一种应用于微流控芯片的便携式磁珠自动化混合模块的制作方法

1.本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其涉及一种应用于微流控芯片的便携式磁珠自动化混合模块。


背景技术：

2.现对生物有害物的传统检测方法耗时耗力，且不同的待测样品的复杂成分会在分析过程中造成干扰，容易在富集、提纯等步骤易出错。而微流控技术作为一种在微米尺度上对流体进行精确操控的技术，能够在一次性的芯片中利用小体积液体，实现样品和试剂的自动处理、快速反应等。
3.在微流控芯片中利用免疫磁珠法对生物有害物进行检测的研究已有了较广泛的基础，在有害物的即时检测上具有广泛用途，但由于微流控芯片的尺度效应，受限于免疫磁珠与生物有害物在静置状态下接触效率较低、检测时间长，在狭小的腔体内如何实现免疫磁珠对生物有害物的有效捕获仍是一个难点，其对有害物的提取效率仍有待提升。
4.针对以上问题，设计了一种应用于微流控芯片的便携式磁珠自动化混合模块，利用激光发射器照射以光敏水凝胶微球的微阀门，控制液体的进样。其双螺旋微磁线圈产生的磁场将微流控芯片混合腔体的磁珠聚集在线圈中心，再利用振动马达带动柔性结构振动，将聚集的磁珠分散开，二者如此反复，磁珠在混合腔体内聚集扩散反复运动一段时间，提高免疫磁珠与生物有害物的接触效率，更高效率地对生物有害物进行捕获和检测。并利用集成电路板对激光发射器、双螺旋微磁线圈、振动马达进行可编程控制，整个装置集成小型化，可实现自动化免疫磁珠与待测物的混合。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种应用于微流控芯片的便携式磁珠自动化混合模块，其特征在于，该装置包括微流控芯片夹具、安装底座、图案化粘接层、微线圈柔性板、流道腔体、防水通气膜、小型激光发射器、水凝胶阀门、振动马达以及由驱动控制模块盒、可充电电源和集成电路板构成的驱动控制模块；
6.所述集成电路板主要由接线柱、继电器模块、核心控制芯片、电压调节模块构成；微线圈柔性板的焊点通过导线与集成电路板的接线柱连接，振动马达通过导线与集成电路板接线柱连接，两个小型激光发射器通过导线与集成电路板的接线柱连接；两个小型激光发射器通过微流控芯片夹具两则支架上的激光发射器安装孔进行固定安装；安装底座中有配合振动马达尺寸的凹槽，以保证在z轴上是过盈配合，安装底座为柔性材料，保证了振动马达装配的牢固性；安装底座通过图案化粘接层与微线圈柔性板粘接，将振动马达夹在安装底座与微线圈柔性板之间；微线圈柔性板通过图案化粘接层与流道腔体粘接，图案化粘接层将流道腔体部分切除，流道及腔体的底部为微线圈柔性板；流道腔体主要由进样口、进样腔体、水凝胶微球注入口、出样口、出样腔体、阀口、混合腔体、通气孔构成；预先收缩的光敏水凝胶微球从流道腔体的水凝胶微球注入口注入到流道中，控制流速，待其流动到阀口
位置时回复原来大小并卡在阀口处，制得水凝胶阀门；流道腔体有通气孔，孔的顶部通过图案化粘接层与防水通气膜粘接，以平衡液体进出时腔内的气压平衡；
7.控制模块控制进样路径上的第一小型激光发射器发射激光照射第一光敏水凝胶微球，该微球收缩，第一水凝胶阀门打开，液体因流道的毛细力的作用，从进样腔体进入混合腔体；微线圈柔性板的双螺旋微磁线圈通电，因其产生的磁场效应磁珠向双螺旋微磁线圈的中心聚集并沉底，双螺旋微磁线圈断电，振动马达通电，团聚沉底的磁珠扩散，振动马达断电，双螺旋微磁线圈通电，二者反复交替进行一定时间，最后都断电；出样路径上的第二小型激光发射器发射激光照射第二光敏水凝胶微球，该微球收缩，第二水凝胶阀门打开，液体因流道的毛细力的作用，从混合腔体进入出样腔体；其中控制模块的电压调节模块可以在核心控制芯片的指令下调节给激光发射器、微磁线圈、振动马达的电压，以调节激光发射器的功率、微线圈磁力大小，马达振动频率，而继电器模块则是在核心控制芯片的指令下控制三者的通电工作时间，以控制阀门开启时间、微线圈与马达的工作时间与交替频率。
8.所述微线圈柔性板为三层结构，底层为聚醯亚胺的柔性基底，然后在柔性基底上利用镂空模具溅射、电镀的传统工艺制造铜材料的双螺旋微磁线圈，双螺旋微磁线圈是传统的阿基米德螺旋线由外向内绕进，当绕到原点时再从原点反向沿阿基米德螺旋线绕出来，上层可再覆盖一层聚酯的绝缘薄膜，且绝缘薄膜上开孔出焊点的位置。
9.所述流道腔体是pdms柔性材料翻模制得，流道腔体主要由进样口、进样腔体、水凝胶微球注入口、出样口、出样腔体、阀口、混合腔体、通气孔构成；进样口用于注入磁珠及待捕获样品，进样腔体暂时储存磁珠及待捕获样品；水凝胶微球注入口用于注入光敏水凝胶微球，阀口用于卡住光敏水凝胶微球，为了更好地固定光敏水凝胶微球，阀口为椭圆形，其长直径接近光敏水凝胶微球正常溶胀状态下的直径；混合腔体提供混合磁珠与待捕获样品所需的腔体场所，以便提高磁珠对待捕获样品的捕获效率；出样腔体用于暂时储存混合完后的磁珠与样品，出样口则用于提取二者的混合物或着通往其他微流控芯片检测模块；为了较好的毛细力和虹吸力效果，进样腔体、出样腔体、混合腔体的腔体高度比流道的高度要高，三者的腔体高度从高到低依次为：进样腔体、混合腔体、出样腔体；通气孔用于平衡液体进出时腔内的气压平衡。
10.所述安装底座是pdms柔性材料翻模制得，安装底座主要用来固定安装振动马达，安装底座中有配合振动马达尺寸的凹槽，以保证在z轴上是过盈配合，安装底座的柔性材料特性，保证了振动马达装配的牢固性；振动马达由常见的普通三相电机改制而成，去掉一个线圈，重心不平衡，通电旋转时会碰撞周围壳体，从而发生振动。
11.所述微流控芯片夹具的围栏尺寸主要配合安装底座的外围尺寸，以进行间隙配合，其围栏两端有开口以方便微流控芯片的拿取更换，微流控芯片夹具的两侧有l型支架，l型支架一端有通孔，以安装固定小型激光发射器。
12.所述图案化粘接层是利用激光切割机，按照预先画好的cad激光切割路径图对双面胶带进行切割，制得两面都具有图案化粘接层，利用图案化粘接层将安装底座与微线圈柔性板粘接、微线圈柔性板与流道腔体粘接、微线圈柔性板的通气孔与防水通气膜粘接，此处的防水通气膜是利用激光切割机对ptfe薄膜进行切割图案化。
13.所述水凝胶阀门是将光敏水凝胶微球卡在椭圆形的阀口处，光敏水凝胶微球未光照收缩状态下的直径等于阀口的长直径，预先收缩的光敏水凝胶微球从流道腔体的水凝胶
微球注入口注入到流道中，控制流速，待其流动到阀口位置时回复原来大小并卡在阀口处；此光敏水凝胶微球是以温敏水凝胶为基质通过rd改性过的，具有更强的韧性和机械响应特性；
14.水凝胶阀门中的光敏水凝胶微球以纳米粘土laponite rd(lap-rd)添加到普通n-异丙基丙烯酰胺(nipam)温度敏感水凝胶中，然后，将纳米氧化亚铁(fe3o4)粒子杂化在改性的水凝胶中，产生光响应特性。光敏水凝胶微球在t型流道的两个入口分别通入两相液体，通过注射泵分别对两相液体流速控制以生成不同粒径的液滴；但对于需要大批量制备固定粒径阀芯的场景而言，采用蠕动泵单出口控制的液滴生成方案更有优势，通过该单出口控制的t型流道生成杂化了fe3o4纳米颗粒的球型lap-rd改性光敏水凝胶微球。该光敏水凝胶微球的基质为温敏水凝胶，在高于临界相变温度的水中体积会快速收缩，将收缩后的阀芯通过阀芯注入流道注射进阀体区域并封闭注入流道；当流体流动带走热量，使阀芯温度低于临界相变温度后，光敏水凝胶微球会重新溶胀关闭流道，实现微阀的片上构建。
15.所述微线圈柔性板中的双螺旋微磁线圈是传统的阿基米德螺旋线由外向内绕进，当绕到原点时再从原点反向沿阿基米德螺旋线绕出来，此种图案只需制造单层电路结构，可以减少制作工艺步骤和制造成本，且其产生的磁场本方向在相邻两条线圈之间的沟壑是向下或向上(以n级指向s级为正向)，相邻沟壑为相反方向，但越靠近双螺旋微磁线圈中心，磁场密度越大，而磁珠本身也有磁极之分，所以磁珠会以翻滚的状态向双螺旋微磁线圈中心运动。
16.所述振动马达固定在安装底座的凹槽中，其顶部是微线圈柔性板的柔性基底，振动马达振动时既带动了整个微流控芯片在xy平面内振动，也在振动时不停撞击柔性基底，柔性基底会以一定频率在z方向上振动，在整个微流控芯片和柔性基底的混合振动效果下，带动了混合腔体中液体从中心向四轴旋转着移动，起到了涡旋的作用，被双螺旋微磁线圈吸附到中心的磁珠也在此作用下向四周旋转着散开。
17.本发明的有益效果在于：
18.1、本发明利用双螺旋形状的微线圈对磁珠进行主动聚集，微线圈的线宽尺寸最小在50微米即可对磁珠有良好的吸附效果，不需要传统的光刻工艺，通过fpc工艺或镂空模具即可制造，降低了生产成本；
19.2、整个微流控芯片的基底为柔性基底，代替了传统的玻璃基底，振动马达带动柔性基底振动，磁珠扩散效果比在玻璃基底的微流控芯片中要优；
20.3、利用磁珠向混合腔体中心运动再向四周扩散，如此反复，实现了磁珠主动捕获待测物，缩短了微流控芯片中常用的蛇形弯管孵育所需的时间，极大缩短了捕获所需时间和提高了捕获效率；
21.4、水凝胶阀门中用的光敏水凝胶微球是在t型流道的两个入口分别通入两相液体，通过泵分别对两相液体流速控制以生成不同粒径的液滴，以温敏水凝胶为基质通过rd改性过的，具有更强的韧性和机械响应特性，且直径大小可控；
22.5.控制阀门启闭的激光发射器、双螺旋微磁线圈、振动马达都由以集成电路板为核心的控制模块进行可编程控制，可以控制阀门开启时间，微线圈磁力大小，马达振动频率，以及微线圈与马达的工作时间与交替频率，实现自动化控制。
附图说明
23.图1为微流控芯片的三维示意图；
24.图中：1-微流控芯片夹具、2-安装底座、3-图案化粘接层、4-微线圈柔性板、5-流道腔体、6-防水通气膜、7-小型激光发射器、8-水凝胶阀门、9-振动马达；
25.图2为微流控芯片结构的爆炸示意图；
26.图中：101-激光发射器安装孔、201-马达固定凹槽；
27.图3为微流控芯片腔体结构的二维示意图；
28.图中：501-进样口、502-进样腔体、503-水凝胶微球注入口、504-出样口、505-出样腔体)、506-阀口、507-混合腔体、508-通气孔；
29.图4为光敏水凝胶制作示意图；
30.图5为微线圈柔性板结构的爆炸示意图；
31.图中：401-绝缘薄膜、402-双螺旋微磁线圈、403-焊点、404-柔性基底；
32.图6为双螺旋形状的微线圈结构的二维示意图
33.图7为微流控芯片与控制模块的连线示意图；
34.图中：10-驱动控制模块盒、11-可充电电源、12-集成电路板、1201-接线柱、1202-继电器模块、1203-核心控制芯片、1204-电压调节模块；
35.图8为本发明实验方法的流程图。
具体实施方式
36.本发明提出一种应用于微流控芯片的便携式磁珠自动化混合模块，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
37.如图1、图2和图7所示的本发明实施例，包括：微流控芯片夹具1、安装底座2、图案化粘接层3、微线圈柔性板4、流道腔体5、防水通气膜6、小型激光发射器7、水凝胶阀门8、振动马达9以及由驱动控制模块盒10、可充电电源11和集成电路板12构成的驱动控制模块；
38.其中集成电路板12主要由接线柱1201、继电器模块1202、核心控制芯片1203、电压调节模块1204构成；微线圈柔性板4的焊点403通过导线与集成电路板12的接线柱1201连接，振动马达9通过导线与集成电路板12的接线柱1201连接，两个小型激光发射器7通过导线与集成电路板12的接线柱1201连接。
39.两个小型激光发射器7通过微流控芯片夹具1两则支架上的激光发射器安装孔101进行固定安装；安装底座2中有配合振动马达9尺寸的凹槽201，以保证在z轴上是过盈配合，安装底座2为柔性材料，保证了振动马达9装配的牢固性；安装底座2通过图案化粘接层3与微线圈柔性板4粘接，将振动马达9夹在安装底座2与微线圈柔性板4之间；微线圈柔性板4通过图案化粘接层3与流道腔体5粘接，图案化粘接层3将流道腔体部分切除，流道及腔体的底部为微线圈柔性板4。
40.流道腔体5主要由进样口501、进样腔体502、水凝胶微球注入口503、出样口504、出样腔体505、阀口506、混合腔体507、通气孔508构成，如图3所示；预先收缩的光敏水凝胶微球从流道腔体5的水凝胶微球注入口503注入到流道中，控制流速，待其流动到阀口506位置时回复原来大小并卡在阀口506处，制得水凝胶阀门8；流道腔体5有通气孔508，孔的顶部通过图案化粘接层3与防水通气膜6粘接。
41.在本实施例中，微线圈柔性板4的三层结构如图5所述，底层为聚醯亚胺材料的柔性基底404，厚度100μm；然后在柔性基底404上利用镂空模具溅射、电镀的传统工艺制造铜材料的双螺旋微磁线圈402，双螺旋微磁线圈402是传统的阿基米德螺旋线由外向内绕进，当绕到原点时再从原点反向沿阿基米德螺旋线绕出来，其形状如图6所示，宽度50μm，厚度18μm；上层可再覆盖一层聚酯材料的绝缘薄膜401，且绝缘薄膜401上开孔出焊点403的位置，厚度25μm。
42.双螺旋微磁线圈402的图案只需制造单层电路结构，可以减少制作工艺步骤和制造成本，且其产生的磁场本方向在相邻两条线圈之间的沟壑是向下或向上(以n级指向s级为正向)，相邻沟壑为相反方向，但越靠近双螺旋微磁线圈402中心，磁场密度越大，而磁珠本身也有磁极之分，所以磁珠会以翻滚的状态向双螺旋微磁线圈402中心运动，其运动过程如图6所示。
43.流道腔体5是聚二甲基硅氧烷基质(dowcorning,midland,usa)与和固化剂按10:1比例充分混合并去气泡后，倒入高精度3d打印的模具中以60℃固化4h，固化后剥离成型的pdms流道；流道腔体5的进样口501用于注入磁珠及待捕获样品，直径1.6mm；进样腔体502暂时储存磁珠及待捕获样品，直径6mm，高度2.5mm；水凝胶微球注入口503用于注入光敏水凝胶微球，直径1.2mm；阀口506用于卡住光敏水凝胶微球，为了更好地固定光敏水凝胶微球，阀口506为椭圆形，其长直径等于光敏水凝胶微球正常溶胀状态下的直径，长直径1.5mm；混合腔体507提供混合磁珠与待捕获样品所需的腔体场所，直径8mm，高度2mm；出样腔体505用于暂时储存混合完后的磁珠与样品，直径6mm，高度1.5mm；出样口504则用于提取二者的混合物或着通往其他微流控芯片检测模块，直径1.6mm；为了较好的毛细力和虹吸力效果，流道宽度为0.5mm，高度0.5mm，三个腔体高度从高到低以此为：进样腔体502、混合腔体507、出样腔体505；通气孔508用于平衡液体进出时腔内的气压平衡，直径1.6mm。
44.安装底座2的制作方法与流道腔体5一致，均由pdms柔性材料翻模制得，安装底座2主要用来固定安装振动马达9，安装底座2中有配合振动马达9尺寸的凹槽201，直径8.2mm，深度2.7mm，以保证在z轴上是过盈配合，安装底座2的柔性材料特性，保证了振动马达9装配的牢固性。
45.振动马达9由常见的普通三相电机改制而成，去掉一个线圈，重心不平衡，通电旋转时会碰撞周围壳体，从而发生振动，直径8mm，高度3.2mm。振动马达9固定在安装底座2的凹槽201中，其顶部是微线圈柔性板4的柔性基底404，振动马达9振动时既带动了整个微流控芯片在xy平面内振动，也在振动时不停撞击柔性基底404，柔性基底404会以一定频率在z方向上振动，在整个微流控芯片和柔性基底404的混合振动效果下，带动了混合腔体507中液体从中心向四轴旋转着移动，起到了涡旋的作用，被双螺旋微磁线圈402吸附到中心的磁珠也在此作用下向四周旋转着散开。
46.微流控芯片夹具1的围栏尺寸主要配合安装底座2的外围尺寸，以进行间隙配合，公称尺寸为30mm
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50mm，其围栏两端有开口以方便微流控芯片的拿取更换，微流控芯片夹具1的两侧有l型支架，l型支架一端有直径4.2mm的通孔，以安装固定小型激光发射器7。
47.小型激光发射器7的最大直径尺寸4mm，高度13.7mm，激光波长808nm，功率2w。
48.图案化粘接层3是利用激光切割机，按照预先画好的cad激光切割路径图对厚度3mm的3m胶带进行切割，制得两面都具有粘性的图案化粘接层3，利用图案化粘接层3将安装
底座2与微线圈柔性板4粘接、微线圈柔性板4与流道腔体5粘接、通气孔508与防水通气膜6粘接；切割功率6w，切割速度10mm/s，切割次数2次。
49.防水通气膜6是利用激光切割机对ptfe薄膜进行切割图案化，切割功率8w，切割速度10mm/s，切割3次；ptfe薄膜只通气，不通水，可以在防止混合腔体内液体溢出的同时也起到平衡腔内气压平衡的作用。
50.水凝胶阀门8是将光敏水凝胶微球卡在椭圆形的阀口506处，得到可控阀门；光敏水凝胶微球未光照收缩状态下的直径1.7mm接近阀口506的长半径，预先收缩的光敏水凝胶微球从流道腔体5的水凝胶微球注入口503注入到流道中，控制流速，待其流动到阀口506位置时回复原来大小并卡在阀口506处；此光敏水凝胶微球是以温敏水凝胶为基质通过rd改性过的，具有更强的韧性和机械响应特性。
51.光敏水凝胶微球以纳米粘土laponite rd(lap-rd)添加到普通n-异丙基丙烯酰胺(nipam)温度敏感水凝胶中，然后将纳米氧化亚铁(fe3o4)粒子杂化在改性的水凝胶中，产生光响应特性；光敏水凝胶微球在t型流道的两个入口分别通入两相液体，通过蠕动泵分别对两相液体流速控制以生成不同粒径的液滴，制作过程如图4所示；t型流道槽深1mm，当油相流道宽度1.5mm、预凝胶溶液流道宽度3mm、出口蠕动泵转速2rpm时，微球直径1mm；当油相流道宽度2mm、预凝胶溶液流道宽度5mm、出口蠕动泵转速1.5rpm时，微球直径1.7mm；当油相流道宽度2mm、预凝胶溶液流道宽度5mm、出口蠕动泵转速2.5rpm时，微球直径2mm。
52.通过该单出口控制的t型流道生成杂化了fe3o4纳米颗粒的球型lap-rd改性光敏水凝胶微球；该光敏水凝胶微球的基质为温敏水凝胶，在高于临界相变温度的水中体积会快速收缩，将收缩后的阀芯通过阀芯注入流道注射进阀体区域并封闭注入流道；当流体流动带走热量，使阀芯温度低于临界相变温度后，光敏水凝胶微球会重新溶胀关闭流道，实现微阀的片上构建。
53.集成电路板12的核心控制芯片1203以atmega芯片为核心进行改造，加装了继电器模块1202与电压调节模块1204的功能；电压调节模块1204可以在核心控制芯片1203的指令下调节给小型激光发射器7、双螺旋微磁线圈402、振动马达9的电压，以调节小型激光发射器7的功率、双螺旋微磁线圈402的磁力大小，振动马达9的振动频率，而继电器模块1202则是在核心控制芯片1203的指令下控制三者的通电工作时间，以控制阀门开启时间、微线圈与马达的工作时间与交替频率，实现自动进样、混合、出样。
54.如图8所示的工作流程为：
55.1.将磁珠与待捕获物混合后从进样口注入进样腔体。
56.2.集成电路板控制进样路径上的第一小型激光发射器发射激光，进样路径上的第一光敏水凝胶微球收到光照后收缩，阀门打开，进样腔体内的液体在毛细力作用下流入混合腔体，待液体流入充满混合腔体后，激光停止照射，阀门关闭。
57.3.集成电路板控制双螺旋微磁线圈通电，磁珠在其磁场作用下，向混合腔体的中心移动；在移动一段时间后，双螺旋微磁线圈断电，振动马达通电振动，带动柔性基底振动，将聚集的磁珠扩散到混合腔体的四周；振动马达断电后双螺旋微磁线圈再通电。
58.4.混合结束，集成电路板控制出样路径上的第二小型激光发射器发射激光，出样路径上的第二光敏水凝胶微球收到光照后收缩，阀门打开，混合腔体内的液体在毛细力作用下流入出样腔体，待液体流入出样腔体后，激光停止照射，阀门关闭。
59.此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。