阅读说明：本技术 反应腔模块及微流控芯片 (Reaction cavity module and micro-fluidic chip ) 是由 葛胜祥 张师音 苏晓崧 张东旭 闵小平 张建中 张雅 郭清顺 张军 夏宁邵 于 2018-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种反应腔模块及微流控芯片。其中,反应腔模块包括：模块主体；反应腔,设于所述模块主体内,所述反应腔的底部向下凸出；液流通道,设于所述模块主体内,其第一端经由所述反应腔的底部的最低端与所述反应腔连通,第二端与所述模块主体的外部连通；以及气流通道,设于所述模块主体内,其第一端经由所述反应腔的顶部与所述反应腔气体连通,其第二端与所述模块主体的外部气体连通。本发明中的反应腔可以做成大容量的容积空间,用于容纳反应试剂并为其提供反应空间支持。(The invention relates to a reaction cavity module and a micro-fluidic chip. Wherein, the reaction chamber module includes: a module body; the reaction cavity is arranged in the module main body, and the bottom of the reaction cavity protrudes downwards; the liquid flow channel is arranged in the module main body, the first end of the liquid flow channel is communicated with the reaction cavity through the lowest end of the bottom of the reaction cavity, and the second end of the liquid flow channel is communicated with the outside of the module main body; and the airflow channel is arranged in the module main body, the first end of the airflow channel is in gas communication with the reaction cavity through the top of the reaction cavity, and the second end of the airflow channel is in gas communication with the outside of the module main body. The reaction chamber of the present invention may be formed as a large volume space for holding and providing reaction space support for the reaction reagents.)

反应腔模块及微流控芯片

技术领域

本发明涉及微流控检测领域，尤其涉及一种反应腔模块及微流控芯片。

背景技术

微流控芯片技术由于其高集成性、强自动化特性，越来越多地应用于临床检测项目的POCT(point-of-care testing，即时检验)化。为将现有试剂体系移植到微流控平台上，需要对应大容积的反应腔支持。

大容积的反应腔存在的问题为：1)过大的反应腔体积不利于试剂的均匀输入，容易发生气泡堵塞从而造成反应体系在反应腔中的不均匀分布；2)一般的大容积反应腔难以实现废液的完全排出，从而造成反应腔中的废液残留，提高了洗液的用量，并且容易引起错误的检测结果。

目前来说，国内外微流控检测系统厂商主要采用软性反应腔或微型反应腔来解决该问题。但软性反应腔的样本裂解效率较低，且仪器控制较为复杂；而微型反应腔需要匹配一种具备专利技术的样本富集膜使用，成本极高。

发明内容

本发明的其中一个目的是提出一种利于废液排净的反应腔模块及微流控芯片。

为实现上述目的，本发明提供了一种反应腔模块，其包括：模块主体；反应腔，设于所述模块主体内，所述反应腔的底部向下凸出；液流通道，设于所述模块主体内，其第一端经由所述反应腔的底部的最低端与所述反应腔连通，第二端与所述模块主体的外部连通；以及气流通道，设于所述模块主体内，其第一端经由所述反应腔的顶部与所述反应腔气体连通，其第二端与所述模块主体的外部气体连通。

可选地，反应腔模块包括导能结构，设于所述反应腔所在位置的所述模块主体的外侧，用于与向所述反应腔内提供振动能量的设备接触，以将能量传递到所述反应腔内。

可选地，所述反应腔包括圆柱形反应腔，所述圆柱形反应腔的径向为所述反应腔的顶部与底部之间的方向，所述圆柱形反应腔的轴向为所述反应腔的相对两侧部之间的方向。

可选地，所述液流通道包括与所述圆柱形反应腔的底部相切的通道段，和/或，所述气流通道包括与所述圆柱形反应腔的顶部相切的通道段。

可选地，反应腔模块包括缓冲部，所述缓冲部的一端与所述圆柱形反应腔的顶部相切，另一端连通所述圆柱形反应腔。

可选地，反应腔模块包括导能结构，设于所述模块主体的外侧，且位于所述圆柱形反应腔的中轴线上，用于与向所述圆柱形反应腔内提供振动能量的设备接触，以将能量传递到所述圆柱形反应腔内。

可选地，所述导能结构呈圆柱形、圆锥形或半球形。

可选地，所述导能结构包括所述模块主体一侧在与所述反应腔对应的位置设置的向外侧凸起的壁面。

可选地，反应腔模块包括过滤腔，设于所述气流通道，其内填充有用于对气体进行过滤的材料。

可选地，所述模块主体内设有一个以上所述反应腔，各所述反应腔均配备设有所述液流通道和气流通道。

为实现上述目的，本发明提供了一种微流控芯片，其包括上述的反应腔模块。

可选地，微流控芯片包括用于向所述反应腔模块中的反应腔内提供振动能量的设备。

可选地，所述提供振动能量的设备包括超声波换能器、偏心振子或电磁换能器。

基于上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

在一些实施例中，模块主体内设置反应腔，反应腔的底部向下凸出，利于废液从反应腔的底部排出，反应腔可以做成大容量的容积空间，用于容纳反应试剂并为其提供反应空间支持。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1(a)为本发明一些实施例提供的反应腔模块的基板的主视示意图。

图1(b)为本发明一些实施例提供的反应腔模块的基板的后视示意图。

图2为本发明一些实施例提供的反应腔模块的组装示意图。

图3为本发明一些实施例提供的基板的侧面示意图。

图4为本发明另一些实施例提供的反应腔模块的组装示意图。

图5(a)为本发明一些实施例提供的反应腔模块的第一导能结构的示意图。

图5(b)为图5(a)的剖视示意图。

图6(a)为本发明一些实施例提供的反应腔模块的第二导能结构的示意图。

图6(b)为图6(a)的剖视示意图。

图7(a)为本发明一些实施例提供的反应腔模块的第三导能结构的示意图。

图7(b)为图7(a)的剖视示意图。

图8(a)为本发明一些实施例提供的反应腔模块的第四导能结构的示意图。

图8(b)为图8(a)的剖视示意图。

图9为本发明一些实施例提供的反应腔模块包括缓冲槽的示意图。

图10为本发明一些实施例提供的反应腔模块与提供振动能量的设备配合工作示意图。

图11为图10的局部剖视示意图。

附图中标号：

1-模块主体；11-基板；12-背板；

2-反应腔；

3-液流通道；31-第一通孔；

4-气流通道；41-第二通孔；

5-导能结构；

6-缓冲部；

7-过滤腔；71-过滤填充物；

8-提供振动能量的设备。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～9所示，为一些实施例提供的反应腔模块的示意图。

在一些实施例中，如图1(a)、图1(b)所示，反应腔模块包括模块主体1。

在一些实施例中，反应腔模块包括反应腔2，反应腔2设于模块主体1内，反应腔2的底部向下凸出，利于废液从反应腔2的底部排出。

由于反应腔2的底部向下凸出，利于废液从反应腔2的底部排出，因此，反应腔2可以做成大容量的容积空间，用于容纳反应试剂并为其提供反应空间支持。

在一些实施例中，如图1(a)所示，反应腔模块包括液流通道3，液流通道3设于模块主体1内。液流通道3的第一端经由反应腔2的底部的最低端与反应腔2连通。液流通道3的第二端与模块主体1的外部连通。进一步地，液流通道3的第二端位于反应腔2的上方。液流通道3用于向反应腔2内通入反应试剂，且用于将反应腔2内的试剂引出。

在一些实施例中，反应腔模块包括气流通道4，气流通道4设于模块主体1内。气流通道4的第一端经由反应腔2的顶部与反应腔2气体连通，气流通道4的第二端与模块主体1的外部气体连通。进一步地，气流通道4的第二端位于反应腔2的上方。气流通道4用于平衡反应腔2内的气压。

上述实施例中的反应腔2结合液流通道3和气流通道4，可解决大容量反应腔废液难以排净的问题，可实现大容积的试剂混合与反应；具备容纳反应体系、混匀反应体系及排出废液功能，应用范围广，兼容大部分生化反应。

在一些实施例中，反应腔模块的模块主体1内可以设置一个以上反应腔2，各反应腔2均配备设有液流通道3和气流通道4。反应腔2的容积可以根据需要进行调整，结构简单，通用性强，大大降低了微流控芯片的制造成本，拓展了微流控芯片的应用范围，利于实现微流控芯片的工业化批量生产，适用于临床检测领域。

在一些实施例中，如图2所示，模块主体1包括用于形成反应腔主体的基板11和用于密封的背板12。可选地，基板11可以通过胶粘、超声、热压等键合方式与背板12相贴合。

如图2所示，基板11与背板12贴合的一面向基板11的内部挖入凹槽，用于与背板12配合形成反应腔2，凹槽的深度及尺寸与对应的检测反应体系相对应。可选地，凹槽的截面可以为圆形。

基板11上还向基板11的内部挖设用于形成液流通道3的第一条形槽，第一条形槽的第二端设有第一通孔31(如图1(b)所示)，第一通孔31用于与外部设备连通。基板11上还向基板11的内部挖设用于形成气流通道4的第二条形槽，第二条形槽的第二端设有第二通孔41(如图1(b)所示)，第二通孔41用于向反应腔2内通气，以平衡反应腔2内的气压。

在一些实施例中，如图4所示，反应腔2包括圆柱形反应腔，圆柱形反应腔的圆形截面的径向为反应腔2的顶部与底部之间的方向，圆柱形反应腔的轴向为反应腔2的相对两侧部之间的方向。

在一些实施例中，背板12为硬面，其另一侧与背板12贴合而成的基板11为弹性面。可选地，基板11采用塑料材料制成，基板11从一侧挖入一个圆柱形槽作为反应腔主体，由于圆柱形槽的圆形截面的径向为反应腔2的顶部和底部方向，因此，并在反应腔2的底部(正下方)及顶部(正上方)分别引出两条管路作为液流通道3及气流通道4。之后，如图2所示，将基板11及背板12进行键合组装即可。

在一些实施例中，液流通道3包括与圆柱形反应腔的底部相切的通道段。

在一些实施例中，气流通道4包括与圆柱形反应腔的顶部相切的通道段。或者，气流通道4直接连接于圆柱形反应腔的顶部最高点。

在一些实施例中，如图9所示，反应腔模块包括缓冲部6，缓冲部6为设于反应腔2顶部的腔体，缓冲部6的一端与圆柱形反应腔的顶部相切，另一端连通圆柱形反应腔。进一步地，缓冲部6的深度小于反应腔2的深度。

或者，在一些实施例中，反应腔2为下半部为圆柱形，上半部为方形的结构。反应腔2上半部的方形结构的两侧也相当于缓冲部6，能够起到缓冲的作用。

在一些实施例中，通过在反应腔2的顶部设置缓冲部6，利于抑制可能发生的由于毛细现象及边缘效应导致的试剂从气流通道4泄露的问题。或者，将圆柱形反应腔设置成下半部为圆柱形，上半部为方形的结构，以此抑制由于边缘效应及毛细效应所引起的反应体系流失。

在一些实施例中，如图5～8所示，反应腔模块包括导能结构5，导能结构5设于反应腔2所在位置的模块主体1的外侧，且向模块主体1的外侧凸起，用于与向反应腔2内提供振动能量的设备8接触，以将能量传递到反应腔2内。

在提供振动能量的设备8等外力辅助的条件下，利于实现反应腔2内各种试剂组分的高效率混匀；反应效率高。结合能量传导的导能结构5，可高效地将外部的设备8提供的振动能量转移至反应腔2内，辅助反应的进行。解决了过大的反应腔容积不利于试剂的均匀输入，容易发生气泡堵塞从而造成反应体系在反应腔中的不均匀分布的问题。

进一步地，导能结构5设于背板12的表面，以加强外部能量的导入效率。

在一些实施例中，导能结构5设于模块主体1的外侧，且位于圆柱形反应腔的中轴线上，用于与向圆柱形反应腔内提供振动能量的设备8接触，以将能量传递到圆柱形反应腔内。导能结构5与提供振动能量的设备8配合，且导能结构5位于圆柱形反应腔的中轴线上，利于实现外部能量的高效传导，且反应腔为圆柱形利于能量传导均匀。

在一些实施例中，导能结构5呈圆柱形(如图5(a)、图5(b)所示)。圆柱形的导能结构5的半径不大于圆柱形的反应腔2的半径的1/3。在反应腔2的硬面一侧的圆心处设置一个小圆柱体(导能结构5)作为与提供振动能量的设备8的接触点，可增强导入能量的效率，从而提高反应的效率。

在一些实施例中，导能结构5还可以呈圆锥形(如图6(a)、图6(b)所示)。

在一些实施例中，导能结构5还可以呈半球形(如图7(a)、图7(b)所示)。

在一些实施例中，导能结构5还可以为模块主体1在与反应腔2对应的位置设置的向外侧凸起的壁面(如图8(a)、图8(b)所示)，以增加能量传导效率。导能结构5可通过将硬面(背板12)加工为外凸的壁面实现。外凸壁面的半径可小于等于反应腔主体的半径。

可以理解的是，导能结构5采用向外凸起、可减小与外部设备8接触面积的结构，可将外部设备8提供的超声等辅助能量更为高效地导入反应腔2中，辅助反应的进行。

如图10、图11所示，反应腔模块工作时，通过导能结构5与超声换能器(属于提供振动能量的设备8)探头紧密接触，即可实现将超声换能器或其他换能器的能量高效导入反应腔2中参与反应的发生。换能器的运动轨迹为二维水平运动，并且该运动的轨迹与模块主体1垂直。

在一些实施例中，如图3、图4所示，反应腔模块包括过滤腔7，过滤腔7设于气流通道4，其内填充有用于对气体进行过滤的过滤填充物71。

在一些实施例中，沿气流通道4中气流的流动，气流通道4上可设有数个膨大的空腔作为过滤腔7，以填充过滤填充物71，可简单地实现对排出反应腔2或推入反应腔2的空气实施过滤，以避免外部空气及反应腔2内的反应体系的相互污染。

综上各个实施例，本公开中的反应腔2利于废液排出，模块主体1内的反应腔2的容积和个数均可以根据实际需要进行调节，可以提供大容量的反应腔，例如容积可达200uL以上，并且其依赖重力的废液排除结构可避免废液的残留。并且其基于能量高效传导的反应腔侧面的导能结构5，可以为反应体系引入振动能量，以提高混匀效率与样本裂解效率。

下面通过反应腔模块的具体实施例，详细描述反应腔模块的具体结构。

在该具体实施例中，反应腔模块具备反应体系盛装、混匀及反应废液排出的功能。反应腔模块包括基板11、背板12。基板11从一面向内挖入，形成一个圆柱形的反应腔主体，其容积与反应体系体积相关。同时，从反应腔2底部的水平切线处引出一条液流管道(即用于形成液流通道3的管道)，并在液流管道高于反应腔顶点的位置打通至基板11背面(即第一通孔31)。另一方面，从反应腔的顶点处向上引出另一条气压平衡管道(即用于形成气流通道4的管道)，气压平衡管道的末端穿透基板11至背面形成开口(即第二通孔41)。背板12通过胶粘、超声、热压等键合方式，与基板11相贴合，封闭管路与反应腔。

在该具体实施例中，反应腔模块的模块主体1包括基板11及背板12。其中，基板11的主体尺寸为33mm*23mm*3mm，材质为PC；背板12的尺寸为33mm*23mm*0.3mm，材质为PC。

在该具体实施例中，反应腔2为圆柱形，其尺寸为半径R＝6mm，轴向尺寸h＝2mm。对应的液流通道3和气流通道4的尺寸均为宽度0.5mm，深度1mm。

在该具体实施例中，第一通孔31和第二通孔41的尺寸为半径R＝0.5mm，深度3mm。

在第一具体实施例中，第二通孔41与反应腔2的顶部最高点的间距14mm，液流通道3与反应腔2的底部相切的流道段的长度为10mm。通过热压、胶粘或超声键合等方式将基板11与背板12贴合成型。

第二具体实施例在第一具体实施例的基础上，在气流通道4的中部设置一过滤腔7。过滤腔7为长条形，两端为一半径R＝1.5mm半圆，中间部长5mm，深度2mm。与其配套的滤芯尺寸及外形与过滤腔7相同，其材料可为滤纸、海绵、醋酸纤维等具备吸附、过滤作用的纤维编织物或有机高聚物组成的带孔结构体。可选地，滤芯选用多层滤纸。将滤芯压入过滤腔7中，然后再通过热压的方式将基板11及背板12贴合，即完成反应腔芯片的组装。

采用外部能量辅助的方式，增强反应腔中试剂的混匀效率。该外部能量可为超声、机械振动、偏心振子、电磁换能器等可在一个平面上完成往复振动的机械换能器。优选的为超声探头。

在第三、四、五具体实施例中，为增强反应腔对能量的导入，减小在能量传递过程中的损失，在基板11背面分别引入了圆柱、圆锥及半球形的导能结构5。导能结构5位于反应腔背面正中心处，底面半径1.5mm，高1.0mm。其作用为通过增大压力、并同时减小芯片与换能器的接触面积，增大其能量传导效率。

在第六具体实施例中，将反应腔的基板面设置为一略具曲度的曲面作为导能结构5，曲面半径36.5mm，曲面角9.5°。

在第七具体实施例中，为抑制反应过程中反应体系沿圆柱形反应腔边缘，通过毛细现象及液体的边缘效应向上流失的状况，将反应腔的上半部分更改为方形。方形与圆柱形反应腔的两侧及上边相切，即高度6mm，长度12mm，深度1mm。

反应腔模块包括独立的大容量反应腔，可独立使用，也可整合于任意的微流控反应检测芯片中作为芯片的主要或次要反应机构使用。

一些实施例提供了一种微流控芯片，其包括上述的反应腔模块。

针对现有微流控检测芯片系统难以满足大容量反应腔的问题，提供一种结构简单，可通过开模快速成型的反应腔模块。该反应腔模块中的反应腔可实现200uL以上反应体积的无缝对接，高效的反应体系混匀，反应废液的完全排出。同时，该反应腔模块可与任意反应芯片进行整合，具备极强的泛用性；可开模，具备极高的经济性。该反应腔模块的应用，可大幅提升微流控检测芯片在临床的应用价值。

在一些实施例中，微流控芯片包括用于向反应腔模块中的反应腔2内提供振动能量的设备8。该振动能量可通过超声、机械振动、声波等换能器实现。

在一些实施例中，提供振动能量的设备8包括超声波换能器、偏心振子、电磁换能器。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。