CN103706414A - 一种多段毛细管轴向精密定位与移转装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多段毛细管轴向精密定位与移转的装置。在X-Y微移动台上，设置有沿X轴向平移的矩形长条1以及沿Y轴向可相向平移的矩形长条3与矩形长条4，在矩形长条1上方架有矩形长条2，这些矩形长条上分别具有可拆卸式固定毛细管段的微结构，包括并行微槽、垂直通孔与横向通孔等；当二段或多段相同直径的毛细管排布在矩形长条3与矩形长条4之间后，通过先后调节沿两轴方向的平移，并配合利用各矩形长条上相应微结构的可拆卸式固定，包括凝胶的固化与去固化，可实现各段毛细管之间沿轴向间距的精密调节，以及轴向精密定位的多段毛细管的移转，为利用毛细管进行后续流控功能结构的构建与制作提供精密可控的简便工具。

Description

一种多段毛细管轴向精密定位与移转装置

技术领域

本发明涉及一种用于毛细管轴向精密定位与移转的装置，具体针对相同外直径的多段直形毛细管沿着其纵轴向的精确定位与转置，属于微加工技术领域。

背景技术

毛细管尤其是玻璃毛细管，是湿实验室中最为常见的微流动单元，端部被拉成细圆锥形的毛细管被广泛应用于显微注射、液滴或乳胶生成、波导、微流聚焦等场合。随着微流控技术的不断发展，有些应用场合需要将被截短与/或被拉锥的二段或多段毛细管沿着纵轴向串接组合共轴流控功能装置。例如，文献【MaikeWindbergs,Yuanjin Zhao,John Heyman,and David A.Weitz:BiodegradableCore-Shell Carriers for Simultaneous Encapsulation of Synergistic Actives,J.Am.Chem.Soc.2013,135,7933-7937】将两段圆锥形毛细管的尖端以一定间隔的微距离共轴相对排列，所形成的微流控装置被应用来生成多元复合微粒子。但是，在这类流控功能结构制作中，由于毛细管尺寸的细而短，通常借助于一个恰当尺寸的方形套管来实现两段或多段毛细管的共轴，有的情形需要一种T形套管，如文献【Zhenqi Chang,Christophe A.Serra,Michel Bouquey,Laurent Prat and GeorgesHadziioannou:Co-axial capillaries microfluidic device for synthesizing size-andmorphology-controlled polymer core-polymer shell particles,Lab Chip,2009,9,3007–3011】。2010年10月13日公开的中国专利“一种串联层流毛细管的设计方法”(公开号：CN101858374A)，涉及多段毛细管的连接，其所提出的连接措施是在毛细短管的两端截面上分别有密封圈槽，通过安装密封圈来实现串联毛细管之间的密封。2011年2月9日公开的中国发明专利“一种裸F-P光纤传感器毛细管式封装方法”（公开号：CN101655351B），是通过相应管段的外径尺寸预先制作硅胶模具，以所形成的型腔的同轴性来保证毛细管段轴线的对中。2013年8月21日公开的中国实用新型专利“一种毛细管连接器”（公开号CN201320035447），用结构相同的两锥形塑料管，将小端无缝对接，两大端分别用于连接两毛细管，然后在对接小端处外套上塑料热缩管，通过加热实现两毛细管段的接合。显然，现有技术文献中对于直径相同的直圆形毛细管的共轴，利用方形槽或管的规约，是易于实现的操作；但是，共轴的毛细管之间间距的精确调节，利用手工操作往往很难达成。如果端与端之间微尺度间距的确定调节不能可靠精确地实现，对于微流控技术中许多应用场合则过于粗糙，许多精微巧妙的功能难于实现。进一步，现有技术文献中还缺乏将共轴的毛细管不致偏移地转移到它处应用的便利手段。总之，在实验或应用场合，目前还没有针对用于毛细管段之间轴向精密定位与随后移转的操作整合在一起实施的技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于毛细管轴向精密定位与移转的装置，具体而言，是提供一种针对相同外直径的多段直形毛细管沿着其纵轴向的精确定位与转置，为后续流控功能结构的构建与制作提供精密可控的工具。这种多段毛细管轴向精密定位与移转装置，在X-Y微移动台平滑顶表面上将二段或多段相同直径的毛细管沿纵轴向以平行于X-Y微移动台的坐标X轴方向排布，使两两管端之间有间距，其特征在于：在X-Y微移动台上，有一块长边平行于X轴方向的平滑矩形长条1，该矩形长条1的顶面与X-Y微移动台平滑顶表面在一个水平面上并在X-Y微移动台调节下沿X轴方向移动，在矩形长条1顶面上有一条连接该矩形长条1宽边中点的指示中线，并在该指示中线沿程上开有垂直于矩形长条1长边的间距均匀的并行微槽，并行微槽与该指示中线的交点处开有垂直于矩形长条1顶面的通孔，在矩形长条1顶表面上方架有长边走向与矩形长条1相同的矩形长条2并与矩形长条1随动，矩形长条2的长边走向上开有均匀间距的通孔，通孔方向垂直于矩形长条1顶表面；在X-Y微移动台平滑顶表面上有两块长边平行于X轴方向的平滑矩形长条3与4，矩形长条3与4的底面与X-Y微移动台平滑顶表面相互接触并在X-Y微移动台调节下沿Y轴方向移动，矩形长条3与4的侧面开有均匀间距的通孔，通孔方向平行于矩形长条1顶表面。

当二段或多段相同直径的毛细管排布在矩形长条3与4之间后，沿Y轴方向移动实现各段毛细管沿纵轴向一致排布并置于矩形长条1顶面的指示中线沿程上，配合利用矩形长条2、3与4相应位置的通孔松紧固定以及矩形长条1沿X轴方向的移动实现各段毛细管之间沿轴向间距的精密调节，在相应的并行微槽中注入可固化凝胶，凝胶固化后，撤除矩形长条2与相关通孔的紧固定，在X-Y微移动台上取出矩形长条1连同因凝胶固化而贴附其上的毛细管，并整体移动到应用位置，进一步可以使凝胶整合到应用装置中，或者去固化后洗脱掉，从而实现轴向精密定位的多段毛细管的移转。

本发明中，所述矩形长条1、2、3与4的表面应平整光滑，应采用硬质材质，优先采用透明的硬材质，既使在移动与固定过程中不致变形，也方便置于显微镜下观测。

本发明中，所述矩形长条1，其顶表面的宽度应不小于1毫米，其长度可根据X-Y微移动台面的尺寸来适当确定，一般可取X-Y移动台面的X轴方向的同等长度，其厚度应与其表面上所开的并行微槽的深度及其材质硬度相协调，例如采用有机玻璃时，当并行微槽的深度为0.5mm，此厚度值可取不小于2mm。并行微槽的宽度范围在1毫米与0.1毫米之间，槽长可以略小于矩形长条1顶表面的宽度，且以矩形长条1顶表面上所划中心直线为对称轴，槽的两端可以连通有直径较槽宽度大的敞口圆孔，以方便随后灌注凝胶；并行微槽之间的中心间距可按宽度的整数倍均匀布置，有些场合可以视为刻度；在这些并行微槽与上述中心直线的交点处开有垂直于矩形长条1顶面的通孔，通孔的直径不大于并行微槽的宽度。

本发明中，所述矩形长条2，其长度与宽度可以与矩形长条1相当，甚至可以相等，只要在移动与固定过程中维持其刚直性能，其厚度可以尽量小。矩形长条2可通过其两端固定在在矩形长条1顶表面上方，且在矩形长条2底表面与矩形长条1顶表面之间的间距不小于1毫米，并随着矩形长条1的移动而移动。矩形长条2的长边走向上开有均匀间距的通孔，通孔方向垂直于矩形长条1顶表面，这些通孔可以是直孔，或锥孔，或螺孔，孔直径不大于1毫米，孔之间的中心距不大于1毫米。

本发明中，所述矩形长条3与矩形长条4的长边均平行于X轴方向，它们的底面均与X-Y微移动台平滑顶表面相互接触并在X-Y微移动台调节下沿Y轴方向移动，它们的侧面均开有均匀间距的通孔，通孔方向平行于矩形长条1顶表面，这些通孔可以是直孔，或锥孔，或螺孔，孔直径不大于1毫米，孔之间的中心距不大于1毫米。

如前所述的本发明装置的操作过程中，将二段或多段相同直径的毛细管排布在矩形长条3与4之间，此时这些毛细管段端与端之间应有一定间距，然后沿Y轴方向相向移动矩形长条3与矩形长条4，可使各段毛细管沿纵轴向一致排布，并可移动到矩形长条1顶面的指示中线沿程上；接着，针对需要作轴向间距调整的毛细管段，利用矩形长条2、3与4相应位置上的通孔，作出松/紧固定，然后可在显微镜下精密刻度导引下沿X轴方向移动矩形长条1，从而实现各段毛细管之间沿轴向间距的精密调节；进一步，在相应的并行微槽中注入可固化凝胶，例如道康宁公司的Sylgard184以10﹕1组成的聚二甲基硅氧烷﹕固化剂凝胶（PDMS），在摄氏60度下烘烤固化后，撤除矩形长条2与相关通孔的紧固定，在X-Y微移动台上取出矩形长条1连同因凝胶固化而贴附其上的毛细管，并整体移动到应用位置，实现轴向精密定位的多段毛细管的移转。

附图说明

图1为用于多段相同直径的毛细管轴向精密定位与移转装置的示意。

上述示意图中，1为沿X轴向平移的矩形长条1，2为架在矩形长条1上并随动的矩形长条2，3与4均为沿Y轴方向平移的矩形长条3与矩形长条4，5为矩形长条1顶表面上的指示中线，6为并行微槽，7为矩形长条1上各并行微槽6与中心直线5交会处的垂直通孔，8为矩形长条2垂面上的通孔，9为矩形长条3侧面上的通孔，10为矩形长条4侧面上的通孔，11为将矩形长条2固定于矩形长条1之上方的固定杆，12、13与14分别是牵引矩形长条1、3与4沿X、Y轴平移的螺杆，15为平台。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进一步描述如下：

实施例1：

如图1所示的是一种用于多段相同直径的毛细管轴向精密定位与移转装置的示意图。实施时，可主要选用透明塑料如有机玻璃作为各构件的材料。在平滑平台15顶表面中央沿着X轴方向，开出一条槽，其深度与宽度分别等于矩形长条1的厚度与宽度，使该槽恰好放置矩形长条1。具体实施时，为了使矩形长条1能够稳定地沿X轴平移而不致滑出顶表面，矩形长条1及上述置放槽的横断面可以设计为燕尾状。在矩形长条1顶面上用微米尺度的雕刻刀刻上一条连接宽边中点的指示中线5，在该指示中线5沿程上，以均匀的间距刻并行微槽6，这些微槽6的走向垂直于矩形长条1的长边，并可以以上述指示中线5为对称轴，各并行微槽6的长度一般小于矩形长条1的宽度，其深度可以是矩形长条1厚度的1/2左右，各并行微槽6的宽度可小于1毫米，它们的间距可取2毫米～10毫米之间。在各并行微槽6与该中心直线5的交点处开垂直于矩形长条1顶面的通孔7，通孔7的直径可取1毫米左右。在矩形长条1的两端（沿着指示中线5），各固定一根可拆卸的固定杆11，固定杆11上部具有一段螺杆，矩形长条2的顶面（底面）以平行于矩形长条1顶表面的方式托架在固定杆11上，并通过螺母固定。两根固定杆11之间的间距，应当大于本发明中的矩形长条3与矩形长条4的长度。在矩形长条2的长边走向上开出均匀间距的通孔8，通孔8的方向垂直于矩形长条1顶表面，且在矩形长条2固定在固定杆11上时，这些通孔8的孔心分布在指示中线5上，通孔8的直径可小于1毫米，它们的间距可取2毫米～5毫米之间。

在矩形长条3与矩形长条4的长边侧面上，分别开出均匀间距的通孔9与通孔10，通孔9与通孔10的孔心（即孔的纵轴线）应在一个水平面上，且均平行于矩形长条1顶表面；最好的方案是，矩形长条3与矩形长条4的形状与尺寸相同，且所开出的通孔9与通孔10的大小、形状与位置一致。由于实际固定对象毛细管直径（典型的尺寸为1毫米）的限制，矩形长条3与矩形长条4上的通孔9与通孔10的孔心位置应与毛细管直径相协调。为了能有效推移置于矩形长条3与矩形长条4两者之间的毛细管对象，矩形长条3与矩形长条4的底面应该与矩形长条1顶表面精密接触，且矩形长条3与矩形长条4的长边侧面应该与矩形长条1顶表面垂直，因倒角引起的间隙应小于0.2毫米。

在平台15的X轴向右侧连接一个单轴位移台，通过螺杆14来牵引平滑矩形长条1及其固定随同的矩形长条2；在平台15的上下两侧Y轴向上，矩形长条3与矩形长条4分别通过螺杆12与螺杆13连接到各自的单轴移动台上，实现它们沿Y轴向上的平移。

在具体实施时，通孔8、通孔9与通孔10的内孔形状，可以是直孔，也可以呈锥形或螺孔，以实现针对毛细管的可拆松式固定。

使用时，将二段或多段相同直径的毛细管，沿纵轴向，管端之间排开一定间距，以平行于坐标X轴方向排布在矩形长条3与矩形长条4之间，然后，沿Y轴方向相向移动矩形长条3与矩形长条4，使它们夹着这些毛细管段逐渐靠拢，并调节到矩形长条1的指示中线5沿程上；接着，针对各段毛细管，配合利用矩形长条2、矩形长条3与矩形长条4上相应位置上通孔的固定与松开，调节矩形长条1沿X轴方向的移动，就可实现各段毛细管之间沿轴向间距的精密调节。如果是针对拉锥毛细管，利用本发明装置，可以很方便地精确地调节一段毛细管的拉锥尖端伸入到另一毛细管内的深度。

然后，在相应的并行微槽中注入可固化凝胶，凝胶固化后，撤除矩形长条2与相关通孔8、通孔9与通孔10上的紧固定，拆卸掉矩形平台2及固定杆11，在平台15上取出矩形长条1连同因凝胶固化而贴附其上的毛细管，并整体移动到应用位置。具体实施过程中，上述可固化凝胶，可以选用热固化的PDMS（见“发明内容”中的说明），也可以采用低熔点的石蜡。这些固化后的凝胶，对矩形长条1顶表面上的玻璃毛细管，具有相当的粘合效果。当将轴向精密定位的多段毛细管移动到具体应用位置后，这些凝胶连同被粘附的毛细管，可以通过通孔7施加微力而使它们脱开矩形长条1顶表面。如果采用的凝胶是PDMS，既可以整合到应用的装置中，也可以在其上稍微点滴作用以乙醇，使它们易于脱开；如果采用的凝胶是石蜡，可以加热到50℃左右随漂洗而脱掉。至此，轴向精密定位的多段毛细管实现移转。

Claims (5)

1.一种多段毛细管轴向精密定位与移转装置，在X-Y微移动台平滑顶表面上将二段或多段相同外直径的直形毛细管沿纵轴向以平行于X-Y微移动台的坐标X轴方向排布，使两两管端之间有间距，其特征在于：在X-Y微移动台上，有一块长边平行于X轴方向的平滑矩形长条1，该矩形长条1的顶面与X-Y微移动台平滑顶表面在一个水平面上并在X-Y微移动台调节下沿X轴方向移动，在矩形长条1顶面上有一条连接该矩形长条1宽边中点的指示中线，并在该指示中线沿程上开有垂直于矩形长条1长边的间距均匀的并行微槽，并行微槽与该指示中线的交点处开有垂直于矩形长条1顶面与底面的通孔，在矩形长条1顶表面上方架有长边走向与矩形长条1相同的矩形长条2并与矩形长条1随动，矩形长条2的长边走向上开有均匀间距的通孔，通孔方向垂直于矩形长条1顶表面，在X-Y微移动台平滑顶表面上有两块长边平行于X轴方向的平滑矩形长条3与4，矩形长条3与4的底面与X-Y微移动台平滑顶表面相互接触并在X-Y微移动台调节下沿Y轴方向移动，矩形长条3与4的侧面开有均匀间距的通孔，通孔方向平行于矩形长条1顶表面。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于：矩形长条1顶面的宽度不小于1毫米。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于：矩形长条1顶面上的并行微槽的宽度范围在1毫米与0.1毫米之间。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于：矩形长条1顶表面与矩形长条2底表面之间的间距大于1毫米。

5.如权利要求1所述装置，其特征在于：矩形长条3与矩形长条4的高度大于1毫米，它们相互面对的表面均与X-Y微移动台平滑顶表面垂直。

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