一种微流控进样系统转让专利
申请号 : CN201911108235.1
文献号 : CN110787848B
文献日 : 2021-05-04
发明人 : 段钰彤 , 夏焕明
申请人 : 南京理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种微流控进样系统,其特征在于,包括定量取样模块、气压驱动和控制模块、负压生成器(14);所述定量取样模块包括试样池(11)、入口工作通道(12)、第一单向阀(15)、第一疏水阀(17)、定量取样腔室(20)、第二疏水阀(18)、第三疏水阀(19)、第二单向阀(16)、出口工作通道(13);
所述试样池(11)通过入口工作通道(12)与定量取样腔室(20)进口端相连,所述入口工作通道(12)上设有第一单向阀(15);所述定量取样腔室(20)出口端与出口工作通道(13)相连,所述出口工作通道上设有第二单向阀(16);所述定量取样腔室(20)进口端和出口端分别设有第一疏水阀(17)和第二疏水阀(18);所述第二疏水阀(18)与第二单向阀(16)之间设有第三疏水阀(19);
所述气压驱动和控制模块通过第一控制通道(21)与第一疏水阀(17)相连,通过第二控制通道(22)与第三疏水阀(19)相连,通过第三控制通道(23)与负压生成器(14)气体入口(141)相连,所述负压生成器(14)负压出口(142)与第二控制通道(22)相连,气体出口(143)与外界大气连通;所述第一疏水阀(17)用于取样时,避免入口工作通道(12)中的试样进入第一控制通道(21)中;所述第三疏水阀(19)用于进样时,避免液体流入第二控制通道(22),所述第一单向阀(15)、第二单向阀(16)的正向流向均为取样流动方向。
2.根据权利要求1所述的微流控进样系统,其特征在于,所述气压驱动和控制模块包括微型气泵(1)、第一电磁阀(3)、第二电磁阀(4)、第三电磁阀(5)、控制器(2);
所述微型气泵(1)通过一路管路与第一控制通道(21)相连,该管路上设有第一电磁阀(3);第一控制通道(21)与第二控制通道(22)通过一路管路相连,该管路上设有第二电磁阀(4);所述微型气泵(1)通过另一端管路与第三控制通道(23)相连,该管路上设有第三电磁阀(5);所述控制器(2)用于控制第一电磁阀(3)、第二电磁阀(4)、第三电磁阀(5)的启闭;取样时,所述第二电磁阀(4)、第三电磁阀(5)打开,第一电磁阀(3)关闭;进样时,所述第二电磁阀(4)、第三电磁阀(5)关闭,第一电磁阀(3)打开。
3.根据权利要求1所述的微流控进样系统,其特征在于,所述第一疏水阀(17)、第二疏水阀(18)的毛细压均小于第三疏水阀(19)的毛细压。
4.根据权利要求1所述的微流控进样系统,其特征在于,所述第一疏水阀(17)、第二疏水阀(18)的孔径均大于第三疏水阀(19)的孔径。
5.根据权利要求1所述的微流控进样系统,其特征在于,所述第一单向阀(15)、第二单向阀(16)均采用弹性膜制成。
6.根据权利要求5所述的微流控进样系统,其特征在于,所述第一单向阀(15)、第二单向阀(16)的弹性膜采用硅胶弹性膜。
7.根据权利要求1所述的微流控进样系统,其特征在于,所述负压生成器(14)的气体入口(141)端为渐缩形入口、气体出口(143)端为喇叭形出口;负压出口(142)端与气体入口(141)端相连端的壁长,要大于负压出口(142)与气体出口(143)端相连端的壁长。
8.根据权利要求2所述的微流控进样系统,其特征在于,所述控制器还用于控制第一电磁阀(3)、第二电磁阀(4)、第三电磁阀(5)的开关时间和循环次数,以调整驱动时间的占空比和运行时间,根据脉冲调制技术控制试样流率。
说明书 :
一种微流控进样系统
技术领域
背景技术
试剂少、仪器设备便于小型化设计等优点,因而在近年获得了较快发展。流体进样是微流控
技术工程应用中的一个关键环节,涉及定量取样,流体驱动和进样流速控制等内容。这一操
作可利用内置集成式微泵来完成,但结构复杂、成本高,不适用于一次性微流控芯片。如采
用外置注射泵、压力泵等给样方式,则容易受水容效应影响,在进样体积较小时产生较大误
差。采用压力泵驱动时,除需要稳定压力源外,还需要精密压力调节计对驱动气压和流速进
行调节,成本较高。例如Jessica Melin&Stephen R.Quake,Microfluidic Large‑Scale
Integration:The Evolution of Design Rules for Biological Automation(J),
Annu.Rev.Biomol.Struct.2007.36:213‑231.发表的一种在芯片内利用多个微阀控制通道
通断完成微量样品定量进样的方法,该方法为实现在线定量取样,通常需要多个控制微阀,
结构较为复杂,并且微阀内流动死区容易造成液体残留,影响取样精度。
发明内容
疏水阀、第三疏水阀、第二单向阀、出口工作通道;
上设有第二单向阀;所述定量取样腔室进口端和出口端分别设有第一疏水阀和第二疏水
阀;所述第二疏水阀与第二单向阀之间设有第三疏水阀;
压出口与第二控制通道相连,气体出口与外界大气连通;所述第一疏水阀用于取样时,避免
入口工作通道的液体进入第一控制通道;所述第三疏水阀用于进样时,避免液体流入第二
控制通道,所述第一单向阀、第二单向阀的正向流向均为取样流动方向。
附图说明
具体实施方式
疏水阀17、定量取样腔室20、第二疏水阀18、第三疏水阀19、第二单向阀16、出口工作通道
13;
连,所述出口工作通道13上设有第二单向阀16;所述定量取样腔室20进口端和出口端分别
设有第一疏水阀17和第二疏水阀18,定量取样腔室20的取样体积决定于第一疏水阀17和第
二疏水阀18之间的腔室容积。所述第二疏水阀18与第二单向阀16之间设有第三疏水阀19。
入口141相连,所述负压生成器14负压出口142与第二控制通道22相连,气体出口143与外界
大气连通;所述第一疏水阀17用于取样时,避免入口工作通道12中试样进入第一控制通道
21,起到截止的作用;所述第三疏水阀19用于进样时,保证液体只在从出口工作通道13流
动,避免流入第二控制通道22,所述第一单向阀15、第二单向阀16的流向均为取样流动方
向。
连端的壁长L2,避免长度一致时,气流直接进入负压出口142,如图4所示。
处的流动速度为V,静压力为P,动压为 由伯努利公式 可得,气流经过
负压生成器14在负压出口142处生成一个与外界大气压相差 的负压差。
22、第三控制通道23、负压生成器14集成在一块芯片上,构成定量取样芯片,同时还包括入
口工作通道12的接口6、试样出口10、外置气压驱动和控制模块分别于第一控制通道21、第
二控制通道22、第三控制通道23连通的接口7、8、9。
连,该管路上设有第二电磁阀4;所述微型气泵1通过另一路管路和接口9与第三控制通道23
相连,该管路上设有第三电磁阀5;所述控制器2是PLC一体机,用于控制第一电磁阀3、第二
电磁阀4、第三电磁阀5的启闭;取样时,所述第二电磁阀4、第三电磁阀5打开,第一电磁阀3
关闭;进样时,所述第二电磁阀4、第三电磁阀5关闭,第一电磁阀3打开。
在推动过程中要流过第二疏水阀18并流经第三疏水阀19处的出口工作通道13与第二控制
通道22的结合处,要保证试样不能流入控制通道,所以泵压要大于第一疏水阀17、第二疏水
阀18的毛细压,要小于第三疏水阀19的毛细压。
应的泵压为85Kpa,能够产生大小为8kPa的负压。负压驱动试样进入微流控定量取样芯片的
定量取样腔室。在这个过程中,电磁阀电源接到PLC一体机,与PLC共用电源,由PLC一体机控
制电磁阀的时序开关。设置PLC电磁阀时序控制,使电磁阀4、5打开,电磁阀3关闭。微泵产生
的气流经电磁阀5从定量取样芯片的接口9流进,经过负压生成器14生成负压差ΔP。负压通
过疏水阀19直接作用于出口工作通道13;同时负压经取样芯片的接口8和电磁阀4流出,再
从取样芯片的接口7流入,通过疏水阀17作用到入口工作通道12,以避免各控制通道内空气
经疏水阀17进入取样腔室20,影响取样精度,如果试样中有气体也可从疏水阀17排出。单向
阀15、16利用0.25mm厚硅胶弹性膜构建。工作原理是当流体正向流动时,能够用较小的驱动
压力打开单向阀;当流体反向流动时,由于单向阀的自锁作用,即在一定驱动压力范围内,
不管驱动压力多大,都无法将单向阀打开。在本定量进样系统中,流体由左向右流动是正向
流动,由右向左流动是反向流动,如图3(a‑b)所示。通过实验验证得到单向阀的正向阻力为
0.2Kpa。在工作通道中由于负压的作用,克服单向阀15的正向阻力,使单向阀15打开,单向
阀16关闭,试样从入口6经过单向阀15被吸入取样腔室,单向阀16关闭能够避免外界气体进
入芯片,破坏负压环境。气泵产生的气流在负压生成器14处利用伯努利效应产生的负压值
小于疏水阀17和18的毛细压,所以液体试样不能穿过阀17进入第一控制通道21,起到将工
作通道与控制通道相隔离的作用,当试样充满腔室并到达疏水阀18的位置后自动终止,完
成定容积取样。
泵压通过电磁阀3经接口7、疏水阀17后直接作用于取样芯片中定量取样腔室的入口。此时
由于反向压力作用在单向阀15上,单向阀15关闭,防止试样经过单向阀15流向入口工作通
道12,影响取样精度。泵压高于疏水阀17、18的毛细压,所以试样在泵压的驱动下穿过疏水
阀18,流向出口工作通道13。由于泵压低于疏水阀19的毛细压,所以试样不能进入第二控制
通道22,会继续向下游流动。在泵压的驱动下,单向阀16打开,试样经单向阀16,流出出口10
注入微流控芯片。
试样出口10移动;电磁阀关闭时,排气口与外界连通,气压释放,试样流动停止。通过在PLC
一体机上设置电磁阀的开关时间和循环次数,即调整驱动时间的占空比和运行时间,可控
制试样的流速。
19.67μl~19.82μl范围内,最大取样误差约为1.7%。整体结果较设计值20μl偏低是因为定
量取样芯片在热粘合加工过程中,取样腔室产生稍微变形,深度变浅造成的,可在前期设计
中略微增大腔室尺寸来进行补偿。
下试样流量随时间变化曲线。响应时间约为0.002s左右,上升沿与下降沿约0.01s。在压力
脉冲信号连续工作时,平均流率随驱动压力和占空比增加而增加,随试样粘度增加而下降。
图6为占空比一定时驱动压力和粘度对平均流率的影响,图7为驱动压力一定时占空比对平
均流率的影响。