过机械按压挤压铝箔液囊106b，使得液囊被挤破，内部的稀释液在离心力的作用下通过第四转移管道103d被甩入混匀池106a并在混匀池106a中稀释和复溶试剂。此时液体高度能够触碰到第二虹吸管道105b的起点，如图2e所示。然后，通过低速离心或者静置芯片，混匀池106a中的液体填充满第二虹吸管道105b和分配管道107，最后通过高速离心使得液体最终被分配到反应孔108中，在反应孔108中进行第二步恒温扩增，如图2f所示。需要说明的是，反应孔108设置数量至少为2个，且每个孔中可以预先存放有不同指标的引物，反应孔108的具体数目，可以根据实际需要进行选择，本实验例对此不做限定。

具体实验例二：

在该实验例中，使用该微流控芯片实现了多指标的生化反应，具体过程如下。

在实验开始前，该微流控芯片中铝箔液囊106b已经预先填充了稀释液，且被铝箔密封；反应孔108中固定有不同生化反应的底物，如图3a所示。实验开始后，将血液通过加样口101加入到样本池102中，如图3b所示。之后，芯片经过高速离心使血液从样本池102通过第一连接管道103a进入转移池104a中，此时血清和血细胞在高速离心的情况下被分离，同时转移池104a中的空气被压缩，使得部分空气通过第二连接管道103b进入并被储存在空气池104b中，如图3c所示。当降低离心转速时，空气池104b中的空气膨胀将转移池104a中的上层血清挤压出去。因为转移池104a右侧与之连接的第三连接管道103c、第一连接管道103a和第一虹吸管道105a粗细不同，第一虹吸管道105a的宽度和深度均大于第三连接管道103c和第一连接管道103a，所以转移池104a中的上层血清被挤出来后会优先通过第一虹吸管道105a进入混匀池106a。同时，因为与转移池104a连接的第三连接管道103c距离转移池104a底部有一定距离，所以转移池104a只有部分血清可以通过第一虹吸管道105a进入混匀池106a，从而达到定量转移血清的目的，如图3d所示。当血清进入了混匀池106a后，通过机械按压挤压铝箔液囊106b，释放其内部的稀释液，使得混匀池106a中的血清得到稀释并混匀。此时液体高度也能够触碰到第二虹吸管道105b的起点，如图3e所示。然后，通过低速离心或者静置芯片，混匀池106a中的液体填充满第二虹吸管道105b和分配管道107，最后通过高速离心使得液体最终被分配到反应孔108中，在反应孔108中进行生化反应，实现多指标的生化反应，如图3f所示。需要说明的是，反应孔108设置数量至少为2个，且每个孔中可以预先存放有不同指标的生化反应底物，反应孔108的具体数目，可以根据实际需要进行选择，本实验例对此不做限定。

Claims (32)

1.一种芯片结构作为使微流控芯片内产生压缩空气的用途，其特征在于，所述芯片结构具有空气池位于样本池上游、转移池位于样本池下游、转移池顶部池壁上通过气体管路与空气池相连通、正面投影形状为类L形的混匀池、转移池与混匀池之间的第一虹吸管道朝芯片中心方向延伸出高于混匀池类L形顶部的折弯结构、转移池与混匀池之间径向的第一虹吸管道内径大于转移池与样本池之间径向的第一连接管道内径；转移池与混匀池之间设有周向的流体管路为第三连接管道；第一连接管道与第三连接管道相连通，第三连接管道与第一虹吸管道相连通，第一虹吸管道内径大于第二连接管道的内径，形成止回机构；混匀池与分配管道之间的流体管路为第二虹吸管道；所述微流控芯片为一种带自驱动单元的微流控芯片；所述带自驱动单元的微流控芯片包括：反应腔、自驱动单元、流体管路；按流体流动方向，反应腔沿上游、中游、下游设置若干个；

自驱动单元可通过流体管路与中游反应腔相连通，且自驱动单元位于上游反应腔的上游；所述空气池和气体管路形成所述自驱动单元；

上游反应腔可通过流体管路与中游反应腔相连通；中游反应腔可通过流体管路与下游反应腔相连通；所述中游反应腔上设置有定量分流机构；

自驱动单元内可产生压缩空气；

所述微流控芯片为圆盘型结构；所述微流控芯片包括：样本池、转移池、混匀池、空气池、分配管道和反应孔；

作为上游反应腔的样本池的池壁上开设加样口；

作为中游反应腔的转移池和混匀池，二者通过流体管路相连通；按流体流动方向转移池位于混匀池的上游；所述流体流动方向为圆盘从圆心向圆周的方向；

作为下游反应腔的分配管道和反应孔位于芯片边缘内侧，

所述芯片结构可在流体流动驱动装置提供的驱动力下利用芯片内置的自驱动单元使芯片内的流体实现多步渐进的流向流量控制。

2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述定量分流机构为设置在中游反应腔的腔壁上的高度可调的开口。

3.根据权利要求2所述的用途，其特征在于，所述高度可调的开口为：开口底沿所在腔壁的内部设有可径向滑动的、形状大小与开口周缘对应的腔壁相适配且密封接触的开合门或推拉门。

4.根据权利要求2所述的用途，其特征在于，所述高度可调的开口与流体管路相连通。

5.根据权利要求1或2所述的用途，其特征在于，还包括：通气单元；所述通气单元包括通气管；所述反应腔远离芯片下游端的腔壁上开设通气口与通气管接通。

6.根据权利要求5所述的用途，其特征在于，上游反应腔上的通气管、中游反应腔上的通气管、下游反应腔上的通气管相互连通。

7.根据权利要求5所述的用途，其特征在于，各通气管相互连通处向远离芯片下游端的方向延伸出折弯。

8.根据权利要求6所述的用途，其特征在于，各通气管相互连通处向远离芯片下游端的方向延伸出折弯。

9.根据权利要求1或6所述的用途，其特征在于，还包括：储液单元；所述储液单元位于上游反应腔的上游，且通过流体管路与中游反应腔相连通；

所述中游反应腔设有至少2个；相互连通的中游反应腔之间设有止回机构，可防止流体回流至上游反应腔。

10.根据权利要求1或6所述的用途，其特征在于，相互连通的中游反应腔之间、中游反应腔与下游反应腔之间还设有防接触机构；所述防接触机构为流体管路朝远离下游端方向延伸出的、并高于中游反应腔顶部的折弯结构。

11.根据权利要求9所述的用途，其特征在于，所述止回机构指中游反应腔之间的流体管路的管径大于中游反应腔与上游反应腔之间的流体管路的管径。

12.根据权利要求1、4、11任一所述的用途，其特征在于，所述流体管路为虹吸管。

13.根据权利要求1、6、11任一所述的用途，其特征在于，各反应腔内设有干燥的反应试剂。

14.根据权利要求13所述的用途，其特征在于，所述反应试剂包括：核酸提取试剂、核酸释放剂、引物、核酸扩增所需的酶、扩增缓冲液、dNTP。

15.根据权利要求1-4、6-8、11、14任一所述的用途，其特征在于，所述微流控芯片选自圆盘型结构或扇形结构。

16.根据权利要求1-4、6-8、11、14任一所述的用途，其特征在于，还包括芯片固定机构，用于将微流控芯片固定于流体流动驱动装置内或与流体流动驱动装置连接；所述芯片固定机构为芯片固定槽。

17.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，储液单元通过流体管路与中游反应腔的混匀池相连通。

18.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，中游反应腔的转移池靠近混匀池一侧的侧壁上设有定量分流机构A，中游反应腔的混匀池远离转移池一侧的侧壁上设有定量分流机构B；

可被定量分流机构A分流的流体量q₁满足下述关系式：q₁=Q₁-s₁h₁，

定量分流机构B的高度可调的开口b的高度为h₂满足下述关系式：(Q₂+q₁)/s₂＞h₂＞q₁/s₂，

其中：q₁为进入转移池内部的流体总量，Q₂为储液单元内的流体量，h₁为定量分流机构A的高度可调的开口a的高度，s₁为转移池底面积，s₂为混匀池底面积。

19.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述止回机构为：第一虹吸管道的内径为第一连接管道的内径的2-3倍。

20.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述反应孔为多个，分别与分配管道相连通。

21.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，第二虹吸管道朝圆盘中心方向延伸出高于混匀池类L形顶部的折弯结构，形成防接触机构。

22.根据权利要求20所述的用途，其特征在于，多个反应孔沿分配管道均匀分布，且均位于分配管道的下游侧；反应孔内设置反应试剂。

23.根据权利要求17或18所述的用途，其特征在于，所述储液单元内置铝箔液囊，且与混匀池相连通；铝箔液囊易于挤破使液囊内的流体经流体管路流入混匀池中。

24.根据权利要求1或21所述的用途，其特征在于，芯片固定槽设置在圆盘中心。

25.一种带自驱动单元的微流控方法，其特征在于，利用权利要求1-24任一所述的用途使微流控芯片内产生压缩空气进而对微流控芯片内进行流体控制。

26.根据权利要求25所述一种带自驱动单元的微流控方法，其特征在于，包括：

（1）流体样品经微流控芯片的加样孔进入上游反应腔的样本池中，将微流控芯片置于流体流动驱动装置中或者与流体流动驱动装置相连，调整流体流动驱动装置的驱动力大小，进行反应；

（2）调整驱动力大小，使样本池中的流体样品经流体管路进入中游反应腔的转移池，进行反应，同时转移池内空气被迫压缩经自驱动单元的气体管路进入空气池；

（3）调整驱动力大小，空气池中的压缩空气膨胀将转移池中的流体挤出，因定量分流机构作用转移池中的部分流体经流体管路在止回机构的作用下进入混匀池，储液单元的铝箔液囊挤破，调整驱动力大小，储液单元内流体经流体管路进入混匀池，进行反应；

（4）调整驱动力大小，混匀池中的流体经流体管路进入下游反应腔的分配管道中，调整驱动力大小，使流体分别进入各个反应孔，进行反应。

27.根据权利要求26所述一种带自驱动单元的微流控方法，其特征在于，所述流体流动驱动装置选自：离心机、负压泵。

28.根据权利要求26所述一种带自驱动单元的微流控方法，其特征在于，所述驱动力选自：离心力、压力、重力。

29.根据权利要求26所述一种带自驱动单元的微流控方法，其特征在于，所述调整驱动力大小指降低或升高离心机转速、降低或升高负压泵的压力。

30.根据权利要求26所述一种带自驱动单元的微流控方法，其特征在于，所述反应选自：核酸提取反应、核酸释放反应、核酸扩增反应、细胞培养反应。

31.根据权利要求26所述一种带自驱动单元的微流控方法，其特征在于，所述流体样品选自反应液、或，待测样品；所述待测样品选自由细胞培养液、血液、拭子涮洗液、脑脊液、肺泡灌洗液、尿液组成的组。

32.权利要求25-31任一所述的一种带自驱动单元的微流控方法在核酸提取、和/或，核酸释放、和/或，核酸扩增检测、和/或，环境监测、和/或，食品检测、和/或，法医鉴定方面的应用。

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