一种微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置及混匀控制方法
阅读说明：本技术 一种微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置及混匀控制方法 (Micro-fluidic device for realizing material mixing in micro-fluidic chip and mixing control method ) 是由 林宝宝 邹瑜亮 李保 杨毅 于 2021-10-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置及混匀控制方法,包括微流控芯片本体以及分别用于容纳不同物料的第一容纳瓶体及第二容纳瓶体,微流控芯片本体内构造有微流控管道,第一容纳瓶体及第二第一容纳瓶体分别对应设置有具有针口的针体,两个容纳瓶体通过分别具有的针体与微流控管道能够形成连通,第一容纳瓶体、第二容纳瓶体能够在轴向力的作用下沿瓶套的轴向直线运动以使针体由第一密封状态转换为流通状态,第二密封组件能够在轴向力的作用下靠近第一密封组件以使物料释放。本发明,两个容纳瓶体内的物料能够在彼此之间流动实现物料的均匀混合,进而保证检测结果的准确性。(The invention provides a microfluidic device for realizing material mixing in a microfluidic chip and a mixing control method, wherein the microfluidic device comprises a microfluidic chip body, a first containing bottle body and a second containing bottle body, wherein the first containing bottle body and the second containing bottle body are respectively used for containing different materials, a microfluidic pipeline is constructed in the microfluidic chip body, a needle body with a needle opening is respectively and correspondingly arranged on the first containing bottle body and the second containing bottle body, the two containing bottle bodies can be communicated with the microfluidic pipeline through the needle bodies respectively, the first containing bottle body and the second containing bottle body can linearly move along the axial direction of a bottle sleeve under the action of axial force so that the needle bodies are converted into a circulation state from a first sealing state, and a second sealing component can be close to the first sealing component under the action of the axial force so that the materials are released. According to the invention, the materials in the two accommodating bottles can flow between each other to realize uniform mixing of the materials, so that the accuracy of the detection result is ensured.)
技术领域
本发明属于生物实验用耗材技术领域，具体涉及一种微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置及混匀控制方法。
背景技术
分子诊断是通过检测人体内的生物分子，包括核酸、蛋白以及糖类等其他物质的含量、类型、编码信息，并结合生物分子学的相关内容的一种综合、全方位的临床诊断技术，其目前主要应用在遗传病的诊断、传染病的控制以及肿瘤治疗领域。然而，从患者采集到的样本一般较为复杂，包含多种对检测有抑制的物质或者干扰的物质，因此需要较多的前处理流程，以实现被检测物质的纯化，进而进行定性或者定量的检测。传统的分子诊断流程一般是将临床样本转移到具有相关资质的检测实验室，依托实验室的相关设备以及专业的操作人员进行样本的前处理，并统一上机进行生化检测或者分析。在这个过程中，会耽误很长的时间，对于一些突发性的疾病、大规模传染性的疾病以及复杂的疾病很难做到即时即地的检测。此外，由于这样的检测实验室需要昂贵的检测仪器与专业的实验员，对于一些资源匮乏的地区，很难推广开来。
微流控技术的出现很好地解决了分子诊断中的一些问题，微流控芯片将生化检测中的各个模块微型化，并通过微管道将各个模块集成在一起。芯片在配套的仪器控制下实现流体的精确分配、反应物的加热、试剂混匀以及荧光检测等操作，从而在短时间内以低廉的价格完成了传统实验室中需要复杂耗时耗力的检测，实现了真正的“样本进-结果出”。但在芯片上要想实现高效率的扩增，其中的一个重要难点就是试剂的混匀，一般来说整个芯片是全封闭的，而且芯片的管道较窄，需要混匀的试剂也较少，很难保证试剂的均匀性，从而也无法保证检测的准确性。因此，只有通过控制流体的运动，保证各个步骤之间物料的充分、高效的混合，才能避免现有技术中存在诸如成本高、灵敏度差、结构复杂、操作和相关检测设备过于复杂等问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置及混匀控制方法，容纳瓶体与微流控芯片集成于一体，两个容纳瓶体内的物料能够在彼此之间流动实现物料的均匀混合，进而保证检测结果的准确性。
为了解决上述问题，本发明提供一种微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置，包括微流控芯片本体以及分别用于容纳不同物料的第一容纳瓶体及第二容纳瓶体，所述微流控芯片本体内构造有微流控管道，所述第一容纳瓶体及第二容纳瓶体分别处于设于所述微流控芯片本体上的瓶套内，且所述第一容纳瓶体及第二第一容纳瓶体分别对应设置有具有针口的针体，两个容纳瓶体通过分别具有的所述针体与所述微流控管道能够形成连通，所述第一容纳瓶体的轴向第一端及第二端分别连接有第一密封组件及第二密封组件以形成所述第一容纳瓶体的内部密封容纳空间，所述第二容纳瓶体为底部密封瓶体且口部固定连接有所述第一密封组件，所述针体具有所述针口处于所述第一密封组件内的第一密封状态、所述针口处于所述内部密封容纳空间内的流通状态，所述第一容纳瓶体、第二容纳瓶体能够在轴向力的作用下沿所述瓶套的轴向直线运动以使所述针体由第一密封状态转换为流通状态，所述第二密封组件能够在所述轴向力的作用下靠近所述第一密封组件以使所述物料释放。
优选地，所述针体还具有所述针口处于所述第二密封组件内的第二密封状态，所述第二密封组件还能够在所述轴向力的作用下使所述针体由流通状态切换为第二密封状态。
优选地，所述第一密封组件包括第一胶塞、保护罩盖，所述针体处于所述第一密封状态时，所述针口处于所述第一胶塞内；所述第二密封组件包括第二胶塞以及处于所述第二胶塞背离所述第一胶塞一侧的硬质垫片，所述针体处于所述第二密封状态时，所述针口处于所述第二胶塞内。
优选地，所述第一端为缩口结构，所述第一胶塞为第一凸字胶塞，所述第一凸字胶塞的凸字凸出部嵌装于所述缩口结构内；和/或，所述第二胶塞的外圆周壁上设置有密封凸环；和/或，所述容纳瓶体的第二端的内圆周壁上具有朝向所述容纳瓶体的径向内侧凸起的第一止挡环，所述第一止挡环的环体内圆直径小于所述第二胶塞的外圆直径。
优选地，所述第二胶塞为第二凸字胶塞，所述第二凸字胶塞的凸字凸出部的形状能够与所述缩口结构的形状相匹配，以将所述内部密封容纳空间内的物料经由所述针口完全释放排出。
优选地，所述瓶套远离所述微流控芯片本体的一端具有沿其径向向内凸起的第二止挡环；和/或，所述针口处于所述针体的圆周侧壁上。
优选地，所述第一容纳瓶体为两个，所述微流控管道具有不连通的两段，其中的一段所述微流控管道能够将两个所述第一容纳瓶体中的一个与所述第二容纳瓶体连通，另一段所述微流控管道能够将两个所述第一容纳瓶体中的另一个与所述第二容纳瓶体连通。
本发明还提供一种微流控装置的混匀控制方法，用于控制上述的微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置，包括：
控制施加轴向力于所述第一容纳瓶体具有的第二密封组件以及所述第二容纳瓶体的瓶底以使所述第一容纳瓶体、第二容纳瓶体靠近所述针体运动，使所述针体分别由所述第一密封状态转换为流通状态；
控制解除对所述第二容纳瓶体的瓶底施加的轴向力，并继续施加轴向力于所述第一容纳瓶体的第二密封组件，在与之相应的针体由流通状态转换为第二密封状态之前解除对所述第二密封组件的轴向力施加，并在预设时间后再次施加轴向力于所述第二密封组件上，如此间隔施加轴向力预设次数后，控制解除对所述第一容纳瓶体的第二密封组件施加的轴向力。
本发明还提供一种微流控装置的混匀控制方法，用于控制上述的微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置，包括：
控制施加轴向力于两个所述第一容纳瓶体及所述第二容纳瓶体分别具有的第二密封组件使相应的容纳瓶体靠近所述针体运动，并使所述针体分别由所述第一密封状态转换为流通状态；
控制解除对第二个容纳瓶体的第二密封组件施加的轴向力，并继续施加轴向力于第一个容纳瓶体的第二密封组件以迫使其中的物料经由所述第二容纳瓶体流入所述第二个容纳瓶体内，直至在与之相应的针体由流通状态转换为第二密封状态之前解除对其的轴向力施加；
控制施加轴向力于所述第二个容纳瓶体具有的第二密封组件使所述第二个容纳瓶体具有的第二密封组件靠近所述针体运动，以迫使其中的物料经由所述第二容纳瓶体流入所述第一个容纳瓶体内，直至在与之相应的针体由流通状态转换为第二密封状态之前解除对其的轴向力施加，并再次施力于所述第一个容纳瓶体的第二密封组件，如此交替施加轴向力预设次数后，控制所述第一个容纳瓶体与第二个容纳瓶体中的一个相应具有的针体由流通状态转换为第二密封状态后，解除对所述第一个容纳瓶体与第二个容纳瓶体的轴向力施加。
本发明提供的一种微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置及混匀控制方法，容纳瓶体以及所述第二密封组件能够在所述轴向力的作用下靠近所述针体运动，并能够在运动过程中，所述针体由第一密封状态切换为流通状态，从而将所述物料由所述第一容纳瓶体释放至所述微流控管道中，并经由所述微流控管道进入另一个具有不同物料的第二容纳瓶体内，从而在实现微流控芯片与所述容纳瓶体之间的集成化设计的同时实现不同物料的自动化混合，并可以通过间隔施加轴向力于的第一容纳瓶体的第二密封组件及第二容纳瓶体内的压缩力上实现物料往复释放均匀混合，进而保证检测结果的准确性，微流控装置的自动化程度得到提高。
附图说明
图1为本发明实施例的微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置的局部结构示意图，图中示出了针体处于第一密封状态下的情形；
图2为图1中的局部放大示意图；
图3为图1中的针体的一种结构示意图；
图4为图1中的针体的另一种结构示意图；
图5为图1中的针体的再一种结构示意图；
图6示出了本发明实施例的微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置中的容纳瓶体受轴向力作用后的状态变化，其中(a)为针体处于第一密封状态，(b)及(c)为针体处于流通状态，(d)为针体处于第二密封状态，此过程实现了容纳瓶体内的物料在轴向力作用下释放流出并最终再次密封；
图7至图10示出了微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置内具有两个容纳瓶体的情况下，将两个容纳瓶体内的不同的物料混合过程中的各个容纳瓶体的状态示意，其中A瓶中的物料为液体S，B瓶中的物料为可溶解的液体S；
图11至图16示出了微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置内具有三个容纳瓶体的情况下，将三个容纳瓶体内的不同的物料混合过程中的各个容纳瓶体的状态示意，其中C瓶中的物料为可溶解的固体T，A瓶中的物料为液体S，B瓶中不设物料。
附图标记表示为：
1、微流控芯片本体；11、微流控管道；2、第一容纳瓶体；21、第一止挡环；3、瓶套；31、第二止挡环；4、针体；41、针口；51、第一胶塞；52、保护罩盖；61、第二胶塞；611、密封凸环；62、硬质垫片；9、第二容纳瓶体。
具体实施方式
结合参见图1至图16所示，根据本发明的实施例，提供一种微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置，包括微流控芯片本体1以及分别用于容纳不同物料(其中一种物料需为液态)的第一容纳瓶体2及第二容纳瓶体9，所述微流控芯片本体1内构造有微流控管道11，所述第一容纳瓶体2及第二容纳瓶体9分别处于设于所述微流控芯片本体1上的瓶套3内，且所述第一容纳瓶体2及第二第一容纳瓶体2分别对应设置有具有针口41的针体4，两个容纳瓶体通过分别具有的所述针体4与所述微流控管道11能够形成连通，所述第一容纳瓶体2的轴向第一端及第二端分别连接有第一密封组件及第二密封组件以形成所述第一容纳瓶体2的内部密封容纳空间，所述第二容纳瓶体9为底部密封瓶体且口部固定连接有所述第一密封组件，所述针体4具有所述针口41处于所述第一密封组件内的第一密封状态、所述针口41处于所述内部密封容纳空间内的流通状态，所述第一容纳瓶体2、第二容纳瓶体9能够在轴向力的作用下沿所述瓶套3的轴向直线运动以使所述针体4由第一密封状态转换为流通状态，所述第二密封组件能够在所述轴向力的作用下靠近所述第一密封组件以使所述物料释放，具体的，以使所述第一容纳瓶体2中的物料释放到所述第二容纳瓶体9中实现物料混合。该技术方案中，容纳瓶体以及所述第二密封组件能够在所述轴向力的作用下靠近所述针体运动，并能够在运动过程中，所述针体由第一密封状态切换为流通状态，从而将所述物料由所述第一容纳瓶体2释放至所述微流控管道中，并经由所述微流控管道进入另一个具有不同物料的第二容纳瓶体9内，从而在实现微流控芯片与所述容纳瓶体之间的集成化设计的同时实现不同物料的自动化混合，并可以通过间隔施加轴向力于的第一容纳瓶体2的第二密封组件及第二容纳瓶体9内的压缩力上实现物料往复释放均匀混合，进而保证检测结果的准确性，微流控装置的自动化程度得到提高。
需要说明的是，所述瓶套3能够对所述第一容纳瓶体2的径向位移形成约束，而不会限制所述第一容纳瓶体2的轴向位移。
在一些实施方式中，所述针体4还具有所述针口41处于所述第二密封组件内的第二密封状态，所述第二密封组件还能够在所述轴向力的作用下最终使所述针体4由流通状态切换为第二密封状态，具体的，在所述第一容纳瓶体2内的物料被释放完毕后，能够使所述针体4处于第二密封状态，也即实现所述针口41的再次密闭，能够适应所述微流控装置具有多个第一容纳瓶体2，且内部的物料的释放具备一定的顺序的情况，防止其他的容纳瓶体中的物料被释放进入已经释放完毕的容纳瓶体中而未进入或者仅部分进入所述需要进入的第一容纳瓶体2内。
所述第一密封组件以及第二密封组件的具体结构形式是多样的，但需要说明的是，所述第一密封组件由于不存在发生位移的需求，其可以采用固定密封的方式具体实现，具体例如，所述第一密封组件包括第一胶塞51、保护罩盖52，所述保护罩盖52例如可以为铝质盖体(具体材质的选择应以所述针体4能够顺畅扎破为原则)，此时所述针体4处于所述第一密封状态时，所述针口41处于所述第一胶塞51内。所述第二密封组件包括第二胶塞61以及处于所述第二胶塞61背离所述第一胶塞51一侧的硬质垫片62，所述针体4处于所述第二密封状态时，所述针口41处于所述第二胶塞61内，所述硬质垫片62应具备一定的刚度，其自身形变应较小以保证所述轴向力的有效传递。
在一些实施方式中，所述第一端为缩口结构，所述第一胶塞51为第一凸字胶塞，所述第一凸字胶塞的凸字凸出部嵌装于所述缩口结构内，从而实现了所述第一凸字胶塞通过自身的结构实现在所述第一容纳瓶体2的轴向上的定位，与此相适应的，所述第二胶塞61为第二凸字胶塞，所述第二凸字胶塞的凸字凸出部的形状能够与所述缩口结构的形状相匹配，以将所述内部密封容纳空间内的物料经由所述针口41完全释放排出，提高物料的利用率。
为了有效防止物料的泄露，优选地，所述第二胶塞61的外圆周壁上设置有密封凸环611，所述密封凸环611沿着所述第二胶塞61的轴向可以间隔设置多个。
在一些实施方式中，所述第一容纳瓶体2的第二端的内圆周壁上具有朝向所述第一容纳瓶体2的径向内侧凸起的第一止挡环21，所述第一止挡环21的环体内圆直径小于所述第二胶塞61的外圆直径，以能够防止所述第二胶塞61从所述第二端脱出所述第一容纳瓶体2，有效防止物料泄漏。所述瓶套3远离所述微流控芯片本体1的一端具有沿其径向向内凸起的第二止挡环31，能够将所述第一容纳瓶体2以及与之组装各个部件限制于所述瓶套3内，防止其脱出。
所述瓶套3靠近所述微流控芯片本体1的一端在所述第一容纳瓶体2被置于所述瓶套3内后再与所述微流控芯片本体1卡扣或者超声键合连接。
所述针口41可以开设在所述针体4的顶端，而优选地，所述针口41处于所述针体4的圆周侧壁上，具体如图3至图5所示出，如此，在所述针体4处于第一密封状态以及第二密封状态时，其如果受到微流控管道11内物料的反推压力时，会挤压胶塞的侧壁，不会产生向上的力，进而弹起胶塞，使其发生泄漏，也即，能够有效防止物料反推时胶塞弹起，从而保证针口41的密封效果，有效防止物料泄漏。
优选地，所述第一容纳瓶体2为两个，所述微流控管道11具有不连通的两段，其中的一段所述微流控管道11能够将两个所述第一容纳瓶体2中的一个与所述第二容纳瓶体9连通，另一段所述微流控管道11能够将两个所述第一容纳瓶体2中的另一个与所述第二容纳瓶体9连通，，两个所述第一容纳瓶体2中的一个中不设物料或者物料不同，如此能够实现更多种类的物料之间的混合。
根据本发明实施例，还提供一种微流控装置的混匀控制方法，用于控制上述具有一个第一容纳瓶体2及第二容纳瓶体9的微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置，包括：
控制施加轴向力于所述第一容纳瓶体2具有的第二密封组件以及所述第二容纳瓶体9的瓶底以使所述第一容纳瓶体2、第二容纳瓶体9靠近所述针体4运动，使所述针体4分别由所述第一密封状态转换为流通状态；
控制解除对所述第二容纳瓶体9的瓶底施加的轴向力，并继续施加轴向力于所述第一容纳瓶体2的第二密封组件，在与之相应的针体4由流通状态转换为第二密封状态之前解除对所述第二密封组件的轴向力施加，并在预设时间后再次施加轴向力于所述第二密封组件上，如此间隔施加轴向力预设次数后，控制解除对所述第一容纳瓶体2的第二密封组件施加的轴向力。
根据本发明实施例，还提供一种微流控装置的混匀控制方法，用于控制上述的具有两个第一容纳瓶体2及一个第二容纳瓶体9的微流控芯片中实现物料混匀的微流控装置，包括：
控制施加轴向力于两个所述第一容纳瓶体2及所述第二容纳瓶体9分别具有的第二密封组件使相应的容纳瓶体靠近所述针体4运动，并使所述针体4分别由所述第一密封状态转换为流通状态；
控制解除对第二个容纳瓶体的第二密封组件施加的轴向力，并继续施加轴向力于第一个容纳瓶体的第二密封组件以迫使其中的物料经由所述第二容纳瓶体9流入所述第二个容纳瓶体内，直至在与之相应的针体4由流通状态转换为第二密封状态之前解除对其的轴向力施加，其中所述第一个容纳瓶体为两个所述第一容纳瓶体2中初始有物料的一个(或者第一种物料的一个)，所述第二个容纳瓶体为两个所述第一容纳瓶体2中初始无物料的一个(或者第二种物料的一个)；
控制施加轴向力于所述第二个容纳瓶体具有的第二密封组件使所述第二个容纳瓶体具有的第二密封组件靠近所述针体4运动，以迫使其中的物料经由所述第二容纳瓶体9流入所述第一个容纳瓶体内，直至在与之相应的针体4由流通状态转换为第二密封状态之前解除对其的轴向力施加，并再次施力于所述第一个容纳瓶体的第二密封组件，如此交替施加轴向力预设次数后，控制所述第一个容纳瓶体与第二个容纳瓶体中的一个相应具有的针体4由流通状态转换为第二密封状态后，解除对所述第一个容纳瓶体与第二个容纳瓶体的轴向力施加。
而可以理解的是，此时已经解除施力的所述第一个容纳瓶体具有足够的第二密封组件的运动空间，以能够在其中进入的物料的作用下上升，而理论上所述第一个容纳瓶体的容积应大于两个所述容纳瓶体内的物料的总容积，从而实现物料在所述第一个容纳瓶体内的混合。
实施例1：
以下结合图7至图10对具有一个所述第一容纳瓶体2及一个第二容纳瓶体9的物料混合过程进一步进行阐述：
在装置未使用前，将A瓶(其内放置液体物料S)和B瓶(其内放置固态物料T)放入瓶套(也即前述的瓶套3，下同)内部时，针(也即前述的针体4，下同)正好扎入瓶口的胶塞(也即前述的第一胶塞51，下同)一部分，使得针的末端(也即前述的针口41，下同)实现密封，同时也使得瓶套下部流体管道(也即前述的微流控管道11，下同)密封，但针不能扎破胶塞，不破坏瓶身内部生物物料的密封性，即针位于胶塞的内部。如图7所示。
当该物料混匀装置启用时，A瓶和B瓶的上部依次受到向下的力(也即前述的轴向力，下同)，使得针刺破瓶塞，打开两个待混匀生物物料的出口，如图8所示。
向A瓶瓶底(也即前述的第二密封组件)继续施加压力，由于整个瓶体是限制在瓶套内部的，同时两个分别装有不同生物物料的瓶体的出口也被针刺破打开，这时，A瓶瓶底的胶塞在向下压力的驱动下，会缓慢移动，同时将A瓶内部的物料排出，由于此时B瓶的胶塞也被刺破，而且B瓶的上部有较大的空间，在压力的驱动下B瓶内的空气被压缩，A瓶内的物料进入B瓶内部并与其发生混匀，如图9所示。
当释放A瓶瓶底部的压力后(也即解除对其的轴向力施加)，由于B瓶上部空气被压缩，其压缩的空气反弹，将B瓶内的物料“挤”回A瓶内，如图10所示。多次重复以上步骤即可实现A瓶和B瓶内的物料的充分混匀。
实施例2：
以下结合图11至图16对具有两个所述第一容纳瓶体2及一个第二容纳瓶体9的物料混合过程进一步进行阐述：
在装置未使用前，将A瓶、B瓶和C瓶放入瓶套内部时，针正好扎入瓶口的胶塞一部分，使得针的末端实现密封，同时也使得瓶套下部流体管道密封。但针不能扎破胶塞，不破坏瓶身内部生物物料的密封性，即针位于胶塞的内部。如图11所示。
当该物料混匀装置启用时，A瓶和B瓶和C瓶的上部依次受到向下的力，使得针刺破瓶塞，打开三个待混匀生物物料的出口，如图12所示。
向A瓶瓶底继续施加压力，由于整个瓶体是限制在瓶套内部的，同时三个分别装有不同生物物料的瓶体的出口也被针刺破打开，这时，A瓶瓶底的胶塞在向下压力的驱动下，会缓慢移动，同时将A瓶内部的物料排出，由于此时B瓶的胶塞也被刺破，同时B瓶的胶塞位于瓶口较近的位置处，具有向上活动的空间，因此A瓶内的物料在压力的驱动下，经过C瓶，和C瓶内的物料混匀，并进一步进入B瓶并与其物料进行混匀，同时B瓶的底部胶塞也会向上移动，其过程如图13所示。
将A瓶内的液体全部(或者部分)经过C瓶打入B瓶内，A瓶的底部胶塞此时下降到距瓶口较近的位置，注意，此时针头并未扎入其底部胶塞的内部，如图14所示。
将B瓶内混合的物料再经过C瓶打入A瓶内，其过程与A瓶经过C瓶打入B瓶的过程类似，如图15和图16所示。以上过程可以根据需求进行多次重复即可实现A瓶、B瓶和C瓶内的物料充分混合。值得注意的是A瓶和B瓶内中至少有一种物料为液体状态。
该种混匀结构可以根据需求增加C瓶的数目，可以实现对多种物料的混匀。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。