CN101093227B - 一种微流控芯片系统重力驱动泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微流控芯片系统重力驱动泵，该重力驱动泵由贮液池、连接导管、具有至少一条微通道的微流控芯片及流体流速调节管顺序连接构成。所述的贮液池为若干个；所述的流体流速调节管连有针形阀和开关；所述的贮液池水平放置，内径为2-6毫米，长度为内径的5-10倍；所述的连接导管为非亲水性聚合材料导管，内径为0.1-0.3毫米。该重力驱动泵驱动系统可应用于微流控芯片、微化工操作中微量流体的精确输送，用于生命科学和化学研究。

Description

一种微流控芯片系统重力驱动泵

技术领域：

本发明涉及一种微流控芯片系统恒流重力泵，尤其是涉及微分析系统用恒流重力驱动微型泵。

背景技术：

微流控芯片系统自20世纪90年代出现以来，逐步在生命科学、药学和化学等领域的研究应用中显示出其重要性和广阔的应用前景。微流控芯片系统通常需要一个或多个泵驱动流体通过微通道，从而完成某种特定任务。目前，通常使用的流体驱动手段多种多样，主要有以下几类：机械泵驱动法，特别是微型和小型机械泵的使用，例如微流量注射泵；非机械泵驱动法，例如电水力泵、电渗泵、热毛细泵和常规重力泵等等。上述这些泵各具自己的优点，并获得了广泛的应用，但其缺点也很多，例如流速不稳定，在低流速条件下很难保证流速的重复性；往往需要电源驱动系统，因而难以集成到微芯片上；泵头死体积大，流体反馈速度慢等等。在微流控芯片系统广泛使用的极为重要的电渗泵，其缺点也是明显的，例如它受溶液pH值的影响很大，只能在一定的pH值范围内才能产生稳定的渗流。因此，研制可用于微流控芯片系统的简单、经济、容易操作、具有每分钟纳升(10^-9L/min)甚至皮升级(10^-12L/min)最低流量的微泵具有重要的意义，特别是流速恒定、可调，不需要外接电源的微型泵。

重力泵采用了地球的自然重力场，不需要额外的动力源，是微流控芯片系统优先考虑的泵系统，然而常规重力泵由于贮液池的液面随着流体的流出而逐步下降，随之流体的驱动压力下降，从而导致流速随着时间推移不断变小。

发明内容：

本发明的目的旨在克服现有技术的不足之处，提供一种用于微流控芯片系统的简单、流速恒定、可调，不需要外接电源，容易操作的微流控芯片系统重力驱动泵。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：

该重力驱动泵由贮液池、连接导管、具有至少一条微通道的微流控芯片及流体流速调节管顺序连接构成。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

所述的贮液池为若干个；所述的流体流速调节管连有针形阀和开关；所述的贮液池水平放置，内径为2-6毫米，长度为内径的5-10倍；所述的连接导管为非亲水性聚合材料导管，内径为0.1-0.3毫米。

本发明的微流控芯片系统恒流重力驱动泵采用水平放置的贮液池和优选的相关流路组合而成，是一种流速恒定、可调，不需要外接电源的微型驱动泵。

所述水平放置的贮液池，采用玻璃或石英材质或者高分子聚合物材质，一般采用管状结构(也可采用椭圆管状内径等)，对于玻璃或石英材质其内径为3毫米至4毫米内径，高分子聚合物材质其内径为3毫米至5毫米内径，对于不同的驱动对象，贮液池的管状内径可以适当作调整，但一般最低不能低于2毫米，最高不超过6毫米。判断贮液池内径的原则是：当管状结构的贮液池水平放置时，所贮存的液体的表面张力能够足够支撑液体，受最少的重力作用，使之能够稳定在管中。内径低于2毫米，往往由于过大的表面曲率阻碍液体的流出，而内径大于6毫米，则液体的表面张力由于受重力的作用难以支撑液体。为了保持充足的贮液量，可以选择符合上述条件的尽可能大的管径，并增加长度或盘旋水平放置等等。贮液池要有与流量匹配的足够的空间存放液体。贮液池与流量匹配是指泵的流速较大时，可以使用较大的贮液池，反之，则采用较小的贮液池。例如，当流速为1微升/分钟时，贮液池可以为1000微升或更大一些；当流速为100纳升/分钟时，贮液池可以为500微升等等。

所述连接导管。采用与所驱动流体接触角大(θ～90°)的材质，例如聚合物材质(PEEK等)。所驱动液体接触角较大，由于流体和连接导管的润湿性很弱，流出阻力降低，将有利于流体的流出。连接导管的内径一般采用75-300微米尺寸，连接导管的高度用于控制泵的驱动流体压强。

所述微流控芯片。一般采用聚合物材质(PDMS，PMMA等)，也可以采用玻璃材质(成本较高)。微流控芯片应该具有至少一条微通道，或多条微通道。其通道尺寸应该和连接导管的尺寸匹配，也就是具有同一量级尺寸，并略大于连接导管尺寸，即通道尺寸在(折合)内径75-500微米。

所述流速调节管。采用与所驱动流体接触角大(θ～90°)的材质，例如聚合物材质(PEEK等)。所驱动液体接触角较大，由于流体的和连接导管的润湿性很弱，流出阻力降低，将有利于流体的流出。连接导管的内径一般采用75-300微米尺寸。连接导管用于调控流体的流出和泵的流速控制。

本发明的重力驱动泵，当流体自贮液池先通过连接导管，再通过微流控芯片微通道，由于与流速调节管的高度不同，受重力的作用，实现了流体的驱动，并由于水平放置的贮液池的原因，使流速恒定。泵驱动流体的流速由流速调节管控制；泵驱动流体的压强由连接导管的高度进行控制。

本发明的重力驱动泵，一个贮液池和单一直通道芯片可以实现一元流体驱动操作；双贮液池和Y-型通道芯片可以实现两元流体驱动操作；三贮液池和相应芯片可以实现三元流体驱动操作；四双贮液池和相应芯片可以实现四元流体驱动操作。该重力驱动泵驱动系统可应用于微流控芯片、微化工操作中微量流体的精确输送，用于生命科学和化学研究。

下面参照附图对本发明作进一步说明：

图1：A为本发明具有一个贮液池和单一直通道芯片实现一元流体驱动操作结构示意图；B为双贮液池和Y-型通道芯片可以实现两元驱动操作结构示意图；

图2为具有平行双泵驱动两种流体的Y-型通道芯片结构示意图；

图3为流速调节管示意图；

图4为单泵流速和时间关系图；

其中：■1厘米连接导管；●2厘米连接导管；▲3厘米连接导管；

4厘米连接导管。

图5为单泵流速和连接导管高度关系图；

图6为双泵驱动流体混合示意图。

具体实施方式：

实施例1：

如图1A所示，为本发明所提供的微流控芯片系统恒流重力驱动泵。其分为一个水平放置的贮液池1，一段连接导管2，一个具有单一微通道的微流控芯片3和流速调节管4顺序连接构成。贮液池1的体积为500微升，水平放置的；连接导管2为254微米内径和1.6毫米外径的PEEK管；微流控芯片3的折合内径300微米，长度2厘米通道芯片；流速调节管4为与为100微米内径和1.6毫米外径的3厘米长的塑料导管。驱动流体为去离子水，7为出口贮液池。微流控芯片3采用PDMS材料，鳄鱼牙型混合通道，芯片具有两个进口(I、II)开口朝上承接贮液池1来的流体，第三个(III)出口开口在芯片的侧面，流出两种流体的混合液体。芯片为微流控芯片，除一元操作外，二至四元芯片均为带混合通道的芯片，以利于梯度流体输送操作。流速调节管4为在微流控芯片通道末端控制的限流器，流体流速调节管4连有针形阀8和开关9。

实施例2：

图1B为本发明所提供的微流控芯片系统恒流重力双泵。双贮液池和通道芯片可以实现两元驱动操作。其分为两个水平放置的贮液池1，两段连接导管2，一个具有Y-型微通道的微流控芯片3和流速调节管4顺序连接构成。Y-型微通道的微流控芯片尺寸如图2所示。其它相应部件尺寸同实施例1，驱动流体为16mer的单链标记TAMRA和TET的脱氧核糖核酸(DNA)溶液。流速为634纳升/分钟。其他微流控芯片3和流速调节管4同实施例1。

Claims (1)

1.一种微流控芯片系统重力驱动泵，其特征在于该重力驱动泵由贮液池(1)、连接导管(2)、具有至少一条微通道的微流控芯片(3)及流体流速调节管(4)顺序连接构成；所述的贮液池(1)为水平放置，内径范围为2-6毫米，长度为内径的5-10倍；所述的连接导管(2)为非亲水性聚合材料导管，内径为0.075-0.3毫米；所述的流体流速调节管(4)为100微米内径、1.6毫米外径、3厘米长的塑料导管。

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