一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置與方法，所述裝置包括基體和形成在所述基體上的流體入口、氣壓入口、疏液微閥、毛細(xì)流道和噴嘴，所述毛細(xì)流道包括形成為一條環(huán)路的干路和并聯(lián)連接在所述干路和所述噴嘴之間的多個(gè)支路，所述流體入口和所述氣壓入口連接所述干路，每個(gè)支路上設(shè)有基于疏液原理的具有設(shè)定耐壓值的疏液微閥，各個(gè)支路的出口連接所述噴嘴。本發(fā)明可方便、靈活、精準(zhǔn)地處理幾十皮升至幾十納升體積的液體提取。
【專利說明】
一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微流體控制領(lǐng)域，更具體地說涉及一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微流體技術(shù)是指在微觀尺度下對流體進(jìn)行控制、操作和檢測的技術(shù)。隨著生物檢測、制藥學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，需要提取的液體量不斷縮小，如蛋白質(zhì)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)中，僅需幾十納升的液體，在DNA、基因研究中，液體量更是小至幾百皮升。可以預(yù)見，在未來的研究中，液體的量將進(jìn)一步減小，這對微流體控制器件的操作精度提出了更高的要求。
[0003]微流體控制器件包括微栗、微閥、微混合器、微噴頭等，用于對微量流體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、引流、混合、提取、分配、阻斷等操作。其中微閥是起到流道內(nèi)液體的限制作用的重要器件，微閥可分為主動(dòng)微閥和被動(dòng)微閥兩類，主要區(qū)別在于閥結(jié)構(gòu)本身是否具有致動(dòng)器，主動(dòng)閥是靠致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)微閥的開閉，被動(dòng)閥沒有致動(dòng)器，靠流體本身參數(shù)的改變實(shí)現(xiàn)開閉。被動(dòng)閥的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡單、易加工、占用空間小、兼容性好，適用于簡單場合的微流體閥控。利用微閥對液流的限制作用，可實(shí)現(xiàn)微量液體的隔離和提取，通過微閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可精確控制提取液體的體積。疏液閥是被動(dòng)微閥的一種，通過降低閥區(qū)的表面能，利用液體的表面張力阻斷液體流動(dòng)，增加液體壓力可以使閥打開。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決現(xiàn)有液體提取裝置缺乏皮升級液體處理能力的問題，提供一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置與方法，可方便、靈活、精準(zhǔn)地處理幾十皮升至幾十納升體積的液體提取。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]—種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置，包括基體和形成在所述基體上的流體入口、氣壓入口、疏液微閥、毛細(xì)流道和噴嘴，所述毛細(xì)流道包括形成為一條環(huán)路的干路和并聯(lián)連接在所述干路和所述噴嘴之間的多個(gè)支路，所述流體入口和所述氣壓入口連接所述干路，每個(gè)支路上設(shè)有基于疏液原理的具有設(shè)定耐壓值的疏液微閥，各個(gè)支路的出口連接所述噴嘴。
[0007]進(jìn)一步地:
[0008]至少部分支路上的疏液微閥的耐壓值互不相同。
[0009]所述多個(gè)支路并排地與所述干路垂直相交。
[0010]優(yōu)選地，所述干路設(shè)置成具有兩個(gè)半圓形流道作為相對端部，通過兩條直線流道相連而構(gòu)成環(huán)路，所述多個(gè)支路連接在其中一條直線流道上。
[0011]所述液體入口、氣壓入口、毛細(xì)流道和噴嘴由光刻或熱模壓工藝制備，優(yōu)選為MEMS光刻工藝制備。
[0012]所述毛細(xì)流道的深度為10?50微米，寬度為50?500微米。
[0013]所述疏液微閥采用單分子層自組裝法制備。
[0014]所述疏液微閥與所提取液體的接觸角在100°以上。
[0015]所述毛細(xì)流道上方用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、或硅薄膜鍵合以形成封閉流道。
[0016]還包括可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣壓的氣壓驅(qū)動(dòng)裝置，所述氣壓驅(qū)動(dòng)裝置連接到所述氣壓入口，用于驅(qū)動(dòng)流體在所述毛細(xì)流道中流動(dòng)。
[0017 ] —種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取方法，使用所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，包括以下步驟:
[0018]以小于所有疏液微閥的開啟壓力的氣壓驅(qū)動(dòng)一定量的液體由所述流體入口進(jìn)入所述毛細(xì)流道，在所述干路和各個(gè)支路之間的交點(diǎn)分流，依次填滿各交點(diǎn)到各疏液微閥之間的支路流道，其余液體沿環(huán)路被氣壓推回所述液體入口處；
[0019]根據(jù)需要提取的液體量、各疏液微閥的耐壓值以及各交點(diǎn)到各疏液微閥之間的支路流道的液容量，增大驅(qū)動(dòng)氣壓，使耐壓值小于驅(qū)動(dòng)氣壓的疏液微閥開放，在對應(yīng)支路暫存的液體流向噴嘴并噴出。
[0020]本發(fā)明的有益效果:
[0021]本發(fā)明通過疏液微閥的阻塞作用實(shí)現(xiàn)液體噴出前的預(yù)裝填，借助疏液微閥暫存填充液體，再通過增大壓力的方式使液體克服疏液微閥的阻塞作用，由噴嘴噴出，從而精確提取出疏液微閥到分流點(diǎn)之間流道內(nèi)的微量液體。由于液體的填充量由毛細(xì)流道支路的尺寸以及參與液體提取的支路數(shù)決定，可方便、靈活、精準(zhǔn)地處理體積為幾十皮升至幾十納升的液體。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，裝填體積可通過設(shè)計(jì)毛細(xì)流道的尺寸精確控制，通過對疏液微閥耐壓值的差異化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)疏液微閥的按需開放，從而達(dá)到體積可控的目的，且多余的液體可以回到液體入口重復(fù)利用，容易實(shí)現(xiàn)皮升級的微小液滴，且控制方式簡單。
[0023]本發(fā)明將微閥與微噴相結(jié)合實(shí)現(xiàn)取液量可調(diào)的皮升級液體提取，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，兼容性好，可廣泛用于微流體控制領(lǐng)域的液體精確提取操作。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的疏液微閥式微量液體提取裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2是本發(fā)明微量液體提取裝置的一個(gè)具體實(shí)施例。
[0026]圖3a至圖3e是本發(fā)明實(shí)施例的疏液微閥式微量液體提取方法提取液體的過程示意圖。
[0027]附圖標(biāo)記說明:
[0028]1-液體入口及此處進(jìn)入的液體，
[0029]2-氣壓入口及此處進(jìn)入的氣體，
[0030]3-毛細(xì)流道，
[0031 ]4-疏液微閥，
[0032]5-噴嘴，
[0033]6-支路，
[0034]7-基體。
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下對本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0036]參閱圖1至圖3e，在一種實(shí)施例中，一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置，包括基體7和形成在所述基體7上的流體入口 1、氣壓入口 2、疏液微閥4、毛細(xì)流道和噴嘴5，所述毛細(xì)流道包括形成為一條環(huán)路的干路3和并聯(lián)連接在所述干路3和所述噴嘴5之間的多個(gè)支路6，所述流體入口 I和所述氣壓入口 2連接所述干路3，每個(gè)支路6上設(shè)有基于疏液原理的具有設(shè)定耐壓值的疏液微閥4，各個(gè)支路6的出口連接所述噴嘴5?；w7可采用硅、光刻膠、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料制成。
[0037]工作時(shí)，液體從流體入口I進(jìn)入毛細(xì)流道，在壓力的作用下在毛細(xì)流道內(nèi)流動(dòng)，且能回到液體入口，液體進(jìn)入支路6后，在疏液微閥4處由于疏液作用，流動(dòng)受到阻礙，一部分液體暫存在支路6內(nèi)，干路3中的液體被壓力推回液體入口，此時(shí)根據(jù)需要提高驅(qū)動(dòng)壓力的大小，所有耐壓值小于驅(qū)動(dòng)壓力的疏液微閥4打開，所在支路6暫存的液體噴出，通過壓力大小控制疏液微閥4打開的個(gè)數(shù)，從而控制提取液體的體積。
[0038]在一些實(shí)施例中，每個(gè)支路6上的疏液微閥4的耐壓值互不相同。當(dāng)然，也可以設(shè)計(jì)成部分支路6的耐壓值相同。由于每個(gè)支路6都可暫存一定量的液體，且每個(gè)支路6的疏液微閥4耐壓值不同，驅(qū)動(dòng)壓力超過相應(yīng)支路6的耐壓值時(shí)，相應(yīng)支路6內(nèi)暫存的液體將通過疏液微閥4，因此，通過調(diào)節(jié)氣壓入口 2的驅(qū)動(dòng)壓力，可提取體積分級可變的微量液體。
[0039]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述多個(gè)支路6并排地與所述干路3垂直相交。特別地，干路3可以設(shè)置成具有兩個(gè)半圓形流道作為相對端部，通過兩條直線流道相連而構(gòu)成環(huán)路，多個(gè)支路6連接在其中一條直線流道上。
[0040]所述液體入口、氣壓入口2、毛細(xì)流道和噴嘴5可以由光刻或熱模壓工藝制備，如MEMS光刻工藝制備。
[0041 ]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述毛細(xì)流道的深度為10?50微米，寬度為50?500微米。
[0042]所述疏液微閥4可采用單分子層自組裝法制備。
[0043]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述疏液微閥4與所提取液體的接觸角在100°以上。
[0044]所述毛細(xì)流道上方可用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、或硅薄膜鍵合以形成封閉流道。
[0045]圖2所示是本發(fā)明疏液微閥式微量液體提取裝置的一個(gè)具體實(shí)施例，其中毛細(xì)流道用SU-8光刻工藝制備，疏液微閥4由IH，IH，2H，2H-全氟癸基三氯硅烷單分子層自組裝工藝制備，流道上方用聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜鍵合，以封閉流道。本實(shí)施例中有10個(gè)支路6，每個(gè)支路6的毛細(xì)流道寬50微米，深10微米，交點(diǎn)到疏液微閥4的距離為50微米，因此可提取25?250皮升的液體。
[0046]在另一些實(shí)施例中，一種疏液微閥式微量液體提取裝置，除了包括前述任一實(shí)施例的基體7之外，還包括可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣壓的氣壓驅(qū)動(dòng)裝置(圖未示)，所述氣壓驅(qū)動(dòng)裝置連接到所述氣壓入口 2，用于驅(qū)動(dòng)流體在所述毛細(xì)流道中流動(dòng)。
[0047]參閱圖3a至圖3e，在一種實(shí)施例中，一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取方法，使用所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，包括以下步驟:
[0048]以小于所有疏液微閥4的開啟壓力的氣壓驅(qū)動(dòng)一定量的液體由所述流體入口I進(jìn)入所述毛細(xì)流道，在所述干路3和各個(gè)支路6之間的交點(diǎn)分流，依次填滿各交點(diǎn)到各疏液微閥4之間的支路6流道，其余液體沿環(huán)路被氣壓推回所述液體入口處；
[0049]根據(jù)需要提取的液體量、各疏液微閥4的耐壓值以及各交點(diǎn)到各疏液微閥4之間的支路6流道的液容量，增大驅(qū)動(dòng)氣壓，使耐壓值小于驅(qū)動(dòng)氣壓的疏液微閥4開放，在對應(yīng)支路6暫存的液體流向噴嘴5并噴出。
[0050]參閱圖1至圖3e，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，將微閥與微噴結(jié)合，通過疏液微閥4的阻塞作用實(shí)現(xiàn)液體噴出前的預(yù)裝填，再通過增大壓力的方式克服疏液微閥4的阻塞作用，由噴嘴5噴出，各支路6的疏液微閥4耐壓值都不相同，因此可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)壓力的方式控制疏液微閥4開放的數(shù)量，分級提取所需的液體量。毛細(xì)流道的尺寸決定每個(gè)支路6的裝填量，并連接液體入口、氣壓入口 2和噴嘴5，疏液微閥4設(shè)置在支路6上，所有支路6在噴嘴5處匯聚，微閥到干路3與支路6交點(diǎn)之間流道內(nèi)的空間為該支路6可提取的液體量。提取液體時(shí)，一定量的液體在一個(gè)小于疏液微閥4耐壓值的氣壓驅(qū)動(dòng)下由液體入口進(jìn)入毛細(xì)流道，在交點(diǎn)處分流，依次填滿各交點(diǎn)到微閥之間的支路6流道，其余液體被壓力推回液體入口，此時(shí)按需增大驅(qū)動(dòng)壓力，使耐壓小于驅(qū)動(dòng)壓力的疏液微閥4開放，所在支路6暫存的液體流向噴嘴5并噴出，完成一次液體的提取。
[0051]參閱圖3a至圖3e所示的疏液微閥式微量液體提取方法，液體由液體入口進(jìn)入毛細(xì)流道，氣體由氣壓入口 2進(jìn)入，并推動(dòng)液體到達(dá)疏液微閥4，此驅(qū)動(dòng)壓力應(yīng)低于所有疏液微閥4的開放壓力，由于疏液微閥4阻礙了液體的流動(dòng)，液體在毛細(xì)流道內(nèi)向流體入口 I流動(dòng)，每個(gè)支路6僅有一小部分液體留在干支路交點(diǎn)和疏液微閥4之間的毛細(xì)流道內(nèi)，此時(shí)增大驅(qū)動(dòng)壓力，部分液體克服疏液微閥4的阻礙，匯聚到噴嘴5噴出，一次微量液體提取完成。
[0052]以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實(shí)施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，包括基體和形成在所述基體上的流體入口、氣壓入口、疏液微閥、毛細(xì)流道和噴嘴，所述毛細(xì)流道包括形成為一條環(huán)路的干路和并聯(lián)連接在所述干路和所述噴嘴之間的多個(gè)支路，所述流體入口和所述氣壓入口連接所述干路，每個(gè)支路上設(shè)有基于疏液原理的具有設(shè)定耐壓值的疏液微閥，各個(gè)支路的出口連接所述噴嘴。2.如權(quán)利要求1所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，至少部分支路上的疏液微閥的耐壓值互不相同。3.如權(quán)利要求1所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，所述多個(gè)支路并排地與所述干路垂直相交;優(yōu)選地，所述干路設(shè)置成具有兩個(gè)半圓形流道作為相對端部，通過兩條直線流道相連而構(gòu)成環(huán)路，所述多個(gè)支路連接在其中一條直線流道上。4.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，所述液體入口、氣壓入口、毛細(xì)流道和噴嘴由光刻或熱模壓工藝制備，優(yōu)選為MEMS光刻工藝制備。5.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，所述毛細(xì)流道的深度為10?50微米，寬度為50?500微米。6.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，所述疏液微閥采用單分子層自組裝法制備。7.如權(quán)利要求5所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，所述疏液微閥與所提取液體的接觸角在100°以上。8.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，所述毛細(xì)流道上方用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、或硅薄膜鍵合以形成封閉流道。9.如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，還包括可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣壓的氣壓驅(qū)動(dòng)裝置，所述氣壓驅(qū)動(dòng)裝置連接到所述氣壓入口，用于驅(qū)動(dòng)流體在所述毛細(xì)流道中流動(dòng)。10.—種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取方法，其特征在于，使用如權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，包括以下步驟: 以小于所有疏液微閥的開啟壓力的氣壓驅(qū)動(dòng)一定量的液體由所述流體入口進(jìn)入所述毛細(xì)流道，在所述干路和各個(gè)支路之間的交點(diǎn)分流，依次填滿各交點(diǎn)到各疏液微閥之間的支路流道，其余液體沿環(huán)路被氣壓推回所述液體入口處； 根據(jù)需要提取的液體量、各疏液微閥的耐壓值以及各交點(diǎn)到各疏液微閥之間的支路流道的液容量，增大驅(qū)動(dòng)氣壓，使耐壓值小于驅(qū)動(dòng)氣壓的疏液微閥開放，在對應(yīng)支路暫存的液體流向噴嘴并噴出。
【文檔編號】G01N1/10GK105910847SQ201610203354
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】張旻, 黃家祥
【申請人】清華大學(xué)深圳研究生院