CN102418684B - 一种模块化组装式微泵、使用方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化组装式微泵、使用方法及应用，所述的微泵为一种单向、一次性、气压驱动泵，它是由集成微管道网络或微孔结构的脱气PDMS(聚二甲基硅氧烷)块体组成。该微泵利用脱气后PDMS材料对气体的高溶解特性，将脱气的PDMS泵体贴附于微流体芯片出口，同时在微流体芯片进样口滴加液样，使微流体芯片管道形成封闭空间，由于脱气的PDMS块体吸收此封闭空间中的空气，导致微管道中，形成负压，从而驱动进样口液样进入微流体芯片管道。该微泵无需外接能源和特殊接口，无机械运动部件，同时可根据微流体驱动的压强需求灵活组装和更换，适用于便携式微生化反应器和芯片实验室。

Description

一种模块化组装式微泵、使用方法及应用

技术领域

本发明涉及一种模块化组装式微泵、使用方法及应用，可应用于微流控系统和芯片实验室。

背景技术

近年来，微流控系统作为一种新的技术平台，在生物和化学领域受到广泛关注，这类系统通常称为微型全分析系统(Micro Total Analysis Systems)或芯片实验室(Labs-on-a-Chip)，往往需要执行进样、混合、分离、检测等过程，这些过程大多离不开微流体的控制，在微流控系统中微流体的控制主要由微泵和微阀等基本单元来实现的。微泵作为微流体控制系统的核心部件，是实现微量液体供给和精确控制的动力元件，微泵的种类很多，大致可分为机械式微泵和非机械式微泵。机械式微泵往往依靠运动部件来传输、控制流体，而非机械式微泵则是依靠各种物理作用或物理效应将某种非机械能转变为微流体的动能实现微流体的驱动。按驱动原理，机械式微泵主要有压电式、热气动式、静电式、电磁式、形状记忆合金式等，这类微泵通常制造工艺较复杂、成本高、消耗功率大、长期工作的可靠性较差，且难以集成。非机械式微泵主要有电渗式、电浸润式、声波式、磁流体式、蒸发式、毛细式等，这类微泵在可靠性方面具有一定优势，不会出现机械式微泵长期工作情况下的膜形变疲劳等问题，但这类微泵除了毛细式微泵以外大多需要复杂的驱动电路或设备，这类外加部件往往增加了系统的复杂性，降低了系统的可便携性，从而限制了微流体系统的应用范围，而毛细式微泵虽然简单、无需外接能源设备、易集成，但是这种微泵因为利用毛细作用(实际可归结为表面张力作用)实现微流体的自发驱动，对微流体管道表面性质很敏感，且可控性较差。近年来，Hosokawa等人提出了一种可应用于PDMS微流体芯片的自动化微流体驱动方式[Hosokawa K，Sato K，Ichikawa N，Maeda M.Power-freepoly(dimethylsiloxane)microfluidic devices for gold nanoparticle-based DNAanalysis.Lab Chip，2004，4(3)：181-185.]，他们将PDMS微流体芯片预先进行脱气处理，利用脱气后PDMS材料对气体的高溶解特性，使经脱气处理后的PDMS微流体芯片微管道壁和微腔体壁不断吸收管道或腔体中的空气，从而在封闭的微流体芯片管道或腔体中形成负压，驱动微流体芯片中的液体流动。虽然这种革新性的驱动方式简便、无需外接能源和接口，但是他们提出的这种驱动方式为集成式微泵，仅适用于PDMS材质的微流体芯片，且因为管道污染问题，芯片往往无法重复使用；另外，对某一微流体芯片来说，由于其几何设计是确定的，微泵的驱动能力和压强范围也基本固定，无法根据不同液体样品和驱动体积灵活调节驱动压强。为了适应快速、便携式生化筛选和检测对系统的微型化、复杂样品条件和低成本提出的高要求，迫切需要发展一种结构简单、易于操作、低成本、低能耗、高灵活性的微泵来适应微型生化分析系统的发展形势。

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化组装式微泵、使用方法及应用，所述的微泵具有结构简单、低成本、无能耗、易于组装操作的优点，且可通过组合和更换灵活调控驱动压强，可应用于微流控系统中微流体的驱动控制。

本发明提供的一种模块化组装式微泵，其特征在于：所述微泵为一种单向、一次性、气压驱动泵，该微泵泵体由集成微管道网络或微孔结构的脱气PDMS块体构成。该微泵不同于一般便携式微流控系统中所采用的集成式微泵，独立于待驱动的微流体芯片，可通过简单贴附于待驱动微流体芯片出口处完成组装，实现微流体芯片中的进样和液体泵运。所述微泵的工作原理是：利用脱气PDMS块体对气体的高溶解特性，吸收所贴附微流体芯片微管道中的空气，使封闭的微管道中气压降低，形成负压，从而产生可实现微流体芯片中的进样和液体泵运的驱动力。为了使所述微泵产生吸收空气的能力，PDMS块体必须预先经过脱气处理，即利用真空器皿或真空包装机完成PDMS块体的脱气，然后密封于真空包装袋中待用；使用后的微泵泵体经重新脱气处理后，可重复循环使用。根据不同应用需求和场合，所述微泵可以为集成一个微管道网络或微孔结构的PDMS块体，也可以为集成多个微管道网络或微孔结构的PDMS块体，其中泵体上集成的微管道网络或微孔结构位于泵体与微流体芯片贴附的一面，且该贴附面除微管道网络或微孔结构外其余整体为平整光滑平面，以保证贴附的气密性；集成多个微管道网络或微孔结构的泵体应设计使微管道网络或微孔结构位置与待驱动微流体芯片各出口一一对应。另外，为了适应紧凑型微流体芯片的有限空间，同时又保证足够大的驱动压强，所述微泵泵体也可以由多个脱气PDMS块体叠加组合而成，组合式微泵泵体应使各相邻PDMS块体的集成微管道网络或微孔结构之间有连通的管道或通孔结构。本发明提供的模块化组装式微泵可用于驱动不同类型微流体芯片，包括PDMS、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、SU-8、COC(环烯烃共聚合物)、石英玻璃、硼硅酸盐玻璃或钠钙玻璃等不同材质制作的微流体芯片，同时也可以是上述材质组合制作的杂交型微流体芯片；为了保证微泵泵体与待驱动微流体芯片贴附的气密性，上述待驱动微流体芯片拟贴附微泵的出口周围应为平整光滑平面。

本发明提供的一种模块化组装式微泵的使用方法，包括：1)将集成微管道网络或微孔结构的PDMS块体置于包装袋中，并通过真空器皿或真空包装机抽真空完成脱气处理并封装保存，真空袋中真空度应小于20kpa。2)撕开真空包装袋，取出PDMS微泵块体，将其贴附面的集成微管道网络或微孔结构对准并贴附于微流体芯片待施负压出口处；同时，以胶带或石蜡密封微流体芯片其他所有出口。3)在微流体芯片进样口加入液样，使液样封闭整个进样口，进样口液体在负压驱动下进入微流体芯片管道或腔体。

具体而言，首先将集成微管道网络或微孔结构的PDMS块体置于包装袋中，通过真空器皿或真空包装机进行抽真空脱气处理并封装保存。由于PDMS为多孔材料，常压下，块体中溶解有大量空气，经真空脱气处理后，其中溶解的空气被抽出，空气含量降到极低的程度。若将此脱气处理后的PDMS块体放回常压环境中，由于块体内气压大大低于块体外气压，块体周围的空气会在此压强差的作用下，扩散进入PDMS块体中。对于经脱气处理的PDMS微泵来说，若将其紧密贴附于微流体芯片出口，并在微流体芯片进样口滴加液样封闭其进样口，则封闭于微流体芯片管道中的空气会因扩散吸收进入PDMS微泵块体中，造成微流体芯片管道中的气压降低，形成负压，此负压可用于驱动进样口液体进入微流体芯片管道，并泵运管道中的液体实现混合和反应。

为了达到较好的脱气效果以形成较大的驱动压强，用于实现脱气处理和封装保存的真空袋中真空度应小于20kpa。同时，由于扩散进入PDMS块体的空气量除了受块体内外压强差影响以外，还与扩散面积相关，因此，为了产生足够的驱动压强，用于实行微流体驱动的PDMS微泵块体需要集成微管道网络或微孔结构，以增加PDMS微泵扩散吸收空气的面积，从而增强其形成负压的能力。此外，根据PDMS微泵泵运能力与扩散面积的相关性，可以设计使用集成不同大小微管道网络或微孔结构的PDMS微泵，以适应不同微流体驱动的压强需求。而且，对于需要多步微流体操控以完成分析和检测的微流体芯片来说，还可以根据不同操控步骤对驱动压强的需求差异，灵活更换不同大小的PDMS微泵来有效实现进样、定容、混合等不同操作。对于需要进行高通量、并行处理的微流体芯片来说，可以设计使用同时集成多个微管道网络或微孔结构的PDMS微泵，使微泵的每个微管道网络或微孔结构与待驱动的微流体芯片各个出口一一对应，同时实现多个微流体管道或单元的独立并行操控。对于贴附面积有限的微流体芯片来说，为了实现较强的驱动效果，可以将多个小面积的PDMS微泵叠加组合，组装形成泵运能力更强的驱动微泵。

本发明与现有微流控系统中的微泵相比，摆脱了微泵对机械部件或外置供能部件的依赖，无需繁杂的各类接口，简化了微流控系统的复杂度，降低了微流控系统的制作成本。同时，本发明所提供的微泵结构简单，操控灵活，适用范围广，而且，可以重复循环使用，大大降低了微流控系统的使用成本。与背景技术提及的在原理上虽相同，但结构上是有本质不同的。由于Hosokawa等人提供的“脱气PDMS微泵”是集成式的，对某一特定微流体芯片来说，其泵压能力受微管道或出口等结构几何尺度限制，基本固定，灵活性较差，而且只能应用于PDMS材质的微流体芯片。本发明提出的PDMS微泵是“分体式”的(即模块化)，使用时，只需将一块脱气处理后的PDMS块体(含微细网格或多孔结构，以增强块体“吸收”微管道中空气的速度和能力，且不同面积的微细结构具有不同的泵压能力)直接贴合在待驱动的微流体芯片出口处即可，组装非常简单。由于本发明微泵为“分体式”的，独立于微流体芯片本体，因此不仅可应用于PDMS材质的微流体芯片，也可应用于其他任何材质的微流体芯片。而且根据不同驱动需求可灵活更换集成不同面积微细结构的PDMS块体，实现不同驱动效果。总之，本发明与Hosokawa等人提出的“脱气PDMS微泵”在原理上基本相同，在结构上、设计商、应用方面则由本质区别，且“模块化”是指该泵为“分体式”，该限定是针对微流控芯片中“集成式”微泵提出的；而“组装式”有两个方面的含义，一方面是指该泵通过与微流体芯片贴合组装来发挥作用，另一方面是指该泵可以通过多个微泵组合来发挥作用。

附图说明

图1为本发明所提供的一种模块化组装式微泵结构示意图。a.集成单个微管道网络或微孔结构；b.集成多个微管道网络或微孔结构；c.组合式。

图2为本发明所提供的一种模块化组装式微泵封装储存于真空包装袋中的照片。

图3为本发明实施例1将模块化组装式微泵应用于微混合反应芯片流体驱动的示意图。a.透视效果示意图；b.俯视效果示意图。

图4为本发明实施例2将模块化组装式微泵应用于蛋白质结晶条件筛选芯片进样和定容操作的示意图。a.透视效果示意图；b.俯视效果示意图；c.进样示意图；d.定容示意图。

图5为本发明实施例2将模块化组装式微泵应用于蛋白质结晶条件筛选芯片混合操作的示意图。a.透视效果示意图；b.俯视效果示意图；c.混合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。

如图1a所示，本发明提出的一种模块化组装式微泵由集成微管道网络或微孔结构1的PDMS块体2构成。根据不同应用场合，模块化组装式微泵可以为集成多个微管道网络或微孔结构的PDMS块体(如图1b所示)，也可以为多个集成微管道网络或微孔结构的PDMS块体的叠加组合(如图1c所示)，组合式微泵应使各相邻块体的集成微管道网络或微孔结构通过通孔3相连通，且各微泵的贴附面应具有很好的平整度，以保证组合后微泵各贴合处的气密性。

如图2所示，本发明提出的一种模块化组装式微泵在使用前应预先置于真空包装袋4中进行脱气处理，并密封保存，成为可随时开封应用的模块化组装式微泵5。

实施例1

将本发明提出的一种模块化组装式微泵应用于微混合反应，具体实施方式如下所述：

如图3所示(图3a和3b分别为透视效果示意图和俯视效果示意图)，首先，将脱气处理后的模块化组装式微泵2从真空包装袋中取出，直接贴附于微混合反应芯片6上，贴附时，应保证微泵集成的微管道网络或微孔结构1覆盖微混合反应芯片出口7。然后，在微混合反应芯片第一进样口8和第二进样口9分别滴加样品和反应试剂，应使所滴加的液体完全封闭进样口。最后，滴加在第一进样口8和第二进样口9的样品和反应试剂在微泵产生的负压作用下一起吸入微流体芯片管道，并在混合管道中10中两者发生混合，形成反应产物。

实施例2

将本发明提出的一种模块化组装式微泵应用于蛋白质结晶条件筛选，具体实施方式如下所述：

如图4所示(图4a和4b分别为透视效果示意图和俯视效果示意图，图4c和4d为图4b虚线方框区域19局部放大图，分别对应进样和定容操作)，首先，将脱气处理后的集成多个微管道网络或微孔结构的模块化组装式微泵11从真空包装袋中取出，直接贴附于蛋白质结晶条件筛选芯片12上，贴附时，应保证微泵集成的各个微管道网络或微孔结构分别对准覆盖蛋白质结晶条件筛选芯片主管道出口13和混合管道出口14。同时，以胶带15密封芯片通气口16。然后，在芯片进样口17和18分别滴加蛋白质样品和结晶试剂，应保证所滴加的液体完全封闭进样口。由于模块化组装式微泵在芯片管道中形成负压，因此滴加在第三进样口17和第四进样口18的蛋白质样品和结晶试剂在此负压作用下自动充满微流体芯片主管道20和各分支管道21，完成芯片的进样步骤(如图4c所示，)。由于芯片的各分支管道21在与结晶反应腔22连接的出口处设计了几何收缩形状，从而形成毛细微阀结构23，当驱动压强较小时，液样将停止在毛细微阀处，暂时无法进入结晶反应腔22和混合管道24中。但是由于微泵11与主管道两个出口13对应的集成微管道网络或微孔结构具有较大的几何扩散面积，因而可持续驱动主管道中液体向出口处流动，直至进样口液滴全部进入微流体芯片并最终流至出口，使主管道中液体被空气所替代，从而在各分支管道形成独立的液柱，完成芯片的定容步骤(如图4d所示)。如图5所示(图5a和5b分别为透视效果示意图和俯视效果示意图，图5c为图5b虚线方框区域19局部放大图，对应混合操作)，定容操作完成以后，再将微泵11从芯片上剥离下来，换上可形成更大驱动压强的组合式微泵25贴附于芯片混合通道出口处，同时利用胶带密封两个主管道出口。由于组合式微泵25可产生足够大的压强使各分支管道中的液体克服毛细微阀的阻力进入结晶反应腔，因此可完成各对分支管道中已定容蛋白质样品和结晶试剂的定量混合，从而实现蛋白质结晶条件的筛选。

Claims (9)

1.一种模块化组装式微泵，其特征在于所述的微泵为一种单向、一次性、气压驱动泵，该微泵泵体由集成微管道网络或微孔结构的脱气PDMS块体构成，独立于待驱动的微流体芯片，通过简单贴附于待驱动微流体芯片出口处完成组装，利用脱气PDMS块体对气体的高溶解特性，吸收所贴附微流体芯片微管道中的空气，使封闭的微管道中气压降低，形成负压，实现微流体芯片中的进样和液体泵运的驱动力。

2.根据权利要求1所述的微泵，其特征在于所述微泵泵体集成一个微管道网络或微孔结构或集成多个微管道网络或微孔结构，其中微管道网络或微孔结构位于泵体与微流体芯片贴附的一面，且该贴附面除微管道网络或微孔结构外其余整体为平整光滑平面；集成多个微管道网络或微孔结构的微泵泵体应使微管道网络或微孔结构位置与待驱动微流体芯片各出口一一对应。

3.根据权利要求1所述的微泵，其特征在于所述微泵是由单个脱气PDMS块体构成或由多个脱气PDMS块体叠加组合而成；由多个脱气PDMS块体叠加组合而成的微泵泵体应使各相邻PDMS块体的微管道网络或微孔结构之间有连通的管道或通孔结构。

4.根据权利要求1所述的微泵，其特征在于所述脱气PDMS块体的处理是利用真空器皿或真空包装机完成，并密封于真空包装袋中；使用后的微泵泵体经重新脱气处理后，可重复循环使用。

5.如权利要求1-4中任一项所述微泵的使用方法，其特征在于步骤包括：

1)将集成微管道网络或微孔结构的PDMS块体置于包装袋中，并通过真空器皿或真空包装机抽真空完成脱气处理并封装保存在真空袋中，真空袋中真空度应小于20kpa；

2)撕开真空包装袋，取出经脱气处理的PDMS块体，将其贴附面的集成微管道网络或微孔结构对准并贴附于微流体芯片待施负压出口处；同时，以胶带或石蜡密封微流体芯片其他所有出口；

3)在微流体芯片进样口加入液样，使液样封闭整个进样口，进样口液体在负压驱动下进入微流体芯片管道或腔体。

6.根据权利要求5所述的微泵的使用方法，其特征在于步骤2)中所述微流体芯片为PDMS、PMMA、SU-8、COC、石英玻璃、硼硅酸盐玻璃或钠钙玻璃材质制作的微流体芯片或是上述材质组合制作的杂交型微流体芯片；所述待驱动微流体芯片拟贴附微泵的出口周围应为平整光滑平面。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的微泵的应用，其特征在于所述的微泵用于微混合反应或蛋白质结晶条件筛选。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于用于微混合反应的应用步骤是：首先将脱气处理后的PDMS块体(2)从真空包装袋中取出，直接贴附于微混合反应芯片(6)上，贴附时，应保证微泵集成的微管道网络或微孔结构(1)覆盖微混合反应芯片出口(7)；然后，在微混合反应芯片第一进样口(8)和第二进样口(9)分别滴加样品和反应试剂，应使所滴加的液体完全封闭进样口；最后，滴加在第一进样口(8)和第二进样口(9)的样品和反应试剂在微泵产生的负压作用下一起吸入微混合反应芯片管道，并在混合管道(10)中两者发生混合，形成反应产物。

9.按权利要求7所述的应用，其特征在于应用于蛋白质结晶条件筛选，具体步骤是：

a)首先，将脱气处理后的集成多个微管道网络或微孔结构的模块化组装式微泵(11)从真空包装袋中取出，直接贴附于蛋白质结晶条件筛选的芯片(12)上，贴附时，应保证模块化组装式微泵集成的各个微管道网络或微孔结构分别对准覆盖芯片主管道出口(13)和混合管道出口(14)，同时，以胶带(15)密封芯片通气口(16)；

b)然后，在芯片第三进样口(17)和第四进样口(18)分别滴加蛋白质样品和结晶试剂，保证所滴加的液体完全封闭进样口，由于模块化组装式微泵在芯片管道中形成负压，因此滴加在第三进样口(17)和第四进样口(18)的蛋白质样品和结晶试剂在负压的作用下自动充满芯片主管道(20)和各分支管道(21)，完成芯片的进样步骤；

c)芯片的各分支管道(21)在与结晶反应腔(22)连接的出口处设计了几何收缩形状，从而形成毛细微阀结构(23)，当驱动压强较小时，液样将停止在毛细微阀处，暂时无法进入结晶反应腔(22)和混合管道(24)中；由于模块化组装式微泵(11)与主管道出口(13)对应的集成微管道网络或微孔结构具有较大的几何扩散面积，因而可持续驱动主管道中液体向出口处流动，直至进样口液滴全部进入芯片并最终流至出口，使主管道中液体被空气所替代，从而在各分支管道形成独立的液柱，完成芯片的定容步骤；

d)定容操作完成以后，再将模块化组装式微泵(11)从芯片上剥离下来，换上可形成更大驱动压强的组合式微泵(25)贴附于芯片混合通道出口处，同时利用胶带密封两个主管道出口，由于组合式微泵(25)产生足够大的压强使各分支管道中的液体克服毛细微阀的阻力进入结晶反应腔，可完成各对分支管道中已定容蛋白质样品和结晶试剂的定量混合，从而实现蛋白质结晶条件的筛选。