CN101968131B - 一种基于相替换触发的毛细微阀及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相替换触发的毛细微阀及其应用，所述微阀为一种单向被动阀，由进样微管道上一段横截面突变的微管道或微腔体和一条与其相连的油相填充微管道构成。当水相样品流经管道横截面突变处时，表面张力作用其前端水相/气相界面的曲率发生变化，导致水相流体所受反向压强增加，当此反向压强与水相样品驱动压达到平衡时，即可实现对水相样品的控制限流作用，发挥阀的关闭功能；若通过油相填充管道导入油样，以油相替代处于限流平衡状态水相样品前界面的气相，则水相前界面的表面张力将降低，从而降低水相前界面所受反向压力，实现阀的开启功能。提供的毛细微阀，可应用于微生化反应器和芯片实验室。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于相替换触发的毛细微阀及其应用，可应用于微生化反应器和芯片实验室。属于微流控领域。
背景技术
近年来，微流控系统作为一种新的技术平台，在生物和化学领域受到广泛关注，这类系统通常称为微型全分析系统(Micro Total Analysis Systems)或芯片实验室(Labs-on-a-Chip)，往往需要执行进样、混合、分离、检测等过程，这些过程大多离不开微流体的控制，在微流控系统中微流体的控制主要由微泵和微阀等基本单元来实现的。但是，目前微流控系统中微阀和微泵这类基本功能单元发展的还很不完善，极大地限制了其实际应用。
微阀是微流控系统中起控制限流的重要组成器件，长期以来，各国研究人员一直在努力研制一种低成本、低死体积[A1]、低耗能的微阀。至今，研究人员已研制了多种不同原理、不同形式的微阀，这些微阀主要分为有源微阀和无源微阀。其中有源微阀需要在某种驱动能的作用下实现对微流体的控制，包括气压、压电、磁、电、热、相变等，这类阀往往结构复杂、制作工艺难度大、成本高、消耗功率大，且难以集成；无源微阀则无需从外部输入能量来实现阻流控制，往往通过微通道网络中局部区域表面性质的改变[H.Andersson，W.van der Wijngaart，P.Griss，F.iklaus，G.Stemme.Hydrophobicvalves of plasma deposited octafluorocyclobutane in DRIE channels.Sensors &Actuators B：Chemical，2001，75：136-141.]或管道形状的突变[A.Glière，C.Delattre.Modeling and fabrication of capillary stop valves for planar microfluidicsystems.-Sensors & Actuators：A.Physical，2006，130：601-608.]来调控表面张力，实现阻流作用，这种微阀没有运动部件，结构简单、易于集成、加工成本低，适用于一次性应用。不过，现有的无源微阀虽然在阻流过程中不需要从外部输入能量，但是其开启仍然需要借助外部有源部件才能实现，比如气压泵驱动或离心机驱动等，这类外加部件往往增加了系统的复杂性，降低了系统的可便携性，从而限制了微流体系统的应用范围。近年来，快速、高通量的生化筛选和检测对系统的微型化、集成化和成本提出了更高的要求，因此，迫切需要发展一种结构简单、易于集成、低成本、低能耗的微阀来适应微型生化分析系统的发展形势。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于相替换触发的毛细微阀及其应用，所述的微阀具有结构简单、易于集成、低成本、低能耗的优点，可应用于微流控系统中微流体的简便控制。
本发明提供的一种基于相替换触发的毛细微阀，其特征在于：所述微阀为一种单向被动阀，由进样微管道上一段横截面突变的微管道或微腔体和与其相连的一条油相填充微管道和一条通气管道构成；横截面突变的微管道或微腔体利用横截面突变导致的水/气界面曲率变化发挥微阀限流功能；油相填充微管道通过在横截面突变的微管道或微腔体中充入油相替换气相，降低水相流体界面张力，实现微阀开启功能。所述横截面突变的微管道或微腔体至少与一条进样微管道、一条油相填充微管道和一条通气微管道相连，其中，通气微管道可以为单独的一条管道，也可以与流体出口管道共一条管道；横截面突变的微管道或微腔体的横截面面积大于进样微管道的横截面面积，且其与进样微管道在连接处的交接角大于或等于90°，以保证连接处水相界面曲率变化足够大，实现较好的限流作用；横截面突变的微管道或微腔体以及进样微管道横截面均可以为圆形、矩形和梯形。所述油相填充微管道横截面面积小于水相样品进样微管道横截面面积，以防止油相替换气相触发水相样品进入横截面突变的微管道或微腔体后，水相样品泄漏进入油相填充微管道中，油相填充微管道横截面可以为圆形、矩形和梯形。
具体而言，首先在与进样微通道相连的进样口中充入水相样品，利用重力、毛细力或者外置气压泵驱动此水相样品进入并填充进样微管道，当水相样品前进至进样微管道与横截面突变的微管道或微腔体连接处时，由于表面张力的作用，水相样品的前界面将向气相方向凸起，并且其曲率将增大，从而导致进样微管道中流体所受反向毛细压强增加，当此反向毛细压强与进样口驱动压强相等时，进样微管道中水相流体将处于平衡停止状态，即实现微阀关闭限流功能；当水相流体在进样微管道与横截面突变的微管道或微腔体连接处处于平衡停止状态时，通过油相填充微管道在横截面突变的微管道或微腔体中充入油相流体，排除微管道或微腔体中原有的空气，以油相流体替代空气，则此“相替换”将降低水相样品前界面的界面张力，因为通常情况下水相/油相表面张力系数比水相/气相表面张力系数小1～3倍，所以油相替换气相将降低进样微管道中水相样品所受反向毛细压强，打破水相前界面原有压强平衡，使水相样品突破毛细微阀的限流而进入横截面突变的微管道或微腔体中，从而实现微阀的开启功能。
需指出的是，集成所述的微流网的微流控芯片在制作方法上与传统芯片俄制作方法并无区别。所述的制作方法，包括：
①利用光刻工艺制作含横截面突变微线条结构的SU-8双层模具；
②配制PDMS预聚体，浇注于步骤1的SU-8模具上，并加热固化；
③从模具上剥离固化后的PDMS基片，并与一清洗后的玻片键合，形成集成有“基于相替换触发毛细微阀”的微流控芯片。
本发明与现有微流控系统中的微阀相比，摆脱了微阀对外置部件的依赖，简化了微流控系统的复杂度，降低了微流控系统的制作成本。而且，本发明所提供的微阀结构简单，加工简便，便于操作，易于实现集成化，适用于一次性微流控芯片系统。
附图说明
图1(a)为本发明所提供的基于相替换触发的毛细微阀一种结构示意图，该微阀由进样管道连接横截面突变的微腔体和一条油相填充微管道以及一条通气微管道构成。
图1(b)为本发明所提供的基于相替换触发的毛细微阀一种结构示意图，该微阀由进样管道连接横截面突变的微管道和一条油相填充微管道以及一条通气微管道构成。
图2(a)为本发明所提供的基于相替换触发的一种毛细微阀处于关闭限流状态的示意图，该微阀由进样管道连接横截面突变的微腔体和一条油相填充微管道以及一条通气微管道构成。
图2(b)为本发明所提供的基于相替换触发的一种毛细微阀处于关闭限流状态的示意图，该微阀由进样管道连接横截面突变的微管道和一条油相填充微管道以及一条通气微管道构成。
图3(a)为本发明所提供的基于相替换触发的一种毛细微阀因油相替换气相触发微阀开启流通的示意图，该微阀由进样管道连接横截面突变的微腔体和一条油相填充微管道以及一条通气微管道构成。
图3(b)为本发明所提供的基于相替换触发的一种毛细微阀因油相替换气相触发微阀开启流通的示意图，该微阀由进样管道连接横截面突变的微管道和一条油相填充微管道以及一条通气微管道构成。
图4为本发明实施例2毛细微阀应用于微反应时，各种待反应样品被微阀限流控制的示意图
图5为本发明实施例2毛细微阀应用于微反应时，各种待反应样品因微阀触发开通自动进入反应通道实现混合反应的示意图
图6为本发明实施例3毛细微阀应用于蛋白质逆向扩散结晶时，蛋白质液和结晶剂被微阀限流控制的示意图
图7为本发明实施例3毛细微阀应用于蛋白质逆向扩散结晶时，蛋白质液和结晶剂因微阀触发开通自动进入微腔体实现混合扩散的示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。
实施例1
如图1所示，本发明的基于相替换触发的毛细微阀包括一个进样微管道1、一个横截面突变的微管道或微腔体2、一个油相填充微管道3、一个通气微管道4和一个流体出口5。微阀工作过程，如下所述：
首先，将待操控的水相样品液体6通过重力、毛细力或气压泵驱动充入进样微管道1中，当水相流体到达进样微管道1与横截面突变的微管道或微腔体2的连接处7时(如图2所示)，水相样品的前界面8将在表面张力的作用下向气相方向凸起，并且其曲率将增大，导致进样微管道中流体所受反向毛细压强增加，当此反向毛细压强与进样口驱动压强相等时，进样微管道中水相流体将处于平衡停止状态，即实现微阀关闭限流功能；若要开启微阀，则通过油相填充微管道3导入油相流体9进入横截面突变的微管道或微腔体2中，以油相替换微管道或微腔体中原来的空气，由于水相/油相表面张力系数比水相/气相表面张力系数小，所以油相替换气相将降低水相样品的前界面8的界面张力，从而减小进样微管道中水相样品所受反向毛细压强，打破水相前界面原有压强平衡，导致水相样品突破毛细微阀的限流而进入横截面突变的微管道或微腔体2中，从而实现微阀的开启功能(如图3所示)。
实施例2
将基于相替换触发的毛细微阀应用于混合反应微反应器，其方式为：毛细微阀采用两条平行进样微管道共同连接一个横截面突变微管道的设计，首先将两种待反应的水相试剂或样品分别导入两条进样微管道1中，并通过微阀限流作用使两者均停止在进样微管道与横截面突变的微管道连接处(如图4所示)；然后，通过两侧油相填充管道3向横截面突变的微管道中同时充入油相流体，触发两种水相流体突破反向毛细压强的限流作用，同时进入横截面突变的微管道中实现混合，形成反应区域10(如图5所示)。
实施例3
将基于相替换触发的毛细微阀应用于蛋白质逆向扩散结晶，其方式为：毛细微阀采用两条相对排布的进样微管道共同连接一个横截面突变微腔体的设计，首先将蛋白质样品和结晶剂分别导入两条相对排布的进样微管道1中，并通过微阀限流作用使两者均停止在进样微管道与横截面突变的微腔体连接处(如图6所示)，同时保持两个相对排布的进样微管道入口处驱动压的一致性，以防止驱动压对扩散过程的影响；然后，通过油相填充管道3向横截面突变的微腔体中充入油相流体9，触发蛋白质液和结晶剂两种水相流体突破反向毛细压强的限流作用，同时进入横截面突变的微腔体中实现界面混合，并形成逆向扩散区域11(如图7所示)。
本发明与现有的微阀相比，结构简单，无需复杂驱动设备和外置部件，简化了微流控系统的制作，提高了微流控系统的集成度，有利于微流控系统的推广应用。
Claims (6)
1.一种基于相替换触发的毛细微阀，所述微阀为一种单向被动阀，由进样微管道上一段横截面突变的微管道或微腔体和至少一条与其相连的油相填充微管道和一条通气微管道构成；其特征在于：
①通气微管道为单独的一条管道或与流体出口管道共一条管道；
②横截面突变的微管道或微腔体的横截面面积大于进样微管道的横截面面积，且其与进样微管道在连接处的交接角大于或等于90℃。
2.按权利要求1所述的毛细微阀，其特征在于所述的油相填充微管道的横截面面积小于进样微管道横截面面积。
3.按权利要求1所述的毛细微阀，其特征在于所述的横截面突变的微管道或微腔体和进样微管道的截面为圆形、矩形或梯形。
4.按权利要求2所述的毛细微阀，其特征在于所述的油相填充微管道的截面为圆形、矩形或梯形。
5.按权利要求1所述的毛细微阀的应用，其特征在于用作混合反应微反应器时的使用方法是：
①设计进样微管道为两条平行的进样微管道共同连接一个横截面突变的微管道；
②然后将两种待反应的水相试剂或样品分别导入两条进样微管道(1)中，并通过微阀限流作用使两者均停止在进样微管道与横截面突变的微管道连接处；
③通过两侧油相填充微管道(3)向横截面突变的微管道中同时充入油相流体，触发两种水相流体突破反向毛细压强的限流作用，同时进入横截面突变的微管道中实现混合，形成反应区域(10)。
6.按权利要求1所述的毛细微阀的应用，其特征在于用作蛋白质逆向扩散结晶时的使用方法是：
①进样微管道设计为两条相对排布的进样微管道，共同连接一个横截面突变微腔体；
②首先将蛋白质样品和结晶剂分别导入两条相对排布的进样微管道(1)中，并通过微阀限流作用使两者均停止在进样微管道与横截面突变的微腔体连接处，同时保持两个相对排布的进样微管道入口处驱动压的一致性；
③然后，通过油相填充管道(3)向横截面的微腔体中充入油相流体，触发蛋白质液和结晶剂两种水相流体突破反向毛细压强的限流作用，同时进入横截面突变的微腔体中实现界面混合，并形成逆向扩散区域(11)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |