CN104225964A - 微流体气泡排除装置及其制备方法以及微流体器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流体气泡排除装置及其制备方法以及采用该微流体气泡排除装置的微流体器件。其中，所述微流体气泡排除装置包括：通道底层和位于所述通道底层之上的疏水多孔层，所述通道底层和疏水多孔层之间形成微流通道；其中，通道底层位于所述微流通道的一侧具有至少1个凸台条。本发明克服了传统微流体排气方法对重力的依赖，能够提高排气效率、并满足微重力环境下的微流体器件排气要求。本发明中的微流体气泡排除装置易于与其他微流控芯片集成，能满足不同粘度的液体的气泡排出。

Description

微流体气泡排除装置及其制备方法以及微流体器件

技术领域

本发明涉及微流控芯片、微流体器件技术领域，特别涉及一种用于微流体器件或芯片的微流体气泡排除装置及其制备方法，以及采用所述微流体气泡排除装置的微流体器件。

背景技术

微流控芯片、微流体器件在生物医疗检测、制药、环境和食品安全监测等方面有着越来越重要的应用。对于微流体器件或芯片来说，由于进液过程导致的气泡或者液体中本身含有气泡等原因，使得在微流通道中输运的液体同时伴有气泡。气泡的存在会直接影响微流通道中液体的输运控制、生化反应和检测，因此，需要把气泡从微流通道内输运的液体中排出到芯片外。

现有常用的用于微流通道内液体中的气泡排除方法有浮力法和表面能最小化法。

其中，浮力法是利用浮力将气泡从液体内排出的传统气泡排除方法。排气泡的过程是，在芯片上设置排气腔并外接排气管道，当液体流经排气腔时，液体中的气泡在浮力的作用下自动向上漂浮，进而从排气管道排出，达到排除液体内气泡的目的(参见Zheng W,Wang Z,Zhang W,et al.A simple PDMS-based microfluidic channel designthat removes bubbles for long-term on-chip culture of mammalian cells[J].Lab on a Chip,2010,10(21):2906-2910)。这种方法的原理和操作比较简单，但其需要较大且有一定高度的排气腔，进而导致了芯片的样品和/或试剂需要量的增加，并且，该方法的应用需要依靠重力的作用，因此无法应用于微重力的航天领域。

表面能最小化法是运用表面能最小原理，通过疏水表面和特殊几何结构捕获并排除微流通道内液体中的气泡的(参见Meng D D,Kim J,Kim C J.A degassing plate withhydrophobic bubble capture and distributed venting for microfluidic devices[J].Journal ofMicromechanics and Microengineering,2006,16(2):419)。这种方法所使用的排气机构结合了疏水多孔膜和几何学气泡捕捉结构，二者之间使用环氧树脂贴合。气泡上浮，然后被限制在凹台形的陷阱中，并逐渐减小消失。但是该方法仍然利用重力作用使得气泡上浮到陷阱中，当微流道中液体的流动速度较快时，可能会出现气泡还未上浮到陷阱便已流出了排气泡区域的情况，进而导致了排气泡效率的降低，并且，由于和前述的浮力法同样的需要依靠重力作用的原因，表面能最小化法也不能直接应用于航天领域。

在专利号为200810103613.2所公开的用于微流体器件气体排出的分布式排气装置中，通过将具有纳米多孔结构的高分子滤膜和微米级孔道的金属或非金属片引入微流体器件，实现了将气泡从气液混合体系分布式的排除。但该方案仍然没有完全克服前两种方法对于液体流速和排气方向的限制。

综上所述，现有技术中，由于微流体中气泡的排除依赖于重力的作用使得气泡上浮，存在效率偏低的问题，同时限制了其在例如航天领域等微重力环境下的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种气泡排除装置及其制备方法以及微流体器件，以克服现有技术排气效率低且难以应用于微重力环境的问题。

本申请的技术方案是这样实现的：

一种微流体气泡排除装置，包括：

通道底层和位于所述通道底层之上的疏水多孔层，所述通道底层和疏水多孔层之间形成微流通道；其中，

所述通道底层位于所述微流通道的一侧具有至少1个凸台条。

进一步，所述通道底层的微流通道底面和疏水多孔层之间距离为20μm至500μm，所述凸台条的高度为所述通道底层的微流通道底面和疏水多孔层之间距离的1/5至4/5。

进一步，所述通道底层为亲水材料或者所述通道底层为经过亲水改性处理的材料。

进一步，所述通道底层材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS、聚二甲基硅氧烷PDMS或者玻璃。

进一步，所述疏水多孔层的材料为具有纳米至微米级多孔结构的高分子疏水材料。

进一步，所述疏水多孔层材料为聚丙烯、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚砜或者聚乙烯。

进一步，所述疏水多孔层的厚度为20μm至400μm，所述疏水多孔层中孔的孔径为20nm至20μm。

进一步，所述凸台条的延伸方向与所述微流通道中液体流动方向之间的夹角大于0°且小于等于90°；

所述凸台条的横截面呈半椭圆形、三角形或者长方形；

多个凸台条之间相互平行，且相邻凸台条之间的距离为100μm至2mm。

一种微流体气泡排除装置的制备方法，包括以下步骤：

制备通道底层，所述通道底层的表面具有至少1个凸台条；

将疏水多孔层与所述通道底层表面的两侧进行粘接，使得所述通道底层和疏水多孔层之间形成微流通道。

一种微流体器件，包括：

环形蠕动微泵、微流体样品接入口、微流芯片接口以及如上任一项所述的微流体气泡排除装置；

所述微流体样品接入口、环形蠕动微泵、微流体气泡排除装置和微流芯片接口顺次连接。

从上述方案可以看出，本发明克服了传统微流体排气方法对重力的依赖，能够提高排气效率、并满足微重力环境下的微流体器件排气要求。本发明中的微流体气泡排除装置易于与其他微流控芯片集成，能满足不同粘度的液体的气泡排出。

附图说明

图1为本发明中微流体气泡排除装置的第一实施例示意图；

图2为本发明中微流体气泡排除装置的第二实施例示意图；

图3为本发明中微流体气泡排除装置的第三实施例示意图；

图4为本发明中微流体气泡排除装置的凸台条的一个实施例结构示意图；

图5为本发明中微流体气泡排除装置的凸台条的另一实施例结构示意图；

图6为本发明中微流体气泡排除装置制备方法的实施例流程图；

图7为本发明中微流体器件的实施例示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2、图3所示，本发明的微流体气泡排除装置实施例包括通道底层1和疏水多孔层3，其中所述疏水多孔层3位于所述通道底层1之上，通道底层1和疏水多孔层3之间形成微流通道4，通道底层1位于微流通道4的一侧具有至少1个凸台条2，凸台条2不与疏水多孔层3接触，微流体在微流通道4中流动，在凸台条2处由于凸台条2的阻挡而扰动(如图1、图2、图3中箭头方向所示)，进而使得微流体中的气泡随着微流体的扰动而带动到疏水多孔层3而被疏水多孔层3所捕获，进而被捕获的气泡通过疏水多孔层3而从微流体中排出。

本发明实施例中，凸台条2的延伸方向与微流通道4中液体流动方向之间的夹角大于0°且小于等于90°，多个凸台条2之间相互平行，且相邻凸台条2之间的距离为100μm(微米)至2mm(毫米)。凸台条2的高度为通道底层1的微流通道4的底面(即图1、图2、图3中通道底层1的非凸台条2的区域)和疏水多孔层3之间距离的1/5至4/5。通道底层1的微流通道4的底面和疏水多孔层3之间距离为20μm至500μm。凸台条2的延伸方向与微流通道4中液体流动方向之间的夹角大于0°且小于等于90°，这样才能对微流通到中流动的液体产生有效的扰动。

凸台条2的横截面可以为图1中所示的半椭圆形，也可以为图2中所示的三角形，或者为图3中所示的长方形等图形。其中，半椭圆型截面的凸台条2对于微流体的扰动作用较好，可使微流体在微流通道4内往返流动，直到其中的气泡完全排除。微流体以一定流速流过微流通道4，在微流通道4内凸台条2的扰动下，趋向流到相对的疏水多孔层3，微流体中的气泡吸附于疏水多孔层3，并从疏水多孔层3排出，对于不同粘度的液体(微流体)，在不同的流速(10～200mm/s(毫米每秒))下能实现良好的排气。

本发明实施例中，凸台条2在通道底层1的微流通道4的底面延伸可呈直线型、人字形、波浪形等形状。以人字形为例，图4和图5分别为凸台条2呈两种人字形延伸的实施例结构示意图。其中，如图4所示，在通道底层1的微流通道底面，凸台条2呈对称的人字形延伸，微流体在微流通道内的流动方如图4中箭头方向。图4所示结构中，人字形凸台条2对微流体增加了侧向扰动作用，可使微流体更高效的流向疏水多孔层3。如图5所示，在通道底层1的微流通道底面，凸台条2呈侧偏的人字形(如左偏人字形21和右偏人字形22)排列，可增加微流体的左右侧向的扰动。

本发明实施例中，通道底层1采用亲水材料制成，或者通道底层1采用经过亲水改性处理的材料。通道底层1的材料例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)、PS(聚苯乙烯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)或者玻璃等。

本发明实施例中，疏水多孔层3的材料为具有纳米至微米级多孔结构的高分子疏水材料，例如聚丙烯、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚砜或者聚乙烯等。疏水多孔层3的厚度为20μm至400μm，疏水多孔层3中孔的孔径为20nm(纳米)至20μm。

本发明实施例，由于通道底层1采用亲水或过经亲水改性的材料制成而疏水多孔层3为疏水材料，因此进一步地使得微流通道4中的微流体的液体成分亲近于所述通道底层1而疏远于疏水多孔层3，进而更加有利于微流体中气泡向疏水多孔层3的运动并被排出。

本发明实施例同时提供了一种上述微流体气泡排除装置的制备方法，如图6所示，包括：

步骤1、制备通道底层，所述通道底层的表面具有至少1个凸台条；

步骤2、对所述通道底层表面进行亲水改性处理；

步骤3、将疏水多孔层与所述通道底层表面的两侧进行粘接，使得所述通道底层和疏水多孔层之间形成微流通道。

其中，步骤1中可采用如下几种方法：

方法a1、采用热压模或者注模方法制备PMMA、PC或者PS材料的通道底层。

方法a2、采用软光刻方法制备PDMS材料的通道底层。

方法a3、采用注模方法制备玻璃材料的通道底层。

实际操作中，上述方法a1至方法a3任选其中一种即可。

步骤2是一个可选的步骤，如果不采用步骤2，那么步骤1中所制成的通道底层的亲水性可能不理想，经过步骤2之后，通道底层的亲水性可达到较好的效果，进而可有利于微流体中气泡的排除。

具体地，步骤2可采用如下几种方法实现：

方法b1、采用含有纳米SiO2(二氧化硅)颗粒的甲醇溶液对所述通道底层表面进行浸泡沉积。

方法b2、对所述通道底层表面进行SiO2的溅射沉积。

方法b3、对所述通道底层表面进行等离子体处理。

方法b4、对所述通道底层表面进行硅烷化处理。

方法b5、对所述通道底层表面进行紫外线照射。

上述方法b1至方法b5均可实现通道底层表面的亲水性处理，实际操作中任选其中一种即可。

上述方法b1中，可采用图形化亲水改性处理方法，即利用掩膜覆盖住拟亲水处理的微流通道以外的基片表面，使只有微流通道表面被亲水处理而基片的其它部分不被处理。方法b1中也可以采用非图形化亲水改性处理方法。

步骤3中可采用如下两种方法实现疏水多孔层与通道底层表面两侧的粘接：

步骤c1、采用双面胶将所述疏水多孔层与所述通道底层表面的两侧进行粘接。

步骤c2、采用氧等离子将所述疏水多孔层与所述通道底层表面的两侧进行粘接。

实际操作中，上述方法c1和方法c2任选其中一种即可。

本发明实施例同时提供了一种微流体器件，其中采用了上述微流体气泡排除装置。如图7所示，微流体器件包括环形蠕动微泵11、微流体样品接入口12、微流芯片接口13以及微流体气泡排除装置14。所述微流体样品接入口12、环形蠕动微泵11、微流体气泡排除装置14和微流芯片接口13顺次连接。在工作时，微流体在环形蠕动微泵11的推动下，从微流体样品接入口12流入，经过环形蠕动微泵11后进入微流体气泡排除装置14，经过微流体气泡排除装置14后，微流体中气泡被排除，排出气泡后的微流体送进微流芯片接口13进行后续的工作。

本发明根据能量最低原理，表面能自动趋于最小化，当气泡在液体和固体共存的沟道内流动时，气泡总是趋向于向着使整个系统的总能量趋于最低的位置移动，并停留于该位置。只要在气泡捕捉位置设置相应的排气孔，就可以将气体从液体内部排出。本发明的微流体气泡排除装置中，在微流通道4中，由于两侧的通道底层1和疏水多孔层3的亲、疏水性不同，流经微流通道4的微流体中的气泡在液体流的带动下趋向壁面时会粘附于疏水多孔层3表面。在疏水多孔层3的壁面有气泡排出的气孔，与疏水多孔层3接触的气泡就会从气孔中自动排出。在有重力的情况下，在重力作用下气泡会逐渐往上浮起与疏水多孔层3的壁面接触，而疏水多孔层3的壁面为疏水面，气泡会很轻易的自动排出。设置于通道底层1的凸台条2可扰动微流通道4中的微流体，使微流体向疏水多孔层3方向流动，进而带动微流体中的气泡迅速地趋向疏水多孔层3，进而被疏水多孔层3捕获并从疏水多孔层3排出。利用凸台条2，可实现更高效的排气，并且凸台条2对微流体的扰动并不受到重力的影响，进而在微重力条件下，仍然能够实现理想的排气效果。

本发明克服了传统微流体排气方法对重力的依赖，能够提高排气效率、并满足微重力环境下的微流体器件排气要求。本发明中的微流体气泡排除装置易于与其他微流控芯片集成，能满足不同粘度的液体的气泡排出。

利用上述微流体气泡排除装置进行微流体气泡排除实验。当微流体采用浓度为5.22mol/mL(摩尔每毫升)的碳酸氢钠水溶液时，其内部含有大量且分布均匀的气泡，经过本发明的微流体气泡排除装置的排气后经定量统计，流经微流体气泡排除装置之后微流体CCD拍摄视场内气泡所占面积百分比普遍小于0.5％，排气效果明显，当微流体的流速为40～50mm/s(毫米每秒)时，排气效果最佳。

当微流体采用日本大耳白兔采集到的血液时，其中混有气泡，经过本发明的微流体气泡排除装置的排气后经定量统计，流经微流体气泡排除装置之后微流体CCD拍摄视场内气泡所占面积百分比普遍小于1.0％，排气效果明显，当流速约为30～40mm/s，排气效果最佳。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种微流体气泡排除装置，其特征在于，包括：

通道底层和位于所述通道底层之上的疏水多孔层，所述通道底层和疏水多孔层之间形成微流通道；其中，

所述通道底层位于所述微流通道的一侧具有至少1个凸台条。

2.根据权利要求1所述的微流体气泡排除装置，其特征在于：所述通道底层的微流通道底面和疏水多孔层之间距离为20μm至500μm，所述凸台条的高度为所述通道底层的微流通道底面和疏水多孔层之间距离的1/5至4/5。

3.根据权利要求1所述的微流体气泡排除装置，其特征在于：所述通道底层为亲水材料或者所述通道底层为经过亲水改性处理的材料。

4.根据权利要求3所述的微流体气泡排除装置，其特征在于：所述通道底层材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS、聚二甲基硅氧烷PDMS或者玻璃。

5.根据权利要求1所述的微流体气泡排除装置，其特征在于：所述疏水多孔层的材料为具有纳米至微米级多孔结构的高分子疏水材料。

6.根据权利要求5所述的微流体气泡排除装置，其特征在于：所述疏水多孔层材料为聚丙烯、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚砜或者聚乙烯。

7.根据权利要求5所述的微流体气泡排除装置，其特征在于：所述疏水多孔层的厚度为20μm至400μm，所述疏水多孔层中孔的孔径为20nm至20μm。

8.根据权利要求1所述的微流体气泡排除装置，其特征在于：

所述凸台条的延伸方向与所述微流通道中液体流动方向之间的夹角大于0°且小于等于90°；

所述凸台条的横截面呈半椭圆形、三角形或者长方形；

多个凸台条之间相互平行，且相邻凸台条之间的距离为100μm至2mm。

9.一种微流体气泡排除装置的制备方法，包括以下步骤：

制备通道底层，所述通道底层的表面具有至少1个凸台条；

将疏水多孔层与所述通道底层表面的两侧进行粘接，使得所述通道底层和疏水多孔层之间形成微流通道。

10.一种微流体器件，其特征在于，包括：

环形蠕动微泵、微流体样品接入口、微流芯片接口以及如权利要求1至8任一项所述的微流体气泡排除装置；

所述微流体样品接入口、环形蠕动微泵、微流体气泡排除装置和微流芯片接口顺次连接。