一种精确控温的离心微流控芯片

技术领域

本发明属于芯片，具体为一种精确控温的离心微流控芯片。

背景技术

随着医疗技术的提升，医疗设备的需求也变得越来越多样化，在此条件下，基于离心力微流控芯片技术的医疗设备也不断研发投入使用。离心力微流控芯片技术利用旋转产生的离心力驱动液体，不需要外部泵或连接管道。可在单个圆盘上处理不同的液体，如样品提取、样品预处理、试剂供应、计量、等分、阀门、混合、培养、洗涤以及分析或制备分离等过程，以实现单元操作，实现高效的小型化、并行化和集成化分析。

温度是生物有机物合成、聚合酶链反应、基因突变检测等生物化学研究中的重要参数，随着离心力微流控芯片技术在生化分析领域中应用的日益广泛，芯片中液体温度的精确控制也变得越来越重要。

现有液体温度控制装置多采用非接触式的测温方案，如红外温度传感，由于整体的加热过程是由芯片经过外部加热后再将热量通过热传导到内部液体使其升温至目标温度，受制于红外传感的原理，红外温度传感测温装置只能测得芯片的上表面温度，并非芯片上腔室中液体的实际温度，用该温度值作为温控反馈可能存在误差，也易受芯片表面的均匀性、腔室壁厚薄程度等因素影响。并且，由于离心微流控存在旋转过程，非接触式的方案无法记录芯片在旋转过程中的实时温度，只能等待芯片上的对应腔室旋转至温度检测区域并停止一定时间后，才能读取温度，存在使用限制。

总的来说，现有芯片中液体温度控制的准确度、精度高有待提高，温度变化响应较慢，是亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种准确度高、温度变化响应快、精确控温的离心微流控芯片。

技术方案：本发明所述的一种精确控温的离心微流控芯片，包括被动电路板、基片和加热装置，被动电路板和基片之间设置第一导电元件；基片内设置若干反应腔，加热装置用于为反应腔内的液体的升温提供热量；反应腔的其中一个内设置第一温度检测元件，第一温度检测元件与第一导电元件相连，被动电路板、基片均与离心旋转轴相连。只在一个液体反应腔内部嵌入测温元件的目的是避免嵌入腔内的测温元件直接与反应液体接触，造成交叉污染，影响到后续生化反应及检测的准确性。

进一步地，被动电路板通过第二导电元件与控制电路板相连，控制电路板通过无线供电线圈与离心转台相连，离心转台驱动离心旋转轴旋转以带动离心微流控芯片转动。

进一步地，第一导电元件、第二导电元件为金属弹簧顶针或电器接插件。

进一步地，反应腔上设置注液孔，加热装置设置在反应腔下方。加热装置通过空气加热或接触式热块加热，接触式热块为加热电阻、加热陶瓷片、加热丝或帕尔贴。加热装置内设置第二温度检测元件。

进一步地，反应腔通过液流通道与注液腔相连，注液腔上设置注液孔。

进一步地，第一温度检测元件为温敏电阻、热电偶或热电阻。加热装置的两个引脚直接与被动电路板上对应焊点连接，以控制发热的中断以及持续时间。第一导电元件下端与芯片下半部分的被动电路板上对应焊点接触，用以传递液体的实时温度信息。第二温度检测元件用以传递加热装置的实时温度信息，以起到过温保护的作用。

进一步地，加热方式也可采用非接触式的热风加热，将上述被动电路板、基片设置于密闭的保温腔中，并通过风道与加热装置相连。加热装置包括热风枪和加热电阻丝，热风枪、加热电阻丝均设置在风道内，热风枪能够向保温腔内持续提供热风，通过热空气向芯片反应腔内部的液体传热。

进一步地，基片的材质为PDMS、PMMA或PC，三者均具有较好的光学性能，透光率高以及良好的生物相容性，不会对生物样品产生毒性和损伤。

工作原理：第一温度检测元件位于液体所在的腔室内，其两个引脚通过第一导电元件将温度信息传达至被动电路板，然后通过被动电路板传达至控制电路板处，控制电路板将温度信息通过无线通信模块传递给外围电路，外围电路用于控制整体装置的运作，将接收到的温度信息与预先设定的目标温度进行对比，进而将控制信号通过无线通信模块传递给控制电路，然后通过控制电路传递至被动电路板，以控制加热装置的导通与中断，最终使得腔室内液体温度平衡稳定在目标温度。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、能够实现芯片中液体温度的精确控制，准确度高达±0.1℃，温度变化响应快；

2、只在一个反应腔内部嵌入测温元件，目的是避免嵌入腔内的测温元件直接与反应液体接触，造成交叉污染，影响到后续生化反应及检测的准确性；

3、将第一温度检测元件直接植入反应腔内部，能够很好的还原实际待检测液体的情况；

4、第一温度检测元件直接植入反应腔内部，能够跟随基片一起旋转，能够直接读取反应腔内液体的核心温度，并不会受基片表面的均匀性、腔室壁厚薄程度等因素影响，不存在使用的限制，能够随时进行温度检测，大大提升了温控系统的操控性能，满足更多的离心力微流控芯片的使用场景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明实施例1加热装置3的连接示意图；

图3是本发明实施例1基片2的俯视图；

图4是本发明实施例2加热装置3的连接示意图；

图5是本发明实施例3基片2的俯视图；

图6是本发明实施例3在A处的放大图；

图7是本发明实施例3加热装置3的连接示意图；

图8是本发明实施例4加热装置3的连接示意图；

图9是本发明实施例4基片2的俯视图。

具体实施方式

实施例1

如图1～3，离心微流控芯片通过离心旋转轴7放置在离心转台11上，被动电路板1与离心转台11上的控制电路板9通过第二导电元件8连接，第二导电元件8为电器接插件，以实现精确的温度反馈。控制电路板9通过无线通信模块10与外围电路18进行通讯，进行控制信号以及温度采集信号的传输。控制电路板9与离心微流控芯片同步旋转，离心转台11通过无线供电的方式将电能提供给控制电路板9，以实现离心旋转过程中的电能传输以及温度信号采集。

离心微流控芯片直径为120mm，厚度为3.5mm，包括被动电路板1、基片2和加热装置3，基片2为PMMA材质，基片2上有存储液体的反应腔5。加热装置3位于液体所在反应腔5正下方，加热装置3为接触式热块。第一温度检测元件6的测温探头部分位于反应腔5内部，两个引脚通过旁边的第一导电元件4将温度检测信息传递给芯片下半部分的被动电路板1，第一导电元件4为电器接插件。第一温度检测元件6为热电偶或热电阻，反应腔5上设置注液孔12。

实施例2

如图4，本实施例的其余结构与实施例1均相同，区别仅仅在于：加热装置3为中心有圆孔的环形结构，第二温度检测元件15放置于加热装置的中心圆孔处，用导热硅脂填充空隙，用以测量加热装置的实时温度，起到过温保护的作用。基片2的材质为PDMS。

实施例3

如图5～6，离心微流控芯片通过离心旋转轴7放置在离心转台11上，被动电路板1与离心转台11上的控制电路板9通过第二导电元件8连接，第二导电元件8为金属弹簧顶针。控制电路板9通过无线通信模块10与外围电路18进行通讯，进行控制信号以及温度采集信号的传输。控制电路板9与离心微流控芯片同步旋转，离心转台11通过无线供电的方式将电能提供给控制电路板9。离心微流控芯片的直径为120mm，厚度为3.5mm，包括被动电路板1、基片2和加热装置3，基片2为PDMS材质，基片2上有三个存储液体的反应腔5。反应腔5的半径均为4mm，深度均为2mm。

如图7，反应腔5内部含有第一温度检测元件6(NTC温敏电阻)，R

实施例4

本实施例的其余结构与实施例3均相同，区别仅仅在于：加热装置3采用非接触式加热。如图8～9，将离心转台11、离心微流控芯片整体放置于一个密封的保温腔16内部，保温腔16外部放置有热风枪301、加热电阻丝302以及气体循环流通的风道17，通过热风枪301吹出的热风为反应腔5内部的液体提供升温所需的热量。室温为25℃，设定目标温度为60℃后开启外部电路的加热程序，热风枪301的风扇启动、加热芯启动加热，向保温腔16内部提供持续热风，经过45s后离心微流控芯片上反应腔5内液体加热到目标温度60℃，在反应腔5腔内液体实时温度升温到达目标温度后，外围电路18控制热风枪301加热芯的导通及中断，以稳定控制温度在目标温度附近。

上述离心微流控芯片均可用于核酸检测，核酸检测试剂采用RAA恒温扩增技术，反应参数设置为39℃，反应时间20min，基于精度±0.1℃的反应恒温控制系统。具体包括以下步骤：

步骤一、将待分析的核酸样品和核酸检测用试剂混合后，采用移液器将试剂从微流控芯片的各注液孔12注入相应的注液腔14，微流控芯片的注液孔12与移液器枪头紧密配合，有利于密封，保证微流控芯片加样结束拔出移液器枪头后，其注液孔12没有液体泄露，加样结束后，使用胶带密封。

步骤二、将完成密封的微流控芯片置于离心平台并调整位置和固定微流控芯片，调节转速，使注液腔14中的试剂通过离心作用进入相应的反应腔5。

步骤三、完成离心后，设定外部电路的加热程序目标温度为39℃，开启加热程序后，9s反应腔5内液体加热到39℃。在反应腔5内液体实时温度升温到达目标温度后，外部电路控制加热装置加热导通及中断，以稳定控制温度在目标温度附近。

步骤四、开启荧光检测系统，实时记录荧光强度变化，反应20min后，完成基于RAA恒温扩增技术的荧光检测。