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CN108686724A - 一种微流控时控阀门 - Google Patents

一种微流控时控阀门 Download PDF

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CN108686724A
CN108686724A CN201710228545.1A CN201710228545A CN108686724A CN 108686724 A CN108686724 A CN 108686724A CN 201710228545 A CN201710228545 A CN 201710228545A CN 108686724 A CN108686724 A CN 108686724A
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China
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liquid pool
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microfluidic
controlled valve
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吴烨娴
吴永进
宋璐
陈兢
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Suzhou Is Containing Light Micro-Nano Science And Technology Ltd
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Abstract

本发明涉及一种微流控时控阀门，其包括至少一条流道，通过所述流道的尺寸、形状、结构中的一种或多种实现时控阀门功能。进一步还可包括与所述流道连接的液池，构成流道‑液池组合流道，并通过流道和液池的尺寸、形状、结构中的一种或多种实现时控阀门功能。本发明可通过控制流道的体积控制溶液由一个区域流入另一个区域的时间，实现时控阀门的功能；并可通过调节流道的截面积控制溶液进入特定区域的流量，实现对溶液在所需区域流量的控制；若流道和液池内嵌入微结构又可实现溶液混合等功能。本发明的微流控时控阀门无复杂结构、无可动单元，具有制作简单、成本低廉和使用寿命长等优点，在微流控及相关领域具有广阔的应用前景。

Description

一种微流控时控阀门
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种微流控时控阀门。
背景技术
微流控芯片(Microfluidic chip)是指通过微加工技术(MEMS)、注塑技术及其它加工方法将一个生物、化学实验室的基本功能微缩到一块只有几平方厘米大的芯片上面，一般由微通道形成网络，用可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物实验室的各种功能。具体到各种微生物化学分析与检测微流控芯片的功能实现方面，基本均是以试样和试剂在微流控芯片中的运输、混合以及反应等过程得到精确有效的控制为前提。这种控制需要借助高效、精准、稳定且能够与微流控芯片结合的微流控时控阀门来实现。
目前微流控芯片中的时控阀门根据关键时控部件可以分为：可动部件控制和固定部件控制两大类。基于可动部件控制的微流控阀门利用可动单元或材料的热致、电致膨胀系数的不同实现阀门通断的功能，如热敏变形驱动阀和气压驱动阀等；基于固定部件控制的微流控阀门是利用微流体性质实现阀门通断功能，如相变阀(通过调节微流体的温度改变其固、液状态，进而实现溶液通断的功能)。
以上阀门均需要借助于外部控制实现阀门通断功能，如提供可变形材料的温度或电压驱动、微阀门旋转的气压驱动或微流体相变温度驱动等。可动单元控制的微流控阀门还需要考虑芯片使用的耐久度和稳定性等问题。这些问题使得阀门对流体通断控制的精准性、稳定性大打折扣，无疑增加了微流控芯片使用的不确定性，从而影响微流控芯片的分析结果。同时，借助外界控制因素使得芯片的制作难度和使用成本难以降低。
综上所述，如何提供一种高稳定性、低制作难度且制备简单成本低廉的微流控阀门，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
针对以上微流控阀门的诸多问题，本发明的目的是提出一种微流控时控阀门，从而打破传统单纯使用阀门通断的方式实现对微流体到达微流控芯片特定区域的时间控制。该微流控时控阀门不仅能对微流体实现精准、稳定控制；也可以实现对时控阀门两侧的液体流量进行控制；同时具有制作工艺简单、制作难度低且成本低廉等优点。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种微流控时控阀门，包括至少一条流道，通过所述流道的尺寸、形状、结构中的一种或多种实现时控阀门功能。
进一步地，所述微流控时控阀门还包括与所述流道连接的液池，所述液池和所述流道构成流道-液池组合流道，所述流道-液池组合流道通过流道和液池的尺寸、形状、结构中的一种或多种实现时控阀门功能。
进一步地，所述流道-液池组合流道中，流道、液池的组合顺序可以是流道-液池的组合；可以是流道-液池-流道的组合；可以是液池-流道的组合；可以是液池-流道-液池的组合。
进一步地，所述流道的外形可以是笔直的，也可以是弯曲的；弯曲的流道可以是有规律的弯曲，也可以是随意弯曲；流道整体可以呈现一定形状，也可以杂乱无章。
进一步地，所述流道可以在同一平面内，也可以在不同平面内。
进一步地，所述流道的长度、宽度、深度可以单独设计尺寸，也可以相互关联，实现对微流体“通”、“断”的控制。
进一步地，所述流道的截面可以是矩形、方形、半圆形、梯形及其他多边形。
进一步地，所述流道与液池保持连接，可以在同一平面内，也可以在不同平面内。
进一步地，所述流道、液池内部可以嵌入微结构也可以不嵌入微结构。嵌入微结构时，可以实现溶液混合等功能。
进一步地，所述流道、液池内部所嵌入的微结构的形状为任意一种或几种形状的组合。
进一步地，所述流道、液池内部所嵌入的微结构的高度可以与流道深度相同也可以是小于流道深度的任意高度。
进一步地，所述流道、液池内部所嵌入的微结构的排列方式可以是有序排列也可以是随机排列。
进一步地，所述流道、液池内部所嵌入的微结构的顶部可以是圆形、方形或弧形。
进一步地，所述流道、液池内部所嵌入的微结构的密度为任意密度，也可以不嵌入微结构。
进一步地，所述流道、液池内部是否嵌入微结构相互独立，互不影响；也可以为实现一些附加功能，如混合功能，相互关联。
进一步地，所述液池的外形可以是规则的方形、圆形、半圆形、三角形，也可以是不规则图形。
进一步地，所述液池的截面可以是规则的方形、圆形、半圆形、三角形，也可以是不规则图形。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的微流时控阀门至少包括一条连续流道或一条由一个或若干个流道-液池的组合流道。
本发明根据具体需求，设计流道或流道-液池组合流道的尺寸(流道长度、液池大小等)、形状(流道的外形、截面形状，液池形状等)、结构(有无微结构，微结构的位置、微结构的密度、形状等)来实现微流体在指定的时间流入指定的区域——即实现时控阀门的功能；还可以通过设计流道不同的截面尺寸控制时控阀门两侧流体的流动速率，达到精确检测的目的。对于多路微流体进入同一区域的微流控芯片，当多路微流体流经本发明提供的时控阀门时还可以实现多路微流体的被动混合。
综上可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)可以实现对微流体流到指定区域精确的时间控制，满足当前微流控芯片对微流体精准、稳定控制的需求；
2)可以对时控阀门两侧区域的微流体进行流量、流速的控制，因此集成该时控阀门的微流控芯片可以根据检测芯片需求，调节时控阀门两侧区域的流量、流速；
3)本发明采用长流道的方式实现时控阀门的功能，该长流道可以实现多路微流体的混合，增加微流控芯片的集成度，以及时控阀门的多功能性。
4)本发明的时控阀门为固定部件，具有制作工艺简单、制作难度低(可以采用注塑成型技术等方法制作)且成本低廉等优点。
附图说明
图1是两种典型时控阀门示意图。
图2是不同形状的流道外形示意图。
图3是不同形状的微结构的示意图。
图4是不同微结构截面示意图。
图5是不同外形的液池俯视示意图。
图6是流道或液池截面示意图。
图7是流道截面示意图。
图8是微流道-液池组合示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
本发明的微流控时控阀门包括至少一条流道，通过所述流道的尺寸、形状、结构中的一种或多种实现时控阀门功能。在流道基础上还可增加与流道连接的液池，构成流道-液池组合流道，该流道-液池组合流道通过流道和液池的尺寸、形状、结构中的一种或多种实现时控阀门功能。也就是说，本发明至少包括一条连续流道或一条由流道、液池构成的组合流道。图1是两种典型时控阀门示意图。
所述流道的外形可以是笔直的，也可以是弯曲的；弯曲的流道可以是有规律的弯曲，也可以是随意弯曲；流道整体可以呈现一定形状，也可以杂乱无章。图2是不同形状的流道外形示意图。
所述流道、液池内部可以嵌入微结构也可以不嵌入微结构。嵌入微结构时，可以实现溶液混合等功能。所述微结构的形状为任意一种或几种形状的组合。图3是不同形状的微结构的示意图。图4是不同微结构截面的示意图。微结构的高度可以与流道深度相同也可以是小于流道深度的任意高度。微结构的排列方式可以是有序排列也可以是随机排列。微结构的顶部可以是圆形、方形或弧形。微结构的密度为任意密度，也可以不嵌入微结构。流道、液池内部是否嵌入微结构相互独立，互不影响。
所述液池的外形可以是规则的方形、圆形、三角形，也可以是不规则图形，如图5所示。
所述流道和液池的截面可以是规则的方形、圆形、三角形，也可以是不规则图形。如图6所示。
所述流道-液池组合流道中，流道、液池的组合顺序可以是流道-液池的组合；可以是流道-液池-流道的组合；可以是液池-流道的组合；可以是液池-流道-液池的组合，如图7所示。
本发明提供的微流控时控阀门不仅可以通过控制流道的体积控制溶液由一个区域流入另一个区域的时间，实现时控阀门的功能；同样可以通过调节流道的截面积控制溶液进入特定区域的流量，实现对溶液在所需区域流量的控制；若流道和液池内嵌入微结构又可以实现溶液混合等功能；并且该微流控时控阀门无复杂结构、无可动单元。因此，该微流控时控阀门具有制作简单、成本低廉和使用寿命长等优点，在微流控及相关领域具有广阔的应用前景。
图8为一个具体实例的微流控芯片的示意图，该芯片由进样区A，时控阀门区B和功能区C组成，其中时控阀门由弯曲流道-液池-弯曲流道组成，且液池内部嵌入规律分布的圆柱结构。该微流控芯片由包含进样区A、时控阀门B和功能区C的基片与相同材质的盖片组成，形成封闭流道。芯片材料均为生物兼容性良好的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，两层材料通过热压键合的方式封接。芯片使用生物兼容性良好的亲水材料做表面处理。时控阀门区域的流道-液池-流道深度均为60μm，流道宽度为40μm，液池内嵌入圆柱直径为50μm，间距70μm。该微流控芯片首先进行医用紫外消毒箱内过夜灭菌，然后向进样区A的进液口内加入血液样本。血液样本由进样区A进入时控阀门区B后，经过10min后，进入芯片功能区C，证明了本发明的时控阀门的可行性。
在上述实施例的基础上，时控阀门同样可以是多条“流道-液池”的并联组合，这样既可以控制流速也可以更加有效的控制流量，同时可以起到增强流体混合效果的作用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种微流控时控阀门，其特征在于，包括至少一条流道，通过所述流道的尺寸、形状、结构中的一种或多种实现时控阀门功能。
2.根据权利要求1所述的微流控时控阀门，其特征在于，还包括与所述流道连接的液池，所述液池和所述流道构成流道-液池组合流道，所述流道-液池组合流道通过流道和液池的尺寸、形状、结构中的一种或多种实现时控阀门功能。
3.根据权利要求1或2所述的微流控时控阀门，其特征在于，所述流道的外形是笔直的或弯曲的；所述流道在同一平面内，或在不同平面内，呈立体结构。
4.根据权利要求1或2所述的微流控时控阀门，其特征在于，所述流道的截面是方形、圆形、梯形、三角形或其他多边形。
5.根据权利要求1或2所述的微流控时控阀门，其特征在于，所述流道内部和/或所述液池内部嵌入微结构，或者不嵌入微结构。
6.根据权利要求5所述的微流控时控阀门，其特征在于，所述微结构的形状为任意一种或几种形状的组合；所述微结构的高度与流道深度相同，或者是小于流道深度的任意高度；所述微结构的排列方式是有序排列或者是随机排列；所述微结构的顶部是圆形、方形或弧形。
7.根据权利要求2所述的微流控时控阀门，其特征在于，所述流道-液池组合流道包含至少一个流道和至少一个液池，流道和液池间的连接形式为下列中的一种：流道-液池；液池-流道；流道-液池-流道；液池-流道-液池；流道-液池-流道-液池。
8.根据权利要求2所述的微流控时控阀门，其特征在于，所述液池的外形是方形、圆形、半圆形、梯形、三角形或其他多边形。
9.根据权利要求2所述的微流控时控阀门，其特征在于，所述液池的截面是方形、圆形、半圆形、梯形、三角形或其他多边形。
10.一种微流控芯片，其特征在于，包含权利要求1-9中任一权利要求所述的微流控时控阀门。
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