CN101256195A - 一种基于渗透作用的微流体驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于渗透作用的微流体驱动装置，由两个支撑板间夹一个半透膜，置于两个带有等容体的储液池的池体之间，通过螺钉、螺母连接而成，两个池体均有一个储液池排气口，两池体外侧壁上有一个储液池的进口或出口，两池体内侧壁面对应处均有一个与储液腔体相通的开口；两个支撑板上均分布有小孔，小孔孔径为0.4～2mm，半透膜要求其截流分子量小于渗透驱动试剂的分子量。运行时在一个储液池盛装去离子水，另一储液池盛装渗透驱动试剂溶液，排除两个储液池内气体，封闭排气口后便可测试微泵的流速和稳定性。本发明整体结构简单，造价低，便于携带，无需外部能源，提供的液体流稳定，可调，无脉动，可连续工作数日。

Description

一种基于渗透作用的微流体驱动装置

技术领域

本发明属于微流体驱动装置，具体涉及一种基于渗透作用的微流体驱动装置。

背景技术

在微流控分析系统中，微流控芯片以各种构型的微通道网络为特征，它通过操控通道内的流体，完成芯片系统的分离分析功能。而与微通道相适应的微流体驱动技术，是实现微流体控制的前提和基础。特别是基于微机电加工(micro-electromechanical system，MEMS)等技术，微流体驱动技术在过去的十几年得到了迅速的发展，各种微泵层出不穷。依据驱动系统有无活动的机械部件，微流体驱动系统可分为有活动机械驱动部件和无活动机械驱动部件的微驱动系统，简称机械和非机械驱动系统(微泵)。

尽管当前的机械微泵发展迅速，但由于其多数需要基于微机电加工技术，如硅微加工技术、热复制技术、软光刻技术等，虽然可以制作高精度的微泵，但是都有缺点，诸如设备昂贵，造价高，步骤多，环境条件要求高等。其中软光刻技术虽然避免了上述缺点，但是基于软光刻技术制作的微泵，如PDMS气动泵最大的缺点是需要外置气源，不利于微分析系统实现小型化、便携化。其次，有活动部件的机械微泵驱动下的液流多数有脉动现象，这对于流体稳定性是非常不利的。

相比较而言，非机械微泵以场感应流微泵——以电场和磁场诱导液体流动的微泵为主，如电渗泵、电液态动力泵、磁液态动力泵等。由于这些微泵所产生的液流无脉动，流速范围大，因此被微流控分析系统广泛采用。但是，这些微泵常常需要庞大的驱动器，给使用带来不便。其他类型的非机械微泵也有不足：如重力泵的泵压受空间高度和液流黏度的影响，适用于连续输送，不易更换液流；毛细作用微泵的运行时间受毛细通道的液体存储量限制，若要延长运行时间，则使得加工工艺变得复杂；而蒸发力驱动微泵不仅受吸水剂的吸水量限制，还受环境湿度等条件的限制。

发明内容

本发明的目的针对已有技术存在的缺陷，提供一种以渗透压力为驱动力的微流体驱动装置，装置结构简单，无需外部能源，提供的液体流速稳定，可调、无脉动，能达到连续工作数个工作日并且不受外界湿度的影响。

本发明微流体驱动装置，由两个支撑板之间夹一个半透膜，置于两个带有储液池的池体之间，通过螺栓、螺母连接两池体而构成。

两个池体上面均有一个与储液池连通的排气口，每个池体的外侧壁上有一个储液池的进口或出口，两个池体的内侧壁相对应位置均有一个与储液池腔体相通的开口，夹有半透膜的两个支撑板安装在两池体内侧壁相对应的开口处，两个支撑板上分布有小孔，小孔孔径为0.4～2mm。所述的半透膜要求其截流分子量小于渗透驱动试剂的分子量。两个池体内的两个储液池容积相等。

上述每个池体的外侧壁上有一个储液池的进口或出口，是指当该池体内的储液池盛装去离子水时，该池体外侧壁上的孔便是储液池进口，当该池体内的储液池盛装渗透驱动试剂溶液时，该池体外侧壁上的孔便是储液池的出口。

本发明是一种以渗透压为驱动力的微泵，属于非机械微泵的范畴。它是基于一种生物仿真的形式而研制的，即植物细胞液之间具有不同的渗透压，且自下而上逐渐增加，而细胞膜为半透膜，只允许水分子自由通过，而不允许细胞质中的大分子通过，因此在渗透压的作用下，水在植物体内由根部自下而上运动。根据这种原理，采用商品半透膜，设计制作本发明微泵。

本发明相比于现有技术最显著的优点和产生的积极效果是：在两个池体上分别装配有两个支撑板，两个支撑板之间夹有一个半透膜。支撑板的作用：一是稳定流速，用支撑板夹紧半透膜，防止半透膜因发生形变而影响储液池容积，进而稳定流速；二是调节流速，因为在支撑板上分布有一定数量的小孔，小孔总面积为溶液通过半透膜的有效膜面积，可通过调节小孔的数量来调节有效膜面积，进而调节流速。另外本发明，现时通过选择不同种类的水溶性物质作为渗透驱动试剂溶液，或选择不同浓度的溶液，可获得不同的液体输送流速。

本发明整体结构简单，小型化，便于携带，造价低。无需外部能源，提供的液体流速稳定、可调，无脉动，可以连续工作数个工作日，并且不受外界湿度的影响。

附图说明

图1是本发明微流体驱动装置的结构剖面图；

图中：1第一池体，2第二池体，3第一储液池，4第二储液池，5半透膜，6第一支撑板，7第二支撑板，8储液池进口，9储液池出口，10第一排气口，11第二排气口，12螺栓和螺母。

图2是100mg/ml的BSA溶液的流速与时间关系图；

图3是40mg/ml的聚乙烯吡咯烷酮溶液的流速与时间关系图。

具体实施方式

例1：本发明微流体驱动装置的结构如附图1所示，有一个带有第一储液池3的第一池体1和一个带有第二储液池4的第二池体2，材质均选用聚甲基丙烯酸甲酯(市场购置)，第一储液池3与第二储液池4的容积相等，在第一池体1和第二池体2相互对应的内侧壁面上，均开有一个与第一储液池3和第二储液池4腔体相通的开口，在第一池体1外侧壁上有一个第一储液池3的进口8，在第二池体2外侧壁上有一个第二储液池4的出口9，第一池体1上面有一个第一储液池3的排气口10，第二池体2上面有一个第二储液池的排气口11。半透膜5是选用美国生产的透析袋，型号MD34，材质为再生纤维素，截流分子量为3500为原材料，裁剪成与支撑板尺寸相同，夹在第一支撑板6和第二支撑板7之间，与支撑板完全贴附，支撑板均选用PC板，支撑板上的小孔数为28个，直径为2mm，渗透面积为357.1mm²。将第一池体1和第二池体2相对放置，再将上述夹有半透膜5的两块夹板，置于上述两池体内侧壁上相互对应的开口位置，用四个螺钉、螺母，将第一池体1和第二池体2连接，固定和密封。

选择渗透驱动试剂为牛血清白蛋白(BSA，分子量66000，购于北京索莱宝科技有限公司)向储液池注入液体。用注射器吸取100mg/mL的BSA溶液，经出口9向第二储液池4注入。同时从本池体上的排气口11排出储液池内的气体，直到储液池4充满溶液，封闭排气口11。再用另一支注射器吸取去离子水，经入口8向第一储液池3注入，本池体中的气体经排气口10排出，直到注满，封闭此排气口。测试微泵的流速和稳定性。用利用电子分析天平测试每分钟微泵吸取的去离子水的质量，计算出单位时间内的质量的增加值，进而将其换算成单位时间内的体积增量，即微泵的流速。最后计算出相对标准偏差。结果在1000min内的平均流速为477nL min^-1，相对标准偏差(RSD)为8.9％(n＝101)如图2。

例2：装置结构与运行步骤与例1相同，不同之处是选择渗透驱动试剂为40mg mL^-1的聚乙烯吡咯烷酮(PVPK17，分子量8000，医药级，购于河南博爱新开源制药有限公司)溶液，试验结果为，在650min内的平均流速为195nLmi^n-1，RSD为7.0％(n＝66)，如图3。

例3：装置结构与运行步骤与例1相同，不同之处是选择渗透驱动试剂为200mg mL^-1的PVPK25(分子量34000，医药级，购于河南博爱新开源制药有限公司)，实现了在294小时内，连续工作的纪录。流速从650nL min^-1降到120nL min^-1。

例4：装置结构与运行步骤与例1相同，不同之处是支撑板上的小孔直径为1mm，数目94个，渗透面积295.2mm²。在690min时间内，平均流速385nLmin^-1，相对标准偏差3％。

例5：装置结构与运行步骤与例3相同，不同之处是支撑板上的小孔直径为0.4mm，数目309个，渗透面积155.2mm²。在343min时间内，平均流速578nL min^-1，相对标准偏差8.8％。

Claims (5)

1、一种基于渗透作用的微流体驱动装置，其特征在于该装置由两个支撑板之间夹一个半透膜，置于两个带有储液池的池体之间，通过螺栓、螺母连接两池体而构成。

2、按照权利要求1所述的基于渗透作用的微流体驱动装置，其特征在于所述的两个池体上面均有一个与储液池连通的排气口，每个池体的外侧壁上有一个储液池的进口或出口，两个池体的内侧壁相对应位置均有一个与储液池腔体相通的开口，夹有半透膜的两个支撑板安装在两池体内侧壁相对应的开口处。

3、按照权利要求1或2所述的基于渗透作用的微流体驱动装置，其特征在于所述的两个支撑板上分布有小孔，小孔孔径为0.4～2mm。

4、按照权利要求1或2所述的基于渗透作用的微流体驱动装置，其特征在于所述的半透膜要求其截流分子量小于渗透驱动试剂的分子量。

5、按照权利要求1或2所述的基于渗透作用的微流体驱动装置，其特征在于两个池体内的两个储液池容积相等。

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