CN104888873A - 一种可实现回泵的离心式微流控芯片 - Google Patents

一种可实现回泵的离心式微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提供一种成本低、生化兼容性好、控制方便的可实现回泵的离心式微流控芯片。本发明所采用的技术解决方案是一种可实现回泵的离心式微流控芯片，包括原储液池、外部储液池、加压流道及搜集池，所有结构都设计在一张圆形盘片上，盘片固定在电机轴上。所述原储液池和搜集池位于离圆心较近处，所述外部储液池则位于离圆心较远处，原储液池与外部储液池之间通过导出流道连通。所述加压流道沿圆周方向设置，加压流道连接外部储液池和导入流道。还包括防回流流道，所述防回流流道离圆心最近处比搜集池离圆心最近处的距离要小。这样便可以防止液体回流入导入流道。所述原储液池和搜集池上设有通气孔，保证液体的注入和流通。

Description

一种可实现回泵的离心式微流控芯片
技术领域
本发明属于微流控技术领域，特别是涉及一种可实现回泵的离心式微流控芯片。
背景技术
传统离心式微流控系统中，液体在离心力的驱动下由靠近圆心的位置往外流动，因而，对于预存反应液的芯片而言，储液池必须存储在靠近圆心的位置。但圆心处的空间有限，不利于芯片的紧凑设计。如果能在芯片上实现流体的回泵，储液池就可以设置在空间比较开阔的外侧，以提高芯片的集成度。2010年McGill大学的Matthew C.R.等利用压缩气体将反应液在芯片旋转过程中压回圆心处，但实际产品中很难集成高压气罐。2011年加州大学欧文分校的KameelAbi-Samra等在芯片上集成了一个气室，通过对气室加热使气体膨胀将反应液泵回靠近圆心处的储液池。该法受加热速度局限，所以响应速度较慢，同时引入热源会对生化反应造成一些潜在的影响，特别是对温度敏感的生化反应。2012年弗莱堡大学的Steffen Zehnle等在芯片上设计了一个封闭腔，反应液由靠.近圆心位置甩入封闭腔，使腔内压强增大，当芯片减速转动时，液体便可在该压力的驱动下回到靠近圆心处的储液池内。该法结构简单，不需要增加任何额外的控制设备。但是反应液进入密闭腔，一旦减速，回泵操作即开始，很难在中间加入其它操作，这给控制的灵活性带来了困难。2012年McGill大学的EricSalin等提出了一种用液体替换法实现的回泵结构，该法可以快速泵回液体，并且可以实现无残留。但该法并且体积庞大，尤其占用了芯片接近圆心处的空间，并且需要预存储液体，使用不方便。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种成本低、生化兼容性好、控制方便的可实现回泵的离心式微流控芯片。
本发明所采用的技术解决方案是一种可实现回泵的离心式微流控芯片，包括原储液池、外部储液池、加压流道及搜集池，所有结构都设计在一张圆形盘片上，盘片固定在电机轴上。所述外部储液池到圆心的距离大于所述原储液池和搜集池位到离圆心的距离，原储液池与外部储液池之间通过导出流道连通。
所述加压流道沿圆周方向设置，加压流道连接外部储液池和导入流道。
还包括防回流流道，所述防回流流道离圆心最近处比搜集池离圆心最近处的距离要小。这样便可以防止液体回流入导入流道。
所述原储液池和搜集池上设有通气孔，保证液体的注入和流通。
本发明的工作原理是：初始状态下，液体被注入到原储液池，然后盘片减速，在该过程中液体在离心力的驱动下进入外部储液池中。然后盘片以一定的角速度旋转一段时间，使液体进入加压流道与导入流道，并使液体在外部储液池与导入流道的液面到圆心的距离相等。接着盘片加速旋转，加速度在加压流道内产生压强驱动液体在导入流道内上升，直至通过防回流流道进入搜集池。当盘片加速到一定角速度时，加速度在加压流道内产生的压强与离心力在导入流道内产生的压强平衡，液体将停止进入搜集池。最后盘片减速，为下一次回泵操作做好准备。重复上述过程便可以将外部储液池中的液体泵回搜集池中。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：利用盘片上的沟道设计与电机转速控制相结合实现的，没有增加任何外部设备，因此不会增加芯片成本。在运行过程中只是控制盘片的加减速，控制简单，与传统离心式微流控系统完全兼容。在控制过程中可以选择任何时刻开始回泵过程，同时还可以控制回泵液体的量，控制自由。另外避免了热源，因此生化兼容性好。
附图说明
图1是本发明的结构简图
图2是盘片旋转角速度ω随时间t的变化曲线
图3是回泵工作流程图，其中，(a)为初始状态，(b)液体稳定状态，(c)为加速状态，(d)为减速状态，(e)为最终状态。
其中1-原储液池、2-导出流道、3-外部储液池、4-加压流道、5-导入流道、6-防回流流道、7-搜集池、8-通气孔、9-圆心。
具体实施方式
如图1所示，本实施例所述的一种可实现回泵的离心式微流控芯片，包括原储液池1、外部储液池3、加压流道4及搜集池7。所述原储液池1和搜集池7位于离圆心9较近处，所述外部储液池3位于离圆心9较远处。原储液池1与外部储液3之间通过导出流道2连通。加压流道4设置在盘片的外边缘，并通过导入流道5及防回流流道6连接到搜集池7。所述加压流道4沿圆周方向设置，加压流道4连接外部储液池3和导入流道5，并且较长。所述防回流流道6离圆心9最近处比搜集池7离圆心9最近处的距离要小，这样可以防止液体回流入导入流道5。所述原储液池1和搜集池7上设有通气孔8，保证液体的注入和流通。
如图1至3所示，盘片顺时针旋转时，转速为正。初始状态下，液体被注入到原储液池1，然后减速到ω2，在该过程中液体进入外部储液池3中。t1到t2时间段为液体稳定状态，盘片以ω2的角速度旋转，液体进入加压流道4与导入流道5，并使液体在外部储液池3与导入流道5的液面到圆心9的距离相等。在t2到t3的时间段内，盘片从ω2加速到ω1，加速度在加压流道4内产生压强ραR2(ω1-ω2)/(t2-t1)(ρ为液体的密度)，驱动液体在导入流道5内上升，直至通过防回流流道6进入搜集池7。直到盘片加速到ω1，此时，加速度在加压流道4内产生的压强与离心力在导入流道5内产生的压强ρω1 2H(r+H)/2平衡时，液体将停止进入搜集池7。t3到t4阶段为减速状态，此时加速度会在加压流道4内会产生反向压强，迫使导入流道5中的液体流出，并且加压流道4中的液体也部分回流，但是搜集池7内的液体不会流出。重复以上流程，最终大部分液体就被泵回到了搜集池7中。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种可实现回泵的离心式微流控芯片，包括原储液池(1)、外部储液池(3)、加压流道(4)及搜集池(7)，其特征是：所述的外部储液池(3)与离圆心(9)的距离大于原储液池(1)和搜集池(7)到圆心的距离，原储液池(1)与外部储液池(3)之间通过导出流道(2)连通。
2.根据权利要求1所述的可实现回泵的离心式微流控芯片，其特征是：所述加压流道(4)沿圆周方向设置，加压流道(4)连接外部储液池(3)和导入流道(5)。
3.根据权利要求1所述的可实现回泵的离心式微流控芯片，其特征是：还包括防回流流道(6)，所述防回流流道(6)离圆心(9)最近处比搜集池(7)离圆心(9)最近处的距离要小。
4.根据权利要求1所述的可实现回泵的离心式微流控芯片，其特征是：所述原储液池(1)和搜集池(7)上设有通气孔(8)。
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