基于微流控光度檢測的離心式分離裝置與方法與流程
本發明涉及微流控技術、光度檢測技術和離心分離技術領域，具體是采用微流控芯片的分離裝置。
背景技術：
微流控的重要特征之一是在微尺度環境下具有獨特的流體性質，如層流和液滴等，流體在微流控的微通道中的行為與其在宏觀尺度通道中不同。
離心式分離方法是蛋白質、酶、核酸及細胞亞組分分離的最常用的方法之一，也是生化實驗室中常用的分離、純化或澄清的方法，可分離各種細胞、病毒、染色體、脂蛋白、dna和rna等生物樣品。相比于機械分離和化學分離方法，離心式分離方法有停留時間短、無須助劑、系統密封好、過程連續、分離效率易調節等優點。常用的離心式分離機是將試劑在試管或離心瓶中分離，存在的問題是：（1）無法對微量的試劑進行分離，存在著試劑浪費的問題；（2）分離后的溶液需要人工過濾提取；（3）體積較大且笨重，不便于攜帶。
常用的蠕動泵由驅動器、泵頭和軟管三部分組成，通過對彈性輸送軟管交替進行擠壓和釋放來泵送流體。蠕動泵使用固定在驅動電機上的類齒輪轉子驅動，對軟管和轉子的磨損較大。驅動器使用電機機械驅動的方式，雖然最新的mems（microelectromechanicalsystem，微機電系統）電機能做到幾毫米的體積，但也是機械驅動方式。
光度檢測技術是通過吸光度來檢測物質。吸光度是光線通過溶液或物質前的入射光強度與光線通過溶液或某一物質后的透射光強度的比值（i0/i1）以10為底的對數（即lg(i0/i1)），其中i0為入射光強，i1為透射光強。目前適用于微流控芯片的光度檢測技術采用單個光敏元件為接收傳感器，常用光敏元件有：光敏二極管、光敏三極管或光敏三極管，由于單個光敏元件體積較大，所以只能做到點對點的單點檢測，對檢測區域的檢測誤差較大。
技術實現要素：
為了解決現有離心式分離技術存在無法分離對微量試劑、分離后的溶液需要人工過濾提取等問題，本發明提出一種基于微流控光度檢測的離心式分離裝置以及該裝置的離心式分離方法，將微流控技術與離心技術進行結合，在微尺度下對微量試劑進行自動分離和提取。
本發明基于微流控光度檢測的離心式分離裝置采用的技術方案是：具有一個圓盤形的微流控芯片和帶動其轉動的芯片旋轉電機，微流控芯片正中間上方連接進樣漏斗，微流控芯片的旁側是第一級積液槽，第一級積液槽和微流控芯片之間設置導液管擺臂，導液管擺臂中間連接輸出軸是垂直向下的擺臂控制電機，導液管擺臂一端是出液口，出液口伸在第一級積液槽正上方，導液管擺臂的另一端是汲液口，汲液口伸在微流控芯片的內腔室中；有若干個第一級積液槽，第一級積液槽的數量和樣液中的組分數量相同，若干個第一級積液槽的中心分布在一個圓弧線上，該圓弧線是出液口旋轉所經圓弧線；在出液口和擺臂控制電機之間設置串接在導液管擺臂上的電磁磁珠驅動模塊，電磁磁珠驅動模塊能為導液管擺臂內的液體提供流動動力；微流控芯片的圓盤面水平插在上下面對面布置的光信號發射模塊和光信號接收模塊之間；控制模塊分別連接并控制電磁磁珠驅動模塊、擺臂控制電機、光信號接收模塊、光信號發射模塊以及芯片旋轉電機。
進一步地，電磁磁珠驅動模塊包括上下面對面布置的兩塊圓柱形永磁體，兩塊永磁體的n極和s極相面對，在兩塊永磁體之間固定連接一個同軸心的圓柱形的磁珠導軌，有多個帶電磁珠沿圓周方向均勻布置在磁珠導軌外圍，帶電磁珠與磁珠導軌的外壁相接觸，所有的帶電磁珠外圍箍有一根軟管，帶電磁珠擠壓著軟管使軟管的管道變狹窄，軟管的兩端串接在導液管擺臂中。
所述基于微流控光度檢測的離心式分離裝置的分離方法采用的技術方案是包括以下步驟：
a、將待分離的樣液滴入進樣漏斗，控制模塊控制芯片旋轉電機帶動微流控芯片勻速旋轉，樣液在微流控芯片內腔室由中心向邊緣依次形成多個環形帶區，分離出的不同樣液組分在不同的環形帶區中；
b、控制模塊1控制擺臂控制電機旋轉，使導液管擺臂的汲液口轉到由中心向邊緣的第一個環形帶區，啟動電磁磁珠驅動模塊，第一個環形帶區中的第一種組分通過導液管擺臂流入到第一級積液槽中；
c、控制模塊控制擺臂控制電機繼續旋轉，使得汲液口到轉到第二個環形帶區，將第二個環形帶區中的第二種組分通過導液管擺臂流入到對應的第一級積液槽中；如此循環，直至最后一個環形帶區的樣液組分流入對應的第一級積液槽中。
本發明已有技術相比具有如下優點：
（1）本發明離心式分離裝置基于旋轉離心分離技術在微流控芯片內進行物質分離，離心驅動微流控芯片時，樣品液就隨離心腔做勻速圓周運動，產生一向外的離心力；由于不同顆粒的質量、密度、大小及形狀等彼此各不相同，在同一固定大小的離心場中運動度也就不相同，由此便實現相互間的分離，克服了傳統離心機不能微量分離的缺點。
（2）本發明離心式分離裝置設計了蠕動泵全新的驅動方式，即采用電磁驅動，內置微型電磁驅動裝置，減小流體驅動器的機械磨損，克服了傳統蠕動泵只能靠電機作為驅動器的局限性，既然方便調速又減小了驅動器的體積。
（3）本發明離心式分離裝置使用陣列式光敏結構，采用陣列式ccd作為光電檢測的接收元器件，設計了光源處理結構，將單點光源處理成平行光束均勻的投射在ccd陣列上，既然節能又能減少光源帶來的誤差，克服了傳統微流控光電檢測技術采用光電對管只能單點檢測的缺點，提高了檢測精度和靈敏度。
（4）本發明離心式分離裝置內置微處理器，整個分離過程可以自動完成。
（5）本發明離心式分離裝置集成度高，各裝置都采用微型化設計，方便攜帶。
（6）本發明離心式分離裝置實現人機交互，能可視化進行定性和定量試驗。
附圖說明
圖1是本發明基于微流控光度檢測的離心式分離裝置的立體結構透視圖；
圖2是圖1的主視圖；
圖3是圖1的俯視圖；
圖4是圖1的左視圖；
圖5是圖1中微流控芯片5立體結構放大圖；
圖6圖2中微流控芯片5與導液管擺臂11的裝配結構主視圖；
圖7是圖6的的俯視圖；
圖8是圖1中電磁磁珠驅動模塊3的內部結構及其與導液管擺臂相連接結構的俯視放大圖；
圖9是圖1中電磁磁珠驅動模塊3與導液管擺臂相連接結構的透視放大圖；
圖10是圖9的主視剖視圖；
圖11是圖1中光電檢測模塊的立體結構放大圖；
圖12是圖11的主視放大示意圖；
圖13是圖12中光信號接收模塊8以及局部光信號發射模塊9的結構俯視圖；
圖14是圖13中ccd感光陣列36的行列排布示意圖；
圖15是圖1中控制模塊1與受控件的控制框圖；
圖16是圖1微流控芯片5分區半徑以及擺臂控制電機4旋轉的幾何尺寸標注放大圖；
圖17是圖1中控制模塊中的吸光度和分區半徑的線性關系圖。
附圖中各部件的序號和名稱：
1：控制模塊，2：電源模塊，3：電磁磁珠驅動模塊，4：擺臂控制電機，5：微流控芯片，6：汲液口，7：芯片旋轉電機，8：光信號接收模塊，9：光信號發射模塊，10：進樣漏斗，11：導液管擺臂，12：第一級積液槽，13：導液管，14：第二級積液槽，15：液晶顯示器，16：按鍵，17：固定螺絲，18：三棱支撐柱，19：出液口，20：芯片進樣管，21：環形槽，22：微流控芯片pdms上面板，23：微流控芯片下玻璃面板，24：電磁磁珠泵進液口，25：永磁體，26：軟管，27：帶電磁珠，28：軟管的內圈側壁，29：磁珠導軌，30：電磁磁珠泵出液口，31：ccd感光陣列板，32：第一級反射鏡，33：第二級反射鏡，34：凸透鏡，35：發光二極管，36：ccd感光陣列，37：殼體。
具體實施方式
參見圖1-4，本發明基于微流控光度檢測的離心式分離裝置最外部是一個殼體37，殼體37是一個內部具有空腔的外殼。殼體37頂面上安裝液晶顯示器15和按鍵16。在殼體37內部角落用三棱支撐柱18支撐并用固定螺絲17將三棱支撐柱18固定，對殼體37加固。在殼體37內部還設有微流控芯片5、第一級積液槽12、第二級積液槽14、光電檢測模塊、控制模塊1以及電源模塊2等。電源模塊2內放置兩節干電池，為整個裝置提供電源。微流控芯片5是圓盤形結構，微流控芯片5的中心軸上下垂直布置，微流控芯片5的中心軸正下方是芯片旋轉電機7，芯片旋轉電機7固定在殼體37底部，芯片旋轉電機7的輸出軸固定連接微流控芯片5的中心軸，帶動微流控芯片5旋轉，以產生離心場。微流控芯片5的正中間上方連接進樣漏斗10，進樣漏斗10的開口伸在殼體37頂面，待分離樣品從進樣漏斗10進入微流控芯片5內部。殼體37通過進樣漏斗10與外界相通，殼體37其它地方整體密封。微流控芯片5的旁側是第一級積液槽12，在第一級積液槽12和微流控芯片5之間設置導液管擺臂11，導液管擺臂11的中間連接擺臂控制電機4，擺臂控制電機4的輸出軸垂直向下，擺臂控制電機4能帶動導液管擺臂11沿擺臂控制電機4的中心軸作順時針方向或逆時針方向轉動，擺臂控制電機4的外殼固定在殼體37上。導液管擺臂11的一端是出液口19，出液口19伸在第一級積液槽12的正上方，且與第一級積液槽12不接觸；導液管擺臂11的另一端是汲液口6，汲液口6伸在微流控芯片5的內腔中，能汲取微流控芯片5內腔中分離后的組分液體。當擺臂控制電機4控制導液管擺臂11旋轉時，便帶動汲液口6在微流控芯片5內腔中的不同的半徑位置處切換。
在出液口19和擺臂控制電機4之間設置電磁磁珠驅動模塊3，電磁磁珠驅動模塊3串接在第一級積液槽12和擺臂控制電機之間的導液管擺臂11上，能為導液管擺臂11抽取液體提供動力。在出液口19和擺臂控制電機4之間的一段導液管擺臂11是直管道，而在擺臂控制電機4和汲液口6之間的一段導液管擺臂11是圓弧型管道，該圓弧型管道的圓弧開口朝向微流控芯片5中心。
第一級積液槽12有若干個，其數量與樣品所分離組分的數量相同，圖3中僅示出5個第一級積液槽12，所有的第一級積液槽12中心分布在一個圓弧線上，該圓弧線即導液管擺臂11的出液口19旋轉所經圓弧線，該圓弧線的半徑等于擺臂控制電機4的中心至出液口19中心的直線距離，這樣，旋轉后的導液管擺臂11的出液口19始終位于不同的第一級積液槽12的正上方，使導液管擺臂11汲取的各樣品組分能分別落入各個第一級積液槽12中。
第一級積液槽12通過導液管13連接且連通第二級積液槽14，第一級積液槽12內的組分液體能通過導液管13輸入第二級積液槽14內。第二級積液槽14的數量等于第一級積液槽12的數量，一個第一級積液槽12的底端均通過一根導液管13一一對應地連接且連通一個第二級積液槽14的頂端，導液管13水平布置，若干個第二級積液槽14呈直線排列，所有的第二級積液槽14均為可拆卸式積液槽，方便第二級積液槽14從殼體37內抽出。
光電檢測模塊包括光信號接收模塊8和光信號發射模塊9，光信號發射模塊9和光信號接收模塊8上下面對面布置，均固定在殼體37上。微流控芯片5的圓盤面水平插在光信號接收模塊8和光信號發射模塊9之間，光信號接收模塊8和光信號發射模塊9沿著微流控芯片5的直徑方向延伸在微流控芯片5的下方和上方，并且與微流控芯片5上下表面不接觸，用于檢測微流控芯片5內的組分吸光度值。
為了防止微流控芯片5在旋轉的時漏液，出液口19和擺臂控制電機4之間的這段導液管擺臂11要高于擺臂控制電機4和汲液口6之間的這導液管擺臂11，即直管道部分高于圓弧型管道部分，使導液管擺臂11整體在垂直縱截面呈“z”形的結構，“z”形結構的中間部位安裝擺臂控制電機4。
參見圖5、圖6和圖7，微流控芯片5是圓盤狀，頂面是聚二甲基硅氧烷（pdms）面板22、底面是下玻璃面板23，頂面和底面之間形成芯片的內腔室。微流控芯片5正中間的進樣漏斗10底部通過芯片進樣管20與微流控芯片5內腔室作連通。在進樣漏斗10底部沿圓周方向均勻設有多個芯片進樣管20，多個芯片進樣管20用來均勻導入樣液，圖7僅示出8個芯片進樣管20。所有的芯片進樣管20將進樣漏斗10和微流控芯片5內腔室作連通。樣液從進樣漏斗10滴入后，再經芯片進樣管20進入微流控芯片5的內腔室。
導液管擺臂11的汲液口6插入在微流控芯片5的內腔室中，擺臂控制電機4的輸出軸垂直向下布置，與導液管擺臂11的中間處同軸固定相連。在微流控芯片5的邊緣處開有一個環形槽21，導液管擺臂11中間處位于該環形槽21內，擺臂控制電機4在環形槽21的正上方，且連接導液管擺臂11中間處。導液管擺臂11從與擺臂控制電機4的連接處向上垂直折彎后伸出。導液管擺臂11和微流控芯片5旋轉時，相互之間不接觸不干涉。
參見圖8、圖9和圖10，電磁磁珠驅動模塊3包括兩塊一上一下面對面布置的圓柱形的永磁體25，兩塊永磁體25的中心軸均上下垂直且共線，兩塊永磁體25的n極和s極相面對。下方的永磁體25底部固定連接于殼體37。在兩塊永磁體25之間的空間固定連接一個同軸心的圓柱形的磁珠導軌29，有多個帶電磁珠27沿圓周方向均勻布置在磁珠導軌29的外圍，帶電磁珠27與磁珠導軌29的外壁相接觸，圖8中示出的是8個帶電磁珠27。在所有的帶電磁珠27外圍箍有一根軟管26，軟管26的內圈側壁28緊密貼在帶電磁珠27上，帶電磁珠27擠壓著軟管26，使被帶電磁珠27擠壓的軟管26的管道變狹窄。軟管26的兩端串接在導液管擺臂11中。軟管26兩端中的一端是電磁磁珠泵進液口24，另一端是電磁磁珠泵出液口30，軟管26通過電磁磁珠泵進液口24和電磁磁珠泵出液口30串接在導液管擺臂11中。如圖8和圖10所示，兩塊永磁體25產生垂直磁場，帶電磁珠27在垂直磁場受到切向安培力f的作用，沿著磁珠導軌29的外壁做逆時針轉動，帶電磁珠27轉動時壓迫軟管26的內圈側壁28，使得相鄰兩個帶電磁珠27之間的軟管26管道內的流體也做逆時針旋轉,從而驅動導液管擺臂11內的組分液體泵入電磁磁珠泵進液口24，再經軟管26流向電磁磁珠泵出液口30，之后又進入導液管擺臂11到達出液口19。如此，為導液管擺臂11內的液體提供流動動力。通過改變帶電磁珠27流過電流的大小可以改變帶電磁珠27在磁場中所受的安培力f，來改變帶電磁珠27的運動速度，從而改變導液管擺臂11和軟管26內的液體流速。
參見圖11、圖12、圖13和圖14，光信號發射模塊9包含發光二極管35、凸透鏡34、第一級反射鏡32和第二級反射鏡33。最底部是發光二極管35，發光二極管35正上方是凸透鏡34，凸透鏡34的正上方是第一級反射鏡32，在第一級反射鏡32的旁側是第二級反射鏡33。凸透鏡34在距離發光二極管35的一倍焦距位置處，發光二級管35向上發出的光線經過凸透鏡34變成一束向上的平行光，平行光在第一級反射鏡32的作用下改變90度，從第一級反射鏡32反射的光在第二級反射鏡33的作用下又改變90度，然后均勻垂直向下照射在光信號接收模塊8上。光信號接收模塊8由ccd感光陣列板31和ccd感光陣列36組成，ccd感光陣列板31上以矩陣形式排列著ccd感光陣列36，ccd感光陣列36排列成m行和n列，其中，沿微流控芯片5的半徑方向是列的方向，與列方向垂直的行向，如圖14所示的m×n陣列。從第二級反射鏡33反射的均勻垂直向下的反射光均勻照射在矩陣排列的ccd感光陣列36上。
如圖15所示，控制模塊1分別通過控制線連接液晶顯示器15、按鍵16、發光二極管35、ccd感光元件36、芯片旋轉控制電機7、帶電磁珠27和擺臂控制電機4。按鍵16給控制模塊1信號啟動控制模塊1，控制模塊1控制發光二極管35發光，同時控制芯片旋轉電機7旋轉，旋轉的過程中ccd感光陣列36將吸光度信號發送給控制模塊1，等離心分離結束后，控制模塊1控制擺臂控制電機4旋轉一定角度，最后控制帶電磁珠27抽取組分液體。
參見圖1-15，本發明離心式分離裝置工作時，控制模塊1打開光信號發射模塊9和光信號接收模塊8，同時控制芯片旋轉電機7旋轉360°，檢測微流控芯片5腔室內是否有異物：光信號接收模塊8將吸光度信號發送給控制模塊1，吸光度信號經控制模塊1的處理得到微流控芯片5的各區域吸光度，當各區域吸光度相同時，則判斷出微流控芯片5腔室內無異物。然后，控制模塊1控制擺臂控制電機4順時針旋轉，使汲液口6旋轉到微流控芯片5內腔室的最大半徑處，即導液管擺臂11的停泊區，此時離心式分離裝置初始化結束。
參見圖16，設導液管擺臂11的圓弧型管道的旋轉半徑為r，也是微流控芯片5檢測區的最大檢測半徑r，芯片進樣管20的長度為l，進樣漏斗10底部的半徑為r，則擺臂控制電機4的中心距離微流控芯片5中心的距離是r+l+r，環形槽21的中心距離微流控芯片5中心的距離也是r+l+r。
將待分離的樣品液體滴入到進樣漏斗10內，假設樣品液體由a、b和c三種組分混合而成。控制模塊1控制芯片旋轉電機7帶動微流控芯片5勻速旋轉，光信號接收模塊8將m×n個ccd感光陣列36采集的信號以二維組{（i11，r11）、（i12，r12）、……、（imn，rmn）}的形式發送控制模塊1，其中imn為第m行第n列的ccd感光陣列36采集到的光信號值，rmn為第m行第n列的ccd感光陣列36距離微流控芯片5的中心沿半徑方向上的距離，即n列ccd感光陣列36的半徑。控制模塊1將m×n矩陣信號中行向量數據取平均數，得到平均光信號值in=（i1n+i2n+…+imn）/m和平均半徑rn=（r1n+r2n+…+rmn）/m，便得到新的數組{（i1，r1）、（i2，r2）、…、（in，rn）}。根據該新的數組{（i1，r1）、（i2，r2）、…、（in，rn）}繪制出吸光度和分區半徑的線性關系圖，如圖17所示，線性關系圖中的橫坐標軸表示半徑rn，縱坐標表示對應的吸光度in。控制模塊1根據線性關系圖處理吸光度和分區半徑的線性關系，線性關系圖中的波峰點對應的橫坐標軸值即是分區半徑值。例如：對于由a、b和c三種組分組成的樣品液體來說，圖17中線性關系圖中的三個波峰對應的三個點分別是（ia，ra）、（ib，rb）和（ic，rc）。因此，得到由微流控芯片5的中心向邊緣處的三個分區半徑分別是ra、rb、rc。控制模塊1同時將線性關系圖通過液晶顯示器15顯示。
當光信號接收模塊8檢測到微流控芯片5的最大檢測半徑r處的吸光度值開始改變時，即表明有液體到達微流控芯片5內腔室的外側邊緣，此時，控制模塊1控制芯片旋轉電機7停止工作，微流控芯片5也停止旋轉。樣液在微流控芯片5內腔室由中心向邊緣依次形成多個環形帶區，分離出的不同樣液組分在離心作用下分布在不同的環形帶區中。對于由三種組分組成的樣品液體來說，樣液在微流控芯片5內腔室由中心向邊緣依次形成a、b和c三個環形帶區，a、b和c三個環形區中分別是樣品液體的a、b和c三種組分。
控制模塊1控制擺臂控制電機4旋轉，導液管擺臂11在停泊區逆時針旋轉一個角度
擺臂控制電機4繼續帶動導液管擺臂11從a帶區逆時針旋轉一個角度
擺臂控制電機4又繼續帶動導液管擺臂11從第三個環形帶區，即c環形帶區逆時針旋轉一個角度
如此循環往復，直至最后一個環形帶區的樣液組分流入到對應的第一級積液槽12和第二級積液槽1，完成所有帶區中的組分的依次分離。
在所有組分分離后，抽取出第二級積液槽14中的分離物，然后對裝置進行清洗：先控制導液管擺臂11停泊在芯片腔室最大半徑處，即導液管擺臂11的停泊區，再將清潔劑滴入到進樣漏斗10內，由芯片旋轉電機7帶動微流控芯片5勻速旋轉，廢液在離心場的作用下也向微流控芯片5內腔室邊緣處流動，汲液口6不停地抽取清洗后的廢液。當控制模塊1判斷微流控芯片5各區域的吸光度相同時，則表明微流控芯片5腔室內無異物，結束清洗。
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