CN104806580B - 复合结构微流体液体隔离泵送模块 - Google Patents
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Abstract
复合结构微流体液体隔离泵送模块，属于微流体泵送技术领域。斥水透气层夹设在液体结构层和气体结构层之间并封接；液体结构层与斥水透气层相邻的一侧面上设有液体流道，液体流道与斥水透气层相邻的一侧面之间形成液体流道密封腔室；液体结构层上开设有液体入口，液体入口与外部环境以及液体流道密封腔室相通；气体结构层与斥水透气层相邻的一侧面上设有气体流道，气体流道与斥水透气层相邻一侧面之间形成气体流道密封腔室，液体结构层上沿液体结构层厚度方向并贯穿斥水透气层开设有气体输送口，气体输送口与外部负压气体源相连，气体输送口与气体流道密封腔室相通。本发明能在非透气性材质模块泵送过程中无气泡产生，且能实现大规模集成次序流动。
Description
技术领域
本发明涉及一种微流体液体泵送模块，属于微流体泵送技术领域。
背景技术
目前，微流体领域相关产品中所使用的液体样本泵送模块主要包括依靠外部能量驱动的主动泵送模块和依靠结构设计、表面性质和材质性质等自身特性进行液体驱动的被动泵送模块。主动泵送模块需要外部驱动设备和能源支持，主要依靠压力能、电动力学能、声波能等外部能量驱动液体在微流控系统内部流动。被动泵送模块主要包括毛细力驱动、去气驱动、重力驱动和蒸发力驱动等多种驱动方式，模块依靠自身特性自发地驱动液体流动，无需外部能量支持。
在微流体泵送过程中易产生气泡，它不仅无益于微流控系统的设计功能，而且会在操作过程中产生堵塞流道、改变流动速度、压力脉动和破坏流动稳定性等严重危害。对于非透气性材质模块泵送过程时产生气泡的问题，无论是现有的微流体主动液体泵送模块或被动液体泵送模块都无法依靠自身特征进行较好的克服。此外，现有液体泵送模块无法实现在非透气性材质层上对封闭结构（封闭流道或腔室）进行液体的泵送。并且，现有液体泵送模块也难以在非透气性材质层中实现无气泡、大规模集成的次序流动。
发明内容
本发明的目的是为解决现有微流体泵送技术中存在的上述问题，进而提供一种能在非透气性材质泵送过程中无气泡产生的复合结构微流体液体隔离泵送模块。
实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
复合结构微流体液体隔离泵送模块，所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块包括液体结构层、斥水透气层及气体结构层；所述的斥水透气层夹设在液体结构层和气体结构层之间，斥水透气层分别与液体结构层和气体结构层封接；液体结构层与斥水透气层相邻的一侧面上设有至少一个液体流道，所述的至少一个液体流道与斥水透气层相邻的一侧面之间形成至少一个液体流道密封腔室；液体结构层上沿液体结构层厚度方向开设有至少一个液体入口，所述的至少一个液体入口与外部环境以及至少一个液体流道密封腔室相通；所述的气体结构层与斥水透气层相邻的一侧面上设有至少一个气体流道，所述的至少一个气体流道与斥水透气层相邻一侧面之间形成至少一个气体流道密封腔室，液体结构层上沿液体结构层厚度方向并贯穿斥水透气层开设有至少一个气体输送口，所述的至少一个气体输送口与外部负压气体源相连，且至少一个气体输送口与至少一个气体流道密封腔室相通。
本发明具有以下有益效果：一、本发明的复合结构微流体液体隔离泵送模块的液体结构层和气体结构层均由非透气性材质制成，在泵送过程中，通过从液体流道密封腔室内向气体流道密封腔室内输运空气，利用该物理过程所产生的压力梯度驱动液体流动，消除了在泵送过程中产生无用气泡的问题根源，实现了无气泡的液体泵送过程。二、在无液体出口的封闭结构中，复合结构微流体液体隔离泵送模块可以通过从液体结构层向气体结构层持续的气体扩散输运过程，将液体快速的充入至液体流道密封腔室内，直至充满整个密封结构。三、由于泵送过程中液体与驱动气体被斥水透气层隔离开，避免了环境与液体样本之间的相互污染，同时，极大地减少了不必要的冗余体积与试液浪费，结构紧凑，试液有效使用效率达到95%以上。四、本发明的复合结构微流体液体隔离泵送模块可以应用在任何能与斥水透气材质进行封装的材质中，易于拓展应用领域与范围，且适用于工业大规模生产。
附图说明
图1是本发明的整体结构主视图，图2是图1的A-A剖视图，图3是图1的B-B剖视图，图4是本发明的复合结构微流体液体隔离泵送模块泵送过程前的局部剖视原理图，图5是图4的a处局部放大图，图6是复合结构微流体液体隔离泵送模块泵送过程中的局部剖视原理图，图7是图6的b处局部放大图，图8是复合结构微流体液体隔离泵送模块泵送后的局部剖视原理图，图9是图8的c处局部放大图。
图中所示出的部件名称及标号如下：
液体结构层1、液体入口1-1、液体流道密封腔室1-2、斥水透气层2、气体结构层3、气体输送口3-1、气体流道密封腔室3-2。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1~图5所示，复合结构微流体液体隔离泵送模块，所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块包括液体结构层1、斥水透气层2及气体结构层3；所述的斥水透气层2夹设在液体结构层1和气体结构层3之间，斥水透气层2分别与液体结构层1和气体结构层3封接；液体结构层1与斥水透气层2相邻的一侧面上设有至少一个液体流道，所述的至少一个液体流道与斥水透气层2相邻的一侧面之间形成至少一个液体流道密封腔室1-2；液体结构层1上沿液体结构层1厚度方向开设有至少一个液体入口1-1，所述的至少一个液体入口1-1与外部环境以及至少一个液体流道密封腔室1-2相通；所述的气体结构层3与斥水透气层2相邻的一侧面上设有至少一个气体流道，所述的至少一个气体流道与斥水透气层2相邻一侧面之间形成至少一个气体流道密封腔室3-2，液体结构层1上沿液体结构层1厚度方向并贯穿斥水透气层2开设有至少一个气体输送口3-1，所述的至少一个气体输送口3-1与外部负压气体源相连，且至少一个气体输送口3-1与至少一个气体流道密封腔室3-2相通。
液体结构层1用于泵送符合条件的液体样本，气体结构层3用于连接外部负压气源进行液体流动驱动。
所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块包含复合结构，由一种或多种材质组装而成，其核心结构为液体结构层1、气体结构层3以及隔离被泵送液体与驱动负压气体的斥水透气层2。
在微流体系统中执行液体泵送是依靠复合结构中液体结构层1与气体结构层3之间的空气扩散输运进行的，液体结构层1中的空气通过斥水透气层2扩散输运至气体结构层3，并被吸出复合结构微流体液体隔离泵送模块之外，从而导致液体流道密封腔室1-2内产生负压，驱动液体流动。
在液体泵送过程中，液体结构层1中被泵送的微流体液体始终与气体结构层3保持物理隔离状态。
液体流道密封腔室1-2和气体流道密封腔室3-2的具体结构，诸如横截面形状、纵向几何样式、流道宽度和高度不受除材质以及所述的模块制备方式以外的条件限制。
所述的液体结构层1与斥水透气层2之间以及斥水透气层2与气体结构层3之间采用可逆或不可逆封接。有效的封装可以保证液体结构层1和气体结构层3的密封度，避免被泵送液体或负压气体的泄漏和污染。
所述的液体入口1-1的形状、数目及位置根据实际需要选择设计。
所述的气体输送口3-1的形状、数目及位置根据实际需要选择设计。
所述的液体流道密封腔室1-2的具体结构位置在泵送时保持封闭的前提下不受限制，流体流道密封腔室1-2宽度和高度不受除材质以及所述的模块制备方式以外的条件限制。
所述的液体流道密封腔室1-2的数量、位置及结构形状根据实际需求设置，以实现混合、反应、检测及储液等功能。
具体实施方式二：如图2~图5所示，具体实施方式一所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，所述的气体流道密封腔室3-2围绕着液体流道密封腔室1-2分布，或者气体流道密封腔室3-2与液体流道密封腔室1-2部分重叠设置。气体流道密封腔室3-2和液体流道密封腔室1-2之间的空间分布形式影响液体结构层1中空气扩散输运至气体结构层3的速率，间接改变液体的泵送速度。
具体实施方式三：如图2~图5所示，具体实施方式一所述的所述的斥水透气层2由任何具有空气通透性但无法使被泵送液体渗透及发生化学反应的材质制成，如硅胶或橡胶等。材质在满足一定的透气性、斥水性、强度、刚度、生物化学性质等要求下不受限制。
具体实施方式四：如图2~图5所示，具体实施方式三所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，所述的液体结构层1和气体结构层3均由任何能与斥水透气材质进行不可逆封装并且不与被泵送液体反应的非透气材质制成。液体结构层1和气体结构层3的材质可以相同，也可以不同。液体结构层1和气体结构层3的材质均为塑料、硅、玻璃或高分子聚合物，易于拓展应用领域与范围，且适用于工业大规模生产。其中聚苯乙烯(Polystyrene, PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate, PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)热塑材质透明度较高，可以直接观察泵送情况，强度高，成本低，无毒，生物化学性质好，且适合工业大规模生产，但材质选择并不局限于上述材质。
具体实施方式五：如图2~图5所示，具体实施方式一所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，所述的微流体液体为任何不与液体结构层1、斥水透气层2及气体结构层3材质发生化学反应并且不会渗透过斥水透气层2的液体试剂。如水或水溶液。
具体实施方式六：如图2~图5所示，具体实施方式一或三所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，所述的斥水透气层2厚度范围为0.05mm~0.5mm。在使用相同的液体结构层1和气体结构层3的前提下，厚度较小的斥水透气层2可以增加液体的泵送速度，厚度较大的斥水透气层2会减慢液体的泵送过程。
具体实施方式七：如图1~图5所示，具体实施方式一所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，所述的液体入口1-1和液体流道密封腔室1-2的数量均为一个，液体入口1-1向液体流道密封腔室1-2内泵送一种微流体液体。如此设置的目的在于：在保证无气泡液体泵送的同时，减少被泵送液体与外部环境的交叉污染。
具体实施方式八：如图1~图5所示，具体实施方式一所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，所述的液体入口1-1的数量为多个，所述的液体流道密封腔室1-2的数量为一个或多个；当液体流道密封腔室1-2的数量为一个时，多个液体入口1-1向一个液体流道密封腔室1-2内泵送同一种或不同种微流体液体；当液体流道密封腔室1-2的数量为多个时，多个液体入口1-1向多个液体流道密封腔室1-2内泵送同一种或不同种微流体液体，从而实现大规模集成的次序流动。
具体实施方式九：如图1~图5所示，具体实施方式七或八所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，所述的气体输送口3-1的数量为一个或多个，所述的气体流道密封腔室3-2的数量为一个或多个；当气体输送口3-1的数量为多个时，多个气体输送口3-1与多个气体流道密封腔室3-2一一对应并相通，能实现大规模集成的次序流动。
具体实施方式十：具体实施方式一所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，所述的负压气体源为能持续产生稳定负压的装置。如各种类型的外置真空泵或在本发明的模块上集成的微型负压气体产生装置等。
本实施方式的目的在于：通过负压气体源向气体结构层3中通入负压气体，负压气体会将流体结构层1中的空气通过斥水透气层2输运至所述的模块外部，从而完成微流体液体泵送。
工作过程是：如图4~图9所示，当气体输送口3-1与负压气体源相通时，气体流道密封腔室3-2即被负压气体充满，在斥水透气层2两侧形成压力差，在该压力差的作用下，液体流道密封腔室1-2内部的空气会通过斥水透气层2扩散输运至气体流道密封腔室3-2中，随即被抽出所述的模块外部，液体流道密封腔室1-2内部的压力随着气体向外扩散输运而降低，液体入口1-1处的液体在此负压驱动下可以克服毛细力，随即被抽入至液体流道密封腔室1-2内，并逐步充满液体流道密封腔室1-2，从而完成液体泵送。
Claims (10)
1.一种复合结构微流体液体隔离泵送模块，其特征在于：所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块包括液体结构层（1）、斥水透气层（2）及气体结构层（3）；所述的斥水透气层（2）夹设在液体结构层（1）和气体结构层（3）之间，斥水透气层（2）分别与液体结构层（1）和气体结构层（3）封接；液体结构层（1）与斥水透气层（2）相邻的一侧面上设有至少一个液体流道，所述的至少一个液体流道与斥水透气层（2）相邻的一侧面之间形成至少一个液体流道密封腔室（1-2）；液体结构层（1）上沿液体结构层（1）厚度方向开设有至少一个液体入口（1-1），所述的至少一个液体入口（1-1）与外部环境以及至少一个液体流道密封腔室（1-2）相通；所述的气体结构层（3）与斥水透气层（2）相邻的一侧面上设有至少一个气体流道，所述的至少一个气体流道与斥水透气层（2）相邻一侧面之间形成至少一个气体流道密封腔室（3-2），液体结构层（1）上沿液体结构层（1）厚度方向并贯穿斥水透气层（2）开设有至少一个气体输送口（3-1），所述的至少一个气体输送口（3-1）与外部负压气体源相连，且至少一个气体输送口（3-1）与至少一个气体流道密封腔室（3-2）相通。
2.根据权利要求1所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，其特征在于：所述的气体流道密封腔室（3-2）围绕着液体流道密封腔室（1-2）分布，或者气体流道密封腔室（3-2）与液体流道密封腔室（1-2）部分重叠设置。
3.根据权利要求1所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，其特征在于：所述的斥水透气层（2）由任何具有空气通透性但无法使被泵送液体渗透及发生化学反应的材质制成。
4.根据权利要求3所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，其特征在于：所述的液体结构层（1）和气体结构层（3）均由任何能与斥水透气材质进行封装并且不与被泵送液体反应的材质制成。
5.根据权利要求1所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，其特征在于：所述的微流体液体为任何不与液体结构层（1）、斥水透气层（2）及气体结构层（3）材质发生化学反应并且不会渗透过斥水透气层（2）的液体试剂。
6.根据权利要求1或3所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，其特征在于：所述的斥水透气层（2）厚度范围为0.05mm~0.5mm。
7.根据权利要求1所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，其特征在于：所述的液体入口（1-1）和液体流道密封腔室（1-2）的数量均为一个，液体入口（1-1）向液体流道密封腔室（1-2）内泵送一种微流体液体。
8.根据权利要求1所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，其特征在于：所述的液体入口（1-1）的数量为多个，所述的液体流道密封腔室（1-2）的数量为一个或多个；当液体流道密封腔室（1-2）的数量为一个时，多个液体入口（1-1）向一个液体流道密封腔室（1-2）内泵送同一种或不同种微流体液体；当液体流道密封腔室（1-2）的数量为多个时，多个液体入口（1-1）向多个液体流道密封腔室（1-2）内泵送同一种或不同种微流体液体。
9.根据权利要求7或8所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，其特征在于：所述的气体输送口（3-1）的数量为一个或多个，所述的气体流道密封腔室（3-2）的数量为一个或多个；当气体输送口（3-1）的数量为多个时，多个气体输送口（3-1）与多个气体流道密封腔室（3-2）一一对应并相通。
10.根据权利要求1所述的复合结构微流体液体隔离泵送模块，其特征在于：所述的负压气体源为能持续产生稳定负压的装置。
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