[发明专利]一种无人值守型数字式微流控系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种液体流动控制系统，尤其涉及一种无人值守型数字式微流控系统。

背景技术

微流控系统，又称芯片实验室，是一种以在微小尺度空间对流体进行操控为主要特征的一种前沿科学技术。微流控系统具有将生物、化学实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米甚至几平方微米的芯片上的能力，在当今的化学、医学、生物学、环境学、国防科学等领域将发挥无法替代的重要作用。

当前微流控系统主要以模拟控制为主，表现为在封闭的微通道或微管路内，通过微泵和微阀改变液流的流速、压力等参数，从而实现液体的定向移动。这种微流控技术当前得到了广泛应用，其实质是一种在微小的空间里对模拟量的控制，整个液流空间实现密闭并不容易，尤其在驱动液体流动时，微泵加压时极易引起液体泄漏，并具有控制精度低、试剂消耗量大、研制成本高、重复利用性差等很多缺点。

在科技高速发展的过程中，微流控领域也出现一些新的技术，主要采用高压电力驱动下的电泳、电渗原理，相比之前的技术方案，对微通道内液流的控制精度有了显著的提高，但高电压对很多试剂、样本都有不同程度的破坏作用，即使纯净的蒸馏水，也会产生分解作用产生气体，影响实验的进行。除此之外，过大的功耗、液体发热、适用试剂类型较少等也是这项技术没有被广泛推广应用的重要原因。

发明内容

本发明以数字控制（又称逻辑控制）为主要特征，舍弃了以往微流控系统中大量使用的微通道、微泵和微阀，在液滴运动载体表层贴覆极小的电极阵列，每个电极可通过引线由数字电信号控制为高电平或低电平，利用液体的电湿润原理，实现对单个或多个液滴的定向驱动控制。

相比第一代技术，本发明具有如下显著优点：

1. 试剂消耗量大幅减少；

2. 液滴移动的精度可以达到微米级；

3. 对由微电极阵列构成的液流通道，可通过“最优路径算法”实时组合，便于灵活设计实验方案；

4. 芯片可重复利用于不同类别、规模的实验，；

5. 易于实现实验智能化、无人值守化。

本发明的无人值守型数字式微流控系统包括主控部分、液流载体、多通道信号传输部分、信号发生装置、图像摄取装置、人机交互部分，不同组成部分在实现形式上可以合并、拼装，多通道信号传输部分、图像摄取装置、人机交互部分分别与主控部分电气连接；信号发生装置、液流载体分别与多通道信号传输部分电气连接；图像摄取装置位于液流载体上方。

本发明中的主控部分包括微处理器、微控制器中的一种或多种，或经由计算机间接使用微处理器进行控制。

本发明控制的对象为单个个体横截面积不大于1平方厘米的微小液滴，尤其适合微米、纳米尺寸级别液滴的控制。

本发明中的液流载体包含微流控芯片、表层或中间层覆铜的电路板、CMOS工艺的液流载体中的一种或多种。

本发明中的多通道信号传输部分实现主控部分、液流载体和信号发生装置三者之间的信息交换与信号传输，所控制的内容包括：

1. 主控部分发给液流载体的控制信号；

2. 信号发生装置发给液流载体的特定波形信号；

3. 液流载体反馈给主控部分的状态信息；

本发明中的人机交互部分的信息显示功能可由触摸屏、液晶屏、投影仪、LED显示屏、数码管、指示灯中的一种或多种来实现；人机交互部分的数据输入功能可用触摸屏、绘图仪、键盘、按键中的一种或多种来实现；人机交互部分的控制功能由微处理器、微控制器中的一种或多种来实现，或经由计算机间接使用微处理器实现。

本发明中的信号发生装置可产生幅值、频率可调的方波、正弦波、三角波或梯形波，在主控部分的控制下，经由多通道信号传输部分，把预先设定好的多路波形信号分别传输到液流载体的若干个电极上，用以对液滴进行驱动控制。

本发明中的液流载体上贴覆若干个电极阵列，每个电极通过引线与多通道信号传输部分电气连接，主控部分在其内置软件的控制下，通过多通道信号传输部分控制每一个电极上的的电平，实现对液流载体上的液滴的定位、移动、合并、拆分等操作。

对于本发明的微流控系统，针对液滴的基本控制方法如下：

当某一个承载液滴的电极为低电平，把临近的某个电极置为高电平时，由于液体的电湿润原理，液滴就从低电平的电极移动到高电平的电极，就实现了液滴的移动，多个连续位置液滴同时移动，就实现了液流的控制。

同理，当某一个承载液滴的电极为高电平，而临近的电极都是低电平时，液滴稳定的定位于高电平电极上，这就实现了液滴的定位。