基于微通道的液体混合芯片和方法
阅读说明：本技术 基于微通道的液体混合芯片和方法 (Microchannel-based liquid mixing chip and method ) 是由 冯一鸣 张罗 卜晨 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了基于微通道的液体混合芯片及方法,所述液体混合芯片包括基底和电极,所述基底采用绝缘材料；多个暂存模块设置在所述基底上,用于暂存液体；所述电极设置在所述暂存模块的外侧；阻碍模块设置在所述暂存模块和电极之间,用于阻碍所述暂存模块上的液体与所述电极接触；多个微通道的入口设置在所述暂存模块和电极之间,出口连通混合腔；混合腔设置在所述基底上。本发明具有液体消耗量少等优点。(The invention provides a liquid mixing chip based on a micro-channel and a method, wherein the liquid mixing chip comprises a substrate and an electrode, and the substrate is made of an insulating material; the temporary storage modules are arranged on the substrate and used for temporarily storing liquid; the electrode is arranged on the outer side of the temporary storage module; the blocking module is arranged between the temporary storage module and the electrode and is used for blocking the liquid on the temporary storage module from contacting with the electrode; inlets of the micro-channels are arranged between the temporary storage module and the electrodes, and outlets of the micro-channels are communicated with the mixing cavity; a mixing chamber is disposed on the base. The invention has the advantages of less liquid consumption and the like.)
技术领域
本发明涉及液体混合，特别涉及基于微通道的液体混合芯片和方法。
背景技术
微反应体系具有液体消耗量小、通量大、反应速度快以及易于集成化等特点，被广泛的应用于实际临床诊断和大规模药物筛选中，例如POCT和蛋白质结晶等。现有的微反应体系在处理多样本混合时，往往需要复杂的芯片结构或者使用移液管进行液滴操作。这样会导致芯片的设计成本增加和潜在的交叉污染，更重要的是，当处理更多液体的混合时，芯片设计会更加复杂，交叉污染的可能性加大。
传统的微反应体系一般采用以下结构：
1.封闭式的微流控芯片结构，不同的反应液利用外部动力(注射泵等)注入到特定的管道内流动，使得不同微体积反应也能够混合。为了实现多液体的精确混合往往需要多个柱塞泵，增加了整体仪器的成本，而且仪器很难实现小型化。
2.敞开式芯片结构，上表面利用油进行覆盖，防止微量液体的蒸发。在进行液体混合时，利用微量的加液器吸取芯片内的液滴进行混合，此种方法会引入交叉污染并且受限于加样器的根数，反应通量较难提升。
可控电润湿技术是利用在芯片下面集成多个可控电路，通过改变电路中的带点状态改变液滴的接触角，从而实现液滴的移动，分离等操作，但此种芯片由于需要多个单独控制的电路，控制系统较为复杂，而且通量不能够满足大规模筛选的需求。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种基于微通道的液体混合芯片。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于微通道的液体混合芯片，所述液体混合芯片包括基底和电极，所述基底采用绝缘材料；所述液体混合芯片还包括：
多个暂存模块，所述暂存模块设置在所述基底上，用于暂存液体；所述电极设置在所述暂存模块的外侧；
阻碍模块，所述阻碍模块设置在所述暂存模块和电极之间，用于阻碍所述暂存模块上的液体与所述电极接触；
多个微通道，所述微通道的入口设置在所述暂存模块和电极之间，出口连通混合腔；
混合腔，所述混合腔设置在所述基底上。
本发明的目的还在于提供了液体混合方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
根据本发明的液体混合芯片的液体混合方法，所述液体混合方法为：
(A1)带电体接触暂存模块内的液体；
(A2)所述带电体和电极间形成电场，暂存模块内的液体克服阻碍模块，接触所述电极；
在所述电场作用下，所述液体进入微通道内；
(A3)混合腔内接收各个微通道输送来的液体，液体在所述混合腔内混合。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.液体使用量少；
利用暂存模块和电极的设置，使得液体仅需纳升级就可以暂存在暂存模块，需要混合时，使用电泳技术即可使暂存的液体进入微通道内，显著地降低了液体使用量；
2.高通量；
在同一芯片上设计多个暂存模块，存在不同液体，配合毛细管电泳阵列实现多种液体的混合，显著地提高了分析通量；
3.结构简单、成本低；
利用毛细管电泳技术实现了纳升液体的输送，无需昂贵的泵，降低了结构复杂度和成本；
4.混合方式多选；
同一个暂存模块对应多个微通道，使得不同的混合腔连接不同的暂存模块，实现了不同液体的混合，如利用第一混合腔实现第一、第二和第三种液体的混合，暂存第一种液体的暂存模块利用第一微通道与第一混合腔连通，利用第二混合腔实现了第一、第四种液体的混合，暂存第一种液体的暂存模块利用第二微通道与第二混合腔连通，实现了液体混合方式的选择。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的液体混合芯片的结构简图；
图2是根据本发明实施例的液体混合芯片的另一结构简图。
具体实施方式
图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1给出了本发明实施例的基于微通道的液体混合芯片的结构简图，如图1所示，所述基于微通道的液体混合芯片包括：
基底11，所述基底11采用绝缘材料；
多个暂存模块，如第一暂存模块21、第二暂存模块41、第三暂存模块51和第四暂存模块61，暂存模块设置在所述基底11上，用于暂存液体；
电极，如第一电极21、第二电极42、第三电极52和第四电极62，电极设置在暂存模块的外侧；
阻碍模块，所述阻碍模块设置在暂存模块和电极之间，用于阻碍暂存模块上的液体与所述电极接触；
多个微通道，如第一微通道31、第二微通道33、第三微通道35和第四微通道37，微通道的入口(如第一入口32、第二入口34、第三入口36和第四入口38)设置在暂存模块和电极之间，出口连通第一混合腔81；
第一混合腔81，所述第一混合腔81设置在所述基底11上，多个暂存模块环绕第一混合腔81。
为了提高混合通量，进一步地，混合腔为多个，如第一混合腔81和其它混合腔，任一混合腔通过微通道与多个暂存模块连接，任意二个混合腔连接的暂存模块具有不同。
为了适应一种液体与其它不同液体的混合，进一步地，多个电极环绕同一个暂存模块，在任一电极和暂存模块间设置微通道的入口；与同一个暂存模块连接的多个微通道的出口连通不同的混合腔。
为了防止暂存模块上的液体在非混合时进入微通道，进一步地，所述微通道的入口设置在所述阻碍模块处。
为了降低结构复杂度及提高可靠性，进一步地，所述阻碍模块采用疏水层，所述疏水层设置在所述暂存模块和电极之间的基底表面。
为了降低结构复杂度及提高可靠性，进一步地，所述暂存模块是设置在所述基底表面的亲水层。
为了降低结构复杂度及提高可靠性，进一步地，所述暂存模块是形成在所述基底上的槽，自下而上地，所述槽的内径变大，所述电极的内径大于所述槽的最大内径。
本发明实施例的液体混合方法，也即根据本实施例的液体混合芯片的工作方法，所述液体混合方法包括以下步骤：
(A1)带电体接触暂存模块内的液体；
(A2)所述带电体和电极间形成电场，暂存模块内的液体克服阻碍模块，接触所述电极；
在所述电场作用下，所述液体进入微通道内；
(A3)混合腔内接收各个微通道输送来的液体，液体在所述混合腔内混合。
为了实现同一种液体与不同液体间的混合，进一步地，在步骤(A1)中，选择拟混合的多种液体，并根据选择的液体选择微通道和混合腔；
在步骤(A2)中，根据选择的微通道而给与该微通道对应的电极供电。
实施例2：
根据本发明实施例1的基于微通道的液体混合芯片及方法的应用例。
在该应用例中，如图1所示，基底11采用绝缘的玻璃，通过溅射等方式在基底11表面形成多个环形电极，包括第一电极22、第二电极42、第三电极52和第四电极62；
四个暂存模块，包括第一暂存模块21、第二暂存模块41、第三暂存模块51和第四暂存模块61，每一暂存模块的结构为：在环形电极内侧的基底11上加工出凹槽，自下而上地，凹槽的内径变大，环形电极的内径大于所述槽的最大内径(槽的顶端的内径)；在槽的临着电极31的区域设置阻碍模块，如疏水层，防止了非进样时液体接触电极；
微通道，包括第一微通道31、第二微通道33、第三微通道35和第四微通道37，每个微通道的内壁具有亲水层，微通道的入口(如第一入口32、第二入口34、第三入口36和第四入口38)设置在阻碍模块处；
第一混合腔81通过第一微通道31、第二微通道33、第三微通道35和第四微通道37连接各个暂存模块。
本发明实施例的液体混合方法，也即根据本发明实施例的液体混合芯片的工作方法，所述液体混合方法包括以下步骤：
(A1)呈矩阵式的带电体分别接触四个暂存模块内的液体；
(A2)所述带电体和环形电极间形成电场，如电场分别形成在第一带电体和第一电极22之间，第二带电体和第二电极42之间，第三带电体和第三电极52之间，第四带电体和第四电极62之间，暂存模块内的液体克服阻碍模块，接触环形电极；
在所述电场作用下，暂存液体进入微通道内，具体为：穿过第一入口32进入第一微通道31、穿过第二入口34进入第二微通道33、穿过第三入口36进入第三微通道35和穿过第四入口38进入第四微通道37；
(A3)第一混合腔81内接收各个微通道输送来的液体，液体在所述第一混合腔81内混合。
实施例3：
根据本发明实施例1的液体混合芯片和方法的应用例，与实施例2不同的是：
如图2所示，部分暂存模块外侧不是环形电极，第二电极42和第五电极43分别设置在第二暂存模块41的外侧，并相互隔离，第二入口34和第二电极42对应，第五入口30与第五电极63对应；第四电极62和第六电极63分别设置在第四暂存模块61的外侧，并相互隔离，第四入口38和第四电极62对应，第六入口39与第六电极63对应；
第二暂存模块41、第四暂存模块61、第五暂存模块71和第六暂存模块91分别通过微通道与第二混合腔82连接。
本发明实施例的液体混合方法，也即根据本发明实施例的液体混合芯片的工作方法，所述液体混合方法包括以下步骤：
(A1)选择拟混合的多种液体，并根据选择的液体选择微通道和混合腔；
如选择第一暂存模块21、第二暂存模块41、第三暂存模块51和第四暂存模块61内的液体混合，则选择第一混合腔81、第一微通道31、第二微通道33、第三微通道35和第四微通道37；
呈矩阵式的带电体分别接触四个暂存模块内的液体；
(A2)根据选择的微通道而给与该微通道对应的电极供电，给第一电极22、第二电极42、第三电极52和第四电极62供电(第五电极43和第六电极63不供电)，使得所述带电体和电极间形成电场，具体分别形成在第一带电体和第一电极22之间，第二带电体和第二电极42之间，第三带电体和第三电极52之间，第四带电体和第四电极62之间，暂存模块内的液体克服阻碍模块，接触电极；
在所述电场作用下，暂存液体进入微通道内，具体为：穿过第一入口32进入第一微通道31、穿过第二入口34进入第二微通道33、穿过第三入口36进入第三微通道35和穿过第四入口38进入第四微通道37；
(A3)第一混合腔81内接收各个微通道输送来的液体，液体在所述第一混合腔81内混合。
上述液体混合方法中，如选择第二暂存模块41、第四暂存模块61、第五暂存模块71和第六暂存模块91内的液体混合，则选择第二混合腔82以及分别与第二暂存模块41、第四暂存模块61、第五暂存模块71和第六暂存模块91连接的微通道；
给第二电极42、第四电极62，第五暂存模块71和第六暂存模块91外的电极供电(第五电极43和第六电极63不供电)，使得所述带电体和电极间形成电场，四个暂存模块内的液体分别通过微通道进入第二混合腔82。
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