CN105301174B - 用于微流控芯片的试剂滴定方法及装置、微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于微流控芯片的试剂滴定方法，包括步骤：由2个以上的步进电机分别驱动对应的微量注射器同时向微尺度通道内注入单一试剂，通过控制每一步进电机的初始速度和加速度，在所述微尺度通道内获得按照混合比例连续变化的分段存在的混合试剂；应用一检测器检测微尺度通道内的混合试剂所呈现的某一唯一特性，当混合试剂呈现该唯一特性时，在所述微尺度通道内获得具有该唯一特性的混合试剂。本发明还公开了实现如上所述的试剂滴定方法的试剂滴定装置以及一种包含该试剂滴定装置的微流控芯片。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术领域，特别涉及一种用于微流控芯片的试剂滴定方法及装置，还涉及一种包含前述试剂滴定装置的微流控芯片。
背景技术
微流控技术基于微机电加工(MEMS)技术，微流控芯片以微管道在小体积的芯片上构筑有机网络，通过流体的高效可控从而达到模拟大型化学、生物实验室功能的效果。由于其试剂用量少，低成本和高集成度、快捷等优点，受到了研究学者、专家以及国际机构组织的广泛关注，并已经在环境污染物监测、生命科学，医疗健康等领域展示了良好的应用前景，同时促进了分析仪器向便携、微型、集成化发展。
微流控芯片实现其多功能化的核心在于微流体的可控操作性，但目前微流控芯片上集成微泵阀技术尚未有商业化的成熟技术出现，致使微流控芯片的应用并无法普及，能实现的功能也比较简单。目前在芯片上实现试剂的比例混合一般采用机械式注射泵实时混合模式，需要多个微量进样泵的配合使用，此外还有采用重力、毛细管作用或电泳驱动的方式。但这些类型的进样方式同传统的混合方式相比除了在试剂用量上较小外并无明显的优势，能够实现的实验体系也受到很大的限制。现有的实验室滴定方法或半自动化仪器一般需要借助滴定管的玻璃仪器，存在试剂消耗量大，需要人工判定滴定终点，容易发生滴定过量等缺陷。
发明内容
针对上述提到的现有技术的不足，本发明提出了一种用于微流控芯片的试剂滴定方法及装置，该方法及装置适用于多种常规的滴定反应在微流控芯片上的移植实现，并具有试剂消耗量小，可自动化程度高，在线分析等优点，扩展了微流控芯片分析体系的普适性。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种用于微流控芯片的试剂滴定方法，包括步骤：由2个以上的步进电机分别驱动对应的微量注射器同时向微尺度通道内注入单一试剂，通过控制每一步进电机的初始速度和加速度，在所述微尺度通道内获得按照混合比例连续变化的分段存在的混合试剂；
应用一检测器检测微尺度通道内的混合试剂所呈现的某一唯一特性，当混合试剂呈现该唯一特性时，在所述微尺度通道内获得具有该唯一特性的混合试剂。
优选地，记录从开始进样到混合试剂呈现所述唯一特性的进样时间，由每一步进电机的初始速度、加速度以及进样时间，计算出每一单一试剂的注入体积量，从而得到混合试剂在呈现所述唯一特性时各个单一试剂的混合比例。
优选地，所述加速度为匀加速或匀减速。
优选地，所述检测器为光电检测器，所述光电检测器包括一发光二极管以及一光电二极管，通过检测所述混合试剂对光吸收的特性来确定混合试剂所呈现的唯一特性。
本发明还提供了一种用于微流控芯片的试剂滴定装置，包括：
一微尺度通道，作为混合试剂的流动载体；
2个以上进样机构，每一进样机构包括：
一微量注射器，与所述微尺度通道的一端流体连通，用于存储单一试剂；
一步进电机，用于驱动所述微量注射器向所述微尺度通道注入单一试剂；
一检测器，用于检测所述检测通道中的混合试剂所呈现的某一唯一特性；
其中，通过控制每一步进电机的初始速度和加速度，在所述微尺度通道内获得按照混合比例连续变化的分段存在的混合试剂；当检测器检测到混合试剂呈现某唯一特性时，在所述微尺度通道内获得具有该唯一特性的混合试剂。
优选地，所述微尺度通道的另一端还连接有一检测通道；所述检测器检测所述检测通道中的混合试剂。
优选地，所述检测器为光电检测器，所述光电检测器包括一发光二极管以及一光电二极管，通过检测所述混合试剂对光吸收的特性来确定混合试剂所呈现的唯一特性。
优选地，所述进样机构的数量为2～4个。
优选地，每一步进电机的加速度为匀加速或匀减速。
本发明还提供了一种微流控芯片，包含如前所述的试剂滴定装置。
有益效果：
本发明提出的用于微流控芯片的试剂滴定方法及装置，通过控制单路或多路步进电机采用匀加速、匀减速或特定程序变速模式工作，从而使得微流控芯片上的两路或多路流体在单次混合中实现大范围动态的比例混合。由于微尺度通道的尺寸性质，任意一个混合比的混合试剂在微尺度通道都占据较长的线性宽度，从而具有很高的空间分辨特性，使得不同混合比例的样品试剂在微尺度通道上分段存在，并同混合时间存在对应关系，当检测器检测到混合试剂呈现某唯一特性时，即当检测器的检测参数发生突变时，可以在所述微尺度通道内获得具有该唯一特性的混合试剂。通过检测器确定滴定终点，可以获得精确的混合试剂，结合微流控芯片微尺度通道混合具有高效混合的特点，该装置以及工作模式适用于多种常规的滴定反应在芯片上的移植实现，并具有试剂消耗量小，可自动化程度高，在线分析等优点，扩展了微流控芯片分析体系的普适性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的试剂滴定装置的示例性图示。
图2是本发明实施例1中进样时间与试剂混合比的关系曲线图。
图3是本发明实施例2中进样时间与试剂混合比的关系曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面将结合附图用实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供的用于微流控芯片的试剂滴定装置包括：一个微尺度通道1，作为混合试剂的流动载体；2个进样机构2(本实施例是以两个进样机构作为具体例子进行说明的，当需要混合的试剂为三种或以上时，则该装置相应的增加同样结构的进样机构，其中比较优选的进样机构的数量为2～4个)，每一进样机构2包括：一个微量注射器201，该微量注射器201与微尺度通道1的一端流体连通，用于存储单一试剂；一个步进电机202，该步进电机202用于驱动微量注射器201向所述微尺度通道1注入单一试剂。
其中，微尺度通道1的另一端还连接有一检测通道101；并且在检测通道101上还设置有一个检测器3，该检测器3用于检测所述检测通道101中的混合试剂所呈现的某一唯一特性，记录从开始进样到混合试剂呈现所述唯一特性的进样时间。
在本实施例中，所述检测器3为光电检测器，其包括一发光二极管301以及一光电二极管302，发光二极管301发出的光穿过检测通道101由光电二极管302，通过检测所述混合试剂对光吸收的特性来确定混合试剂所呈现的唯一特性。
采用如上所述的装置进行试剂滴定的过程如下：
(1)由2个的步进电机202分别驱动对应的微量注射器201同时向微尺度通道1内注入单一试剂，通过控制每一步进电机202的初始速度和加速度，在所述微尺度通道1内获得按照混合比例连续变化的分段存在的混合试剂(由于微尺度通道的尺寸性质，任意一个混合比的混合试剂在微尺度通道都占据较长的线性宽度，从而具有很高的空间分辨特性，使得不同混合比例的样品试剂在微尺度通道上分段存在)。其中，每一步进电机的加速度为匀加速或匀减速，例如，其中一个步进电机的初始速度为0，则其加速度可以为大于0的匀加速，另一个步进电机的初始速度为较大的数值，则其加速度可以为小于0的匀减速。当然，其中的某一个步进电机的加速度也可以是0，即驱动速度保持不变。
(2)应用检测器3检测所述检测通道101中的混合试剂所呈现的某一唯一特性，当混合试剂呈现该唯一特性时，在所述微尺度通道1内获得具有该唯一特性的混合试剂。即当检测器的检测参数发生突变时，在微尺度通道1的较长的长度上，都是具有该唯一特性混合试剂，实现了采用检测器确定滴定终点，获得更精确的混合试剂。
在试剂滴定的过程中，记录从开始进样到混合试剂呈现所述唯一特性的进样时间，由每一步进电机的初始速度、加速度以及进样时间，计算出每一单一试剂的注入体积量，从而得到混合试剂在呈现所述唯一特性时各个单一试剂的混合比例。例如，在本实施例中，假设驱动第一种试剂的步进电机的初始速度为u1，加速度为a1，驱动第二种试剂的步进电机的初始速度为u2，加速度为a2，则在进样时间为t时得到的混合试剂中两种试剂的体积比V1：V2＝(u1+a1t)：(u2+a2t)。
如上所述的装置可以作为微流控芯片的一部分，向微流控芯片提供混合试剂，该混合试剂即为微流控芯片需要进行分析或检测的样品。其中，前述装置中的微尺度通道1可以直接设置于微流控芯片的主体上。
实施例1
pH滴定中和反应测试
利用0.01M HCl和0.02M NaOH作为标准测试液，以百里酚蓝为指示剂。采用具有两路进样机构的试剂混合装置，将HCl和NaOH标准测试液分别储存于每一进样机构的微量注射器中，检测器采用集成520nm led灯-光电二极管的光学检测器。
设定推动充满HCl标准测试液微量注射器的步进电机的初始进样速度为1，加速度为-0.005，终止速度为0.1；设定推动充满NaOH标准测试液微量注射器的步进电机的初始速度为0.1，加速度为+0.005，终止速度为1。则在180s的时间内，HCl和NaOH标准测试液的混合比例与时间的关系如图2所示，其混合比例(VHCl：VNaOH)从10:1～1:10变化。
在混合的过程中，在检测通道中滴加百里酚蓝指示剂，由于百里酚蓝的指示变色范围为pH6.7(黄)-7.5(蓝)，则光学检测器约在53s的时候出现光吸收突变。当光学检测器检测到光吸收突变时，则在微尺度通道的较长的长度上，都是具有该特性(例如本实施例中达到两种试剂达到中和的特性)的混合试剂。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例中，设定推动充满HCl标准测试液微量注射器的步进电机的初始进样速度为10，加速度为-0.05，终止速度为0.5；设定推动充满NaOH标准测试液微量注射器的步进电机的初始速度为1，加速度为0。则在180s的时间内，HCl和NaOH标准测试液的混合比例与时间的关系如图3所示，其混合比例(VHCl：VNaOH)从10:1～1:1变化。
在混合的过程中，在检测通道中滴加百里酚蓝指示剂，由于百里酚蓝的指示变色范围为pH6.7(黄)-7.5(蓝)，则光学检测器约在160s的时候出现光吸收突变。当光学检测器检测到光吸收突变时，则在微尺度通道的较长的长度上，都是具有该特性(例如本实施例中达到两种试剂达到中和的特性)的混合试剂。
按照以上实施例提供的滴定方法，通过控制每一步进电机的初始速度和加速度，结合微尺度通道的尺寸性质，任意一个混合比的混合试剂在微尺度通道都占据较长的线性宽度使得不同混合比例的样品试剂在微尺度通道上分段存在，从而可以实现采用检测器确定滴定终点，获得更精确的混合试剂。特别是当单一试剂的浓度未知或者是将一种未知浓度的试剂滴加到其他已知浓度的试剂中时，检测滴加过程中混合试剂呈现的唯一的特性，由检测器判定滴定终点，得以实现未知浓度的试剂的精确混合。
综上所述，本发明提出的用于微流控芯片的试剂混合装置，通过控制单路或多路步进电机采用匀加速、匀减速或特定程序变速模式工作，从而使得微流控芯片上的两路或多路流体在单次混合中实现大范围动态的比例混合。由于微尺度通道的尺寸性质，任意一个混合比的混合试剂在微尺度通道都占据较长的线性宽度，从而具有很高的空间分辨特性，使得不同混合比例的样品试剂在微尺度通道上分段存在，并同混合时间存在对应关系，当检测器检测到混合试剂呈现某唯一特性时，即当检测器的检测参数发生突变时，可以在所述微尺度通道内获得具有该唯一特性的混合试剂。通过检测器确定滴定终点，可以获得精确的混合试剂，结合微流控芯片微尺度通道混合具有高效混合的特点，该装置以及工作模式适用于多种常规的滴定反应在芯片上的移植实现，并具有试剂消耗量小，可自动化程度高，在线分析等优点，扩展了微流控芯片分析体系的普适性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于微流控芯片的试剂滴定方法，其特征在于，包括步骤：
由2个步进电机分别驱动对应的微量注射器同时向微尺度通道内注入单一试剂，通过控制每一步进电机的初始速度和加速度，在所述微尺度通道内获得按照混合比例连续变化的分段存在的混合试剂；
应用一检测器检测微尺度通道内的混合试剂所呈现的某一唯一特性，当混合试剂呈现该唯一特性时，在所述微尺度通道内获得具有该唯一特性的混合试剂；
其中一个步进电机的加速度为大于0的匀加速，另一个步进电机的加速度为小于0的匀减速；或者是，其中一个步进电机的加速度为大于0的匀加速或小于0的匀减速，另一个步进电机的加速度为0。
2.根据权利要求1所述的试剂滴定方法，其特征在于，记录从开始进样到混合试剂呈现所述唯一特性的进样时间，由每一步进电机的初始速度、加速度以及进样时间，计算出每一单一试剂的注入体积量，从而得到混合试剂在呈现所述唯一特性时各个单一试剂的混合比例。
3.根据权利要求1或2所述的用于微流控芯片的试剂滴定方法，其特征在于，所述检测器为光电检测器，所述光电检测器包括一发光二极管以及一光电二极管，通过检测所述混合试剂对光吸收的特性来确定混合试剂所呈现的唯一特性。
4.一种用于微流控芯片的试剂滴定装置，其特征在于，包括：
一微尺度通道，作为混合试剂的流动载体；
2个进样机构，每一进样机构包括：
一微量注射器，与所述微尺度通道的一端流体连通，用于存储单一试剂；
一步进电机，用于驱动所述微量注射器向所述微尺度通道注入单一试剂；
一检测器，用于检测所述检测通道中的混合试剂所呈现的某一唯一特性；
其中，通过控制每一步进电机的初始速度和加速度，在所述微尺度通道内获得按照混合比例连续变化的分段存在的混合试剂；当检测器检测到混合试剂呈现某唯一特性时，在所述微尺度通道内获得具有该唯一特性的混合试剂；
设置其中一个进样机构的步进电机的加速度为大于0的匀加速，另一个进样机构的步进电机的加速度为小于0的匀减速；或者是，设置其中一个进样机构的步进电机的加速度为大于0的匀加速或小于0的匀减速，另一个进样机构的步进电机的加速度为0。
5.根据权利要求4所述的用于微流控芯片的试剂滴定装置，其特征在于，所述微尺度通道的另一端还连接有一检测通道；所述检测器检测所述检测通道中的混合试剂。
6.根据权利要求4所述的用于微流控芯片的试剂滴定装置，其特征在于，所述检测器为光电检测器，所述光电检测器包括一发光二极管以及一光电二极管，通过检测所述混合试剂对光吸收的特性来确定混合试剂所呈现的唯一特性。
7.一种微流控芯片，包含权利要求4-6任一所述的试剂滴定装置。
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