CN109630401B - 一种用于微流控装置的注射器泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微流控装置的注射器泵，包括泵筒外壳体，外壳体限定内部空腔，还具有由止挡部限定的开口，柱塞限定在空腔中，包括控制杆，控制杆的头部能够与柱塞的保持部通过挠性卡口进行卡合和释放状态的切换，在卡合状态下，通过移动控制杆来控制柱塞在注射器筒内的移动；使用完毕时，通过止挡部对于柱塞的限制完成控制杆的释放，本发明简单的实现了控制杆与柱塞之间的结合和分离，使得注射器泵始终保持密封状态，便于保持微流控系统的密封和防止不必要的样品泄露。

Description

一种用于微流控装置的注射器泵

技术领域

本发明涉及一种注射器泵，尤其涉及一种可集成到微流控卡盒中的注射器泵。

背景技术

微流控系统中常使用泵作为驱动流体进入或流出微流控通道的动力，虽然有如蠕动泵、压差空气泵、活塞泵、电泳泵等许多形式的泵，注射器泵在微流控系统中具有成本较低，稳定性高等优点。而集成式注射器泵相比其外注射器泵，进一步提高微流控系统的稳定性和可控性。集成式注射器泵通常由与微流体通道相连接的塑料管和可以将流体抽进或退出注射器管的柱塞组成。但常规的注射器泵并非为微流控系统而设置，由于活塞往往接触到试剂或样本，因此在密封性相对较差，存在着泄露和交叉污染的风险，此外，液体与柱塞直接接触也可能导致液体体积的浪费。

发明内容

本发明的目的为是设置一种微流控系统中的集成注射器泵，可以解决上述现有技术中的问题。

根据本发明的主要方面，提供了一种注射器泵，包括：

注射器泵筒，包括泵筒外壳体，外壳体内部限定有空腔，外壳体具有出口使得空腔与液体流道联通，泵筒外壳体的与出口位置不同的一端具有由止挡部限定的开口；

柱塞，所述柱塞置于所述注射器泵筒的空腔内，且可沿泵筒轴移动，所述止挡部将所述柱塞的移动限制在空腔内；所述柱塞与所述外壳体开口处相对应的端部设置有保持部，保持部限定匹配控制杆的至少一部分的结构；

控制杆，所述控制杆包括控制杆主轴及主轴端部的头部，所述控制杆能够通过所述注射器泵筒的开口进入所述空腔中，其中所述控制杆的头部与所述柱塞的保持部形状相适配，使得所述控制杆沿轴向柱塞部施加作用力时，所述控制杆的头部能够与所述柱塞的保持部进行卡合；在保持卡合状态下，通过控制杆杆部的轴向运动，控制柱塞在注射器泵筒空腔范围内的沿轴向的往复移动；所述控制杆沿相反的方向施加作用力时，所述泵筒外壳体的止挡部对于柱塞的限制使得所述控制杆的头部与所述保持部由卡合状态释放。

根据本发明的另一方面，所述控制杆的头部呈尺寸大于控制杆主轴的结构，例如舌状、块状凸缘或锥形或圆形的膨胀块；所述柱塞的保持部具有嵌入部及挠性卡口，所述挠性卡口宽度至少小于控制杆头部的最大内径。其中，柱塞的材料采用弹性材料制成，而控制杆采用硬质材料制成。

根据本发明的一个方面，控制杆的主轴的直径与小于注射器泵筒的开口，或者两者直径基本相同。

根据本发明的一个方面，所述注射器泵为集成式微流控装置注射器泵，所述注射器泵筒外壳体的一面与微流控卡盒基板固定；

根据本发明的另一个方面，所述注射器泵可拆卸的与微流控装置的基板连接固定。

在本发明的的一个方面中，所述注射器泵筒轴向与微流控装置基板平行设置；

在本发明的另一个方面中，所述注射器泵筒轴向与基板垂直设置，在控制杆与柱塞卡合状态下，所述柱塞在所述注射器泵筒限定的空腔中上下移动。

在本发明的一个方面中，控制杆可连接动力控制装置，动力控制装置驱动控制杆将期望的力施加在柱塞上，用以产生一定正压或负压驱动期望容量的液体从微流道中流入注射器空腔或反方向流出。

在本发明的另一个方面中，还包括液位传感器，用以检测注射器泵中的液体流动情况，防止有空气被推入微液道，并确定注射器泵推出或抽入液体的容积。

本发明具有如下优点：集成式注射器泵具有较短的长度，控制杆与泵之间的卡合和释放状态的切换很简单，通过控制杆向与柱塞在轴向方向向基板的推压，即可实现控制杆与柱塞的卡合，通过移动控制杆来完全控制柱塞在注射器筒内的移动；而使用完毕后，控制杆与柱塞移动到空腔的顶端时，由于止挡部对于柱塞的限制，柱塞部分与控制杆受到相反方向的力使得柱塞保持部分的挠性卡口变形，控制杆脱离柱塞，此时控制杆可以从卡盒中取出。

在以上整个过程中，控制杆与泵之间的接合方法非常地简单，不需要复杂的机制来接合和拆除柱塞，而注射器泵始终保持着密封的状态，液体的接触始终被密封在由柱塞和注射器泵筒所限定的腔体内，仪器的任何部分都不会接触到卡盒中的液体，因此，消除了泄漏和交叉污染的风险。

同时，在操作结束时，液体被保存在密封地卡盒中，泵中的液体不会与实际操作的柱塞相接触，减少了液体的浪费，保证了处理的安全性。

附图说明

图1为本发明所述的注射器泵筒的典型结构；

图2为初始进入卡合状态的示意图；

图3为卡合状态下的使用示意图；

图4为由卡合状态进入释放状态的示意图；

具体实施方式

以下将描述本发明的一个或多个具体实施例。应该理解，任何工程或设计项目中的任何这样的实际实施方案的改进、大量的具体实施措施都应实现改进者的具体目标。当介绍本发明各实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”意图表 示存在一个或多个元件。“包括”、“包含”和“具有”意图是包含性的， 并且表示还可存在除了所列元件之外的其它元件。此外，“顶”、“底”、 “上”、“下”及它们的变体均为了方便而使用，而并不要求部件具有特定取向。

由附图1所示，本发明的微流控注射器泵，包括注射器泵筒100，包括泵筒壳体101，泵筒壳体101内部限定有空腔102，在此实施例中，泵筒呈圆柱形，壳体的底部与微流控卡盒的基板固定，且底部设置流体出口103，在泵筒壳体的上端具有开口104，开口具有止挡部105，止挡部105使得开口104的直径小于空腔103的内径。

由弹性材料构成的柱塞200，限定在由泵筒壳体101限定的的空腔102内部，可以沿着注射器泵筒100的轴向上下移动，当其移动到泵筒上端的开口处时，止挡部105所限制柱塞200的进一步向外移动。柱塞200的顶部具有特定形状的保持部201。柱塞200的形状，与微流道出口接触的一面设置为与壳体或微流道出口适配的结构，例如呈圆锥形、或呈现截面为梯形或矩形的形状。

控制杆300，在本实施例中控制杆包括主轴301，其近端为控制杆头部302，其中主轴301远端可以连接动力控制系统400，以施加压力驱动控制杆300在注射器泵筒轴线方向上的往复移动。

控制杆300的头部302具有与柱塞保持部201相匹配的结构，在本实施例中，控制杆的头部302设置为具有舌状或者块状凸缘，而柱塞保持部201则具有的嵌入部202及挠性卡口203，嵌入部202及挠性卡口203共同限定适宜接收控制杆头部302的部分。其中挠性卡口203的宽度至少小于控制杆头部302的最大内径，嵌入部202大致的与控制杆头部302的形状适配。

其中，柱塞200的材料采用弹性材料制成，而控制杆300采用硬质材料制成，上述控制杆头部302与柱塞保持部201的形状设置，使得控制杆300沿轴向柱塞200施以压力作用时，控制杆的头部302可以在力的作用下，使得柱塞的挠性卡口203产生形变，从而与所述柱塞的保持部201进行卡合，且保持卡合状态，此时控制系统对于控制杆杆部的直线作用，使得控制杆300带动柱塞在注射器泵筒空腔102范围内沿轴向进行移动，起到对于空腔102内液体的抽吸作用；而当控制杆300沿轴向向相反方向运动，直至柱塞200到达接近泵筒上端开口104的位置时，注射器泵筒的止挡部104阻挡柱塞200，在此实施例中，柱塞200受到止挡部向下方的力，控制杆300受到来自动力系控制系统的反方向的力，因此控制杆头部302的凸缘结构使得柱塞保持部201的挠性卡口203产生形变，控制杆头部302与柱塞保持部201脱离，控制杆与柱塞由卡合状态变为释放状态。

其中控制杆200主轴的直径与小于注射器泵筒的开口104，或者两者直径基本相同，以便于控制杆插入注射器泵筒的空腔中。

在一种实施例中，柱塞200可以采用橡胶制成，而控制杆300由金属或塑料等硬质材料制成。控制杆300可以连接到动力控制设备400中，使其将期望的力施加在柱塞200上，用以产生一定正压或负压驱动期望容量的液体从微流道中流入注射器空腔或反方向流出。

典型的动力控制装置400可包括电机，传动机构，线性驱动器等，电机可以采用步进电机，传动机构可以为减速传动机构，控制杆300的主轴通过安装部分永久或可拆卸的连接到动力控制装置上，也可以与各种类型的动力控制装置连接。

下文叙述了本发明中微流控注射器泵的典型使用方法：

进入卡合状态：如图2所示，首先将控制杆连接动力控制设备，动力控制设备在例如微电机的作用下驱动控制杆，驱动杆穿过注射器泵筒的开口进入空腔中，继续向下移动，在一定压力的作用下控制杆头部使得挠性的卡口形变，从而推入柱塞保持部的嵌入部中。控制杆头部除舌型或块状凸缘外，还可以采用锥形、圆形或具有一定坡度的形状，便于进入柱塞保持部时减少阻力。

使用状态中：如图3所示，此时柱塞与控制杆为卡合状态，动力控制装置通过移动控制杆来控制柱塞在注射器泵筒中的上下移动。结合微流控阀，可以将流体从液体贮存器抽到泵筒中，或者将泵筒中的液体通过微流道推入其它期望的流体出口。

释放状态：如图4所示，当注射器泵筒使用完毕后，控制杆带动柱塞向注射器泵筒的上方移动至柱塞被止挡部所限制，作用力使得控制杆的头部从柱塞保持部脱离出来，从而将控制杆和柱塞由卡合状态变为释放状态，可将控制杆从微流控装置的卡盒中取出。

上述实施例中，注射器泵筒轴向与基板垂直设置，在在控制杆与柱塞卡合状态下，所述柱塞在所述注射器泵筒限定的空腔中可轴向移动。此种设置状态下，所述注射器泵筒还可以兼用作液体混合的腔体。结合微流控阀，将期望混合的流体通过腔体底部的出口通道抽入泵筒的空腔内，通过控制杆结合柱塞的重复性往返移动，促进对于流体的混合，且垂直设置的泵筒结构便于在混合液体混入气泡的情况下，气泡上升至接近柱塞的顶端；混合后的液体再次被驱动至基部的微液道中时，例如在液位传感器或流体传感器的监测下，液体中被混入的气泡将留在柱塞顶端而不会被传输至后续的步骤中。

而在另一个附图未示出的实施例中，所述注射器泵筒的轴向与微流控装置基板平行设置，即控制杆沿着水平方向带动柱塞进行移动，与基板平行设置的方式在某些集成微流控结构中可以节省微流控装置的体积，或增加控制杆的移动范围。

在注射器泵筒的空腔中可设置液位传感器，用以检测注射器泵中的液体流动情况，防止有空气被推入微液道，并确定注射器泵推出或抽入液体的容积；也可以在注射器泵通出口接的微流控通道中设置液体传感器，进行液体流量的检测，对于动力控制系统进行反馈控制，也可以进行微流道中空气的检测。在此实施例中，通过动力设备的参数设置，可以准确的调节控制杆的移动速度，进而控制流体的流速。

本发明的注射器泵筒适用于微流控装置，以永久或者可拆卸的方式集成在微流控卡盒的基板上，也可以适用于其它具有一定体积和精度要求的其它注射器泵的装置或系统中。

以上实施方式仅适于说明本公开，而并非对本公开的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本公开的范畴，本公开的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种用于微流控装置的注射器泵，包括：

注射器泵筒，包括泵筒外壳体，泵筒外壳体内部限定有空腔，泵筒外壳体具有出口使得空腔与液体流道联通；泵筒外壳体的与出口位置不同的一端具有由止挡部限定的开口；

柱塞，所述柱塞置于所述注射器泵筒的空腔内，且可沿泵筒轴移动，所述止挡部将所述柱塞的移动限制在空腔内；所述柱塞与所述泵筒外壳体开口处相对应的端部设置有保持部；保持部限定匹配控制杆的至少一部分的结构；

控制杆用以施加动力，所述控制杆包括控制杆主轴及主轴端部的头部，所述控制杆能够通过所述注射器泵筒的开口进入所述空腔中，其中所述控制杆的头部与所述柱塞的保持部形状相适配，使得所述控制杆沿轴向柱塞部施加作用力时，所述控制杆的头部能够与所述柱塞的保持部进行卡合且保持卡合状态；所述控制杆沿相反的方向施加作用力时，所述泵筒外壳体的止挡部对于柱塞的限制使得所述控制杆的头部与所述保持部由卡合状态变为释放状态；

所述控制杆的头部尺寸大于控制杆主轴，所述柱塞的保持部具有嵌入部及挠性卡口，所述挠性卡口的宽度至少小于控制杆头部的最大直径；

其特征在于，

所述注射器泵为集成式微流控装置注射器泵，所述泵筒外壳体的一面与微流控卡盒基板连接；所述控制杆远离头部的一端连接动力控制装置；所述动力控制装置驱动控制杆将期望的力施加在柱塞上，用以产生一定正压或负压驱动期望容量的液体从所述出口连接的微流道中抽入或压出。

2.一种如权利要求1的注射器泵，其特征在于：在所述卡合状态下，通过控制杆杆部的轴向运动，柱塞在注射器泵筒空腔范围内沿轴向往复移动。

3.一种如权利要求1的注射器泵，其特征在于: 所述保持部具有能接收所述控制杆头部的结构。

4.一种如权利要求3的注射器泵，其特征在于：所述控制杆的头部尺寸大于控制杆主轴，所述柱塞的保持部具有嵌入部及挠性卡口，所述挠性卡口的宽度至少小于控制杆头部的最大直径。

5.一种如权利要求4的注射器泵，其特征在于：所述控制杆的头部呈舌状或块状凸缘。

6.一种如权利要求4的注射器泵，其特征在于：所述控制杆的头部呈锥形或圆形的膨胀结构。

7.一种如权利要求1或3的注射器泵，其特征在于：所述柱塞的材料采用弹性材料制成；所述控制杆采用硬质材料制成。

8.一种如权利要求7的注射器泵，其特征在于：所述注射器泵固定或可拆卸的与微流控装置的基板连接。

9.一种如权利要求8的注射器泵，其特征在于：所述注射器泵筒轴向与微流控装置基板平行设置或垂直设置；当垂直设置时，在控制杆与柱塞卡合状态下，所述柱塞在所述注射器泵筒限定的空腔中上下移动。

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