CN102128716B

CN102128716B - 微通道中薄膜微阀开启/关断特性的检测装置及其方法

Info

Publication number: CN102128716B
Application number: CN201010603487A
Authority: CN
Inventors: 丁丽丽; 邓焱; 王大千; 张玮; 余兴龙
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University; Wuxi Research Institute of Applied Technologies of Tsinghua University
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: CN102128716A

Abstract

本发明涉及微通道中薄膜微阀开启/关断特性的检测装置及其方法，属于微流体系统领域，该装置包括输入端电极、数据采集卡、计算机、交流电源、N个输出端电极，由N个检测电阻与N大器构成的N个并联检测放大电路，该方法包括：将待检测微流体系统接入检测装置，确定要检测的微阀，将输入电极接在该微阀所在微通道的进液端口，N个输出端电极分别与微通道的N个出液端口相连；关断该微阀，同时检测与N个出液端口相连的电阻上的电压；得到各条微通道上的电阻上的电压信号的包络线；从与被微阀控制的所有微通道输出端口相连的电阻的电压包络线形状上判断，若电压均变为0，则微阀完全闭合。本发明既可以对多个微阀同步检测，又对液体流动无任何影响，成本还低廉。

Description

微通道中薄膜微阀开启/关断特性的检测装置及其方法

技术领域

本发明属于微流体系统技术领域，特别涉及基于电导法的PDMS薄膜气动微阀的开启/关断特性检测方法及其基于该方法的检测系统。

背景技术

微流体系统是生化分析仪中进样及保证进行稳定反应的重要部件，主要由微通道、反应池、微阀及微泵等组成。微阀和微泵的协调动作能按照实验设计的要求，时序控制样品和试剂经微通道进入反应池，实现反应，为检测创造条件。

在微流体系统中，通常是在几十平方毫米-几平方厘米的面积上，集成成百上千条微通道，保证各种溶液能快速、准确地抵达反应池，满足各种分析要求。因此，需要可靠地对微流体进行控制，使各种溶液的进样量精确，并可靠地到达反应池。微阀是微流体中的重要执行元件，其开启或关断即控制溶液流过或阻断。目前，广泛采用的微阀是Quake课题组研发的基于PDMS的气动型微阀，微阀与微通道的结构为3层，其横截面如图1所示，第一层设置有气体流路1，第二层为作为微阀的PDMS薄膜2，第三层设置有微通道3。当具有一定压力的气体进入气体流路1时，PDMS薄膜2在气压作用下发生形变，阻断微通道3，即微阀关断，溶液不能在微通道中继续前进；反之，没有气体进入气体流路，薄膜不变形，微通道通畅，溶液可继续前进。

微阀的开启/关断特性主要由PDMS薄膜的变形状况决定，与气压、微通道尺寸、膜厚等参数有关。很明显，无论是微阀的设计，还是对所制作的微阀的性能进行测试，都需要检测。没有检测，就不可能获得相关参数，正确指导设计；没有检测，也不可能了解所制作微阀的性能，难以可靠使用。毫无疑问，检测是微阀设计和使用的重要保证。通常，PDMS薄膜阀的直径只有几微米--几百微米，置于微流体系统的内部，其动作无法直接观察，只能间接测量。为了检测微阀的开启与关断，常特地将流体通道加工成具有“Y”形的3条通道，其中，位于“Y”形上半部分的2条通道分别进不同的溶液，并在其中的一条通道中安置微阀。在“Y”形下半部分的第3条通道中，用显微镜观察微阀开启与关断条件时，从上半部分的2条通道中同时注入不同溶液所形成的混合界面的位置变化，以此来了解微阀的开启与关断特性。实际上，微流体系统中的微通道并不都是“Y”形，微流体系统又安装在仪器中，无法用显微镜观察。因此，这种方法不适合检测实际微阀的开启/关断特性。

为此，J.-C.Galas等人提出了一种基于电导法微阀开启与关断特性的检测方法，该方法采用Quake式的3层微阀与微通道结构，如图2所示，第一层设置有气体流路1，第二层为作为微阀的PDMS薄膜2，第三层设置有微通道3，在微通道3中利用微加工技术，将Ti/Pt电极4-1和4-2分别集成到微阀两端的所控的微通道3中。其原理为：气体通道1中通入气体作用于气阀薄膜2使其变形，从而控制流体通道3中溶液的流动；当电解质溶液KCl注入微通道时，一旦微阀开启或关断，电极两端的电流就会发生变化，用示波器观察到两电极之间电流的变化过程。气压不同，薄膜的变形不同，示波器上观察到的电流也不同，尤其是薄膜未变形与薄膜变形完全阻断微通道时更明显，即可反映微阀的开启/关断特性。这种方法操作简单，能提供微阀的开启/关断的有关信息。可是，Ti/Pt电极的集成不仅增加了微流体系统的加工难度和成本，而且还阻碍了微流体的通畅，从而影响微阀开启与关断时有关参数的准确获取。况且，示波器观察法只适合单阀或双阀检测，实际中微流体却是采用多个微阀结构。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种微通道中薄膜微阀开启/关断特性的检测装置及其方法，本发明对已有的电导检测装置及方法进行了改进，既可以对多个微阀同步检测，又对液体流动无任何影响，成本还低廉。

本发明提供的一种微通道中薄膜微阀开启/关断特性的检测装置，其特征在于，该检测装置包括输入端电极、数据采集卡、计算机、交流电源、N个输出端电极，由N个检测电阻与N放大器构成的N个并联检测放大电路，其中N个检测电阻的一端分别与N放大器的输出端相连，N个电阻的另一端并联；输入端电极的一端连接在外接电压源的一端，外接电压源的另一端与N个电阻的并联端相连；各输出端电极的一端与放大器的一个输入端相连；放大器的另一个输入端与其输出端相连构成跟随回路；数据采集卡的N个输入端分别连接在每个检测电阻与放大器输出端之间，数据采集卡的输出端与计算机相连，N为正整数，取值等于微通道的出液端口的数目。

本发明还提出采用所述装置的微通道中薄膜微阀开启/关断特性的检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将待检测微流体系统接入检测装置，确定要检测的微阀，将输入电极连接在该微阀所在微通道的进液端口，N个输出端电极分别与微通道的N个出液端口相连；连通气路及液路，打开计算机；

2)关断该微阀，同时检测与N个出液端口相连的电阻上的电压；数据采集卡实时采集连接在这些端口之间的电阻上的电压信号，并送到计算机中进行数据处理，得到各条微通道上的电阻上的电压信号的包络线；

3)从与被该微阀控制的所有微通道输出端口相连的电阻的电压包络线形状上判断，若电压均变为0，则该微阀完全闭合，若均不为0或一部分不为0，则该微阀未完全闭合；从而确定被检测微阀的性能。

本发明与现有的微阀检测方法相比，具有以下优点：

①不需要在微流体系统中植入电极，只外接电极即可，不仅避免了对微流体流动的影响，而且还降低了成本。②可以同时检测多路通道中的微阀。③通过测量各路微通道检测电路中的检测电阻R两端的电压，即可了解对应微阀的开启与关断特性。

本发明所述的被检测的带阀微通道中可有1-50个微阀，其开启与关断特性都能分别被检测。

附图说明

图1为基于PDMS的气动微阀及微通道三层结构示意图。

图2为J.-C.Galas等人提出的基于电导法的微阀检测结构及原理示意图。

图3为本发明提出的基于电导法的微阀检测原理示意图。

图4为验证本发明方法所设计的带有多微阀的微流通道的结构示意图。

图5为本发明提出的电导法薄膜微阀开启与关断特性的检测系统结构示意图。

图6为本微阀开闭与关断时检测电阻R两端电压变化包络线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的微通道中薄膜微阀的开启与关断特性检测电路和基于该电路的薄膜微阀开启与关断的检测方法进行说明。

本发明提供了一种微通道中薄膜微阀开启/关断特性的检测装置及其方法，本发明基于电导检测法，本发明的检测装置结构如图3所示，包括输入端电极5-1、交流电源6、数据采集卡9、计算机10、N个输出端电极5-2，由N个检测电阻7与N放大器8构成的N个并联检测放大电路，其中N个检测电阻的一端7分别与N放大器8的输出端相连，N个电阻的另一端并联；输入端电极5-1的一端连接在外接电压源的一端，外接电压源的另一端与N个电阻的并联端相连，各输出端电极5-2的一端与放大器的一个输入端相连；放大器的另一个输入端与其输出端相连构成跟随回路；数据采集卡9的N个输入端分别连接在每个检测电阻7与放大器输出端之间，数据采集卡的输出端与计算机10相连，N为正整数，取值等于微通道的出液端口的数目。

被检测的微阀与微通道结构，由气体流路1、PDMS薄膜微阀2、微通道3组成，其中PDMS薄膜微阀2、流体通道3的具体实施例结构如图4所示：图中各条线段都为微通道，宽为0.2mm，深为0.1mm；A、B、C、D为微通道的入口或出口。a、b和c分别表示3个微阀在微通道中的位置。其中a阀可控制A、D之间流路的通断；b阀可控制A、C之间流路的通断；c阀可控制A、B之间流路的微通道。

本发明利用上述检测装置对微流通道的微阀性能的检测方法，包括以下步骤：

1)将待检测微流体系统接入检测装置，确定要检测的微阀，将输入电极5-1连接在该微阀所在微通道的进液端口处(与液体接触但不影响微通道中液体的流动)，N个输出端电极5-2分别与微通道的N个出液端口处相连(与液体接触但不影响微通道中液体的流动)；连通气路及液路，打开计算机；

2)关断该微阀，同时检测N个出液端口相连的电阻R上的电压；数据采集卡实时采集连接在这些端口之间的电阻上的电压信号，并送到计算机中进行数据处理，得到各条微通道上的电阻上的电压信号的包络线；

本发明的工作原理为：

当微阀开启时，溶液流过微通道；微阀关断，溶液被微阀阻断。开启与关断时，分别测量检测电阻两端的电压；得到的电压值差异明显，即可检测出微阀开启与关断的性能，具体说明如下：

令交流电源的输出电压为U，测量电阻的阻值R，微通道的电阻抗为R_l，则检测电阻两端的电压V为：

V＝UR/(R+R_l) (1)

R_l＝κl/A (2)

其中，κ为溶液的电导率，A为微通道的截面积，l为所测量微通道的长度。阀开启，κ/A为定值，R_l只和通道长度有关系；阀关断，κl为定值，R_l只与通道截面积有关。显然，微阀开启或关断时，引起检测电阻两端的电压发生变化，通过电压跟随器8输出。电压跟随器8输出的电压信号由数据采集卡采集并经A/D后输出数字信号，传入计算机，通过预先设置在计算机中的数据处理程序进行处理，可画出微阀开启与关断过程中电阻R两端电压变化包络线(属于常规技术)，该包络线准确地反映了微阀所处的状态。

本发明提出的电导法薄膜微阀开启与关断特性的离线检测系统结构实施例如图5所示，该系统由被检测的带阀微通道11、检测电路12、气路系统13、液路系统14、数据采集卡9以及数据处理单元10等六部分构成。所述的被检测的带阀微通道为图4所示的带有多微阀的微流通道。其中，气路系统依次包括氮气瓶15、控制气路通断的电磁阀16和气路接头17，所述的气体接头17与被检测带微阀微通道中的气体端口连接；所述的液路系统依次包括注射泵18、液路接头19和压紧连接块20，所述的液路接头19与被检测带微阀微通道中的液体输入端口连接；所述的检测电路包括一个输入铜电极5-1(21)和三个输出铜电极5-2(21)、方波信号发生器6、检测电阻7和跟随放大器8，所述的输入和输出铜电极5-1和5-2分别与被检测的带阀微通道中电极的输入/输出端口A-D连接(与液体接触但不影响微通道中液体的流动)；所述的数据采集卡9为市场上购买的多输入多输出的12位采集卡，其输入端与所述的检测电路中的检测电阻7的两端连接；所述的数据采集卡9的输出与处理单元即计算机10连接。

本发明所述的气路部分包括氮气瓶、控制气体通断的电磁阀和气路接头，进入气路的氮气压力为0.1MPa-0.3MPa。

本发明所述的液路系统包括注射泵和液路接头，注射泵的流速为50μl/min-1000μl/min，泵入的电解质溶液为0.1mol/L的KCl溶液。

所述的交流信号源为方波信号发生器，所产生的方波频率可为1kHz-10kHz、电压幅值可为±1V-5V的；所述的检测电阻的两端分别与安置在被检测的带阀微通道中电极的输入/输出端口的铜电极连接，其值可为1MΩ-10MΩ。

放大器采用TI公司的高精度低噪声放大器OPA2228。

计算机采用IBM公司的T42型号笔记本。

本实施例的检测方法具体操作步骤如下：

1)先打开氮气瓶15，将压力调到0.27Mpa；再启动注射泵18，使储液柱注满KCl溶液。

2)打开信号源，选择频率为1kHz和幅值为±2.5V的方波信号，并将示波器的探头与检测电阻连接。同时，启动计算机，为检测作好准备。

3)关断微阀b，开启微阀a。

4)操作注射泵18，以200μL/min的流速将溶液从A口注入，溶液便通畅地经过微阀a所在的位置，到达D端口且从该处流出，数据采集卡9实时从检测电阻上采集电压变化，并经A/D后由计算机10读入处理。

5)关断微阀a，溶液停止流动，数据采集卡9同样实时从检测电阻上采集电压变化，并经A/D后由计算机10读入处理。

6)计算机10对步骤3-5过程采集到得数据进行处理，实时给出微阀a开启与关断过程中检测电阻两端电压变化的包络线，至此，便完成了对微阀a的检测。

7)照此操作，可同样检测微阀b和c的开启与关断特性，检测结果表示在图6中。

图6所示为微阀开闭/关断时检测电阻两端电压变化包络线图，图中的时序与前述的操作次序对应。图6(e)为信号源电压的包络线；图6(f)为与B端口串联的电阻R上电压变化的包络线；图6(g)为与C端口串联的电阻R上电压变化的包络线；图6(h)为与D端口串联的电阻R上电压变化的包络线。

图中的时序与前述的操作次序对应。从图中可见，通过数据采集卡9，采集得到了4个通道的电压：与A相连的信号源电压，如图6(e)所示；分别与B-D通道串联的R上的电压，如图6(f)至图6(h)所示。开始时，微阀b关断a开启，电解质溶液只流经通道D，对应图6(h)中时间t≈27s时电压值。微阀a关断，对应图6(h)中t≈38s时电压的变化。可以看到此时图6(g)中电压由0变为0.75V，即有溶液从C端口流出；t≈51s时，图f中电压亦有变化，证明此时溶液从B端口流出。从图6(h)中可得到阀a开启和关断的完整过程。

Claims

1.一种采用微通道中薄膜微阀开启/关断特性的检测装置的检测方法，该检测装置包括输入端电极、数据采集卡、计算机、交流电源、N个输出端电极，由N个检测电阻与N个放大器构成的N个并联检测放大电路，其中N个检测电阻的一端分别与N个放大器的输出端相连，N个检测电阻的另一端并联；输入端电极的一端连接在交流电源的一端，交流电源的另一端与N个检测电阻的并联端相连；各输出端电极的一端分别与N个放大器的一个输入端相连；N个放大器的另一个输入端与其输出端相连构成跟随回路；数据采集卡的N个输入端分别连接在每个检测电阻与放大器输出端之间，数据采集卡的输出端与计算机相连，N为正整数，取值等于微通道的出液端口的数目；其特征在于，

该检测方法包括以下步骤：

1）将待检测微流体系统接入检测装置，确定要检测的微阀，将输入电极连接在该微阀所在微通道的进液端口，N个输出端电极分别与微通道的N个出液端口相连；连通气路及液路，打开计算机；

2）关断该微阀，同时检测与N个出液端口相连的电阻上的电压；数据采集卡实时采集连接在这些端口之间的电阻上的电压信号，并送到计算机中进行数据处理，得到各条微通道上的电阻上的电压信号的包络线；

3）从与被该微阀控制的所有微通道输出端口相连的电阻的电压包络线形状上判断，若电压均变为0，则该微阀完全闭合，若均不为0或一部分不为0，则该微阀未完全闭合；从而确定被检测微阀的性能。