CN106401901B - 一种基于溶剂挥发效应的自驱动微泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于溶剂挥发效应的自驱动微泵。该微泵由密封塞，输出管，缓冲腔和挥发管组成；所述挥发管具有很强的气体渗透性，管内挥发性的溶剂分子易经管壁扩散到空气中，从而在输出管端产生负压；所述微泵的输出大小与挥发管的长度成正比，可实现长时间的稳定的流体输出，可在空气，水等介质中工作，可用于低温环境；以微泵为驱动力，在微流控芯片上实现了层流和液滴的操控。

Description

一种基于溶剂挥发效应的自驱动微泵

技术领域

本发明属于微流控芯片及微流体驱动领域，具体涉及一种基于溶剂挥发效应的自驱动微泵。

背景技术

不需要外辅设备和外接电源的微泵是设计和制作智能化、自动化的微纳器件的核心部分。理想的自驱动微泵可以实现快速可逆的开关响应，可以精确输送一定体积的流体，可以实现时间和空间上的稳定流体输运。在过去的20年里，多种被动输运方法被相继开发和采纳，包括指压泵、挥发泵、毛细管泵和脱气泵等，不幸的是，上述被开发的微泵依然存在如下问题：（1）或多或少的需要外接电源或大体积的外辅设备，不利于微型化和便携化；（2）泵的流速很小，且难以调节，不利于定量的流体输运。

最近，基于酶催化或者化学反应的自我驱动微泵被开发出来，可以对特殊分析物或者刺激进行响应，可对泵的流速进行精确控制。但是，酶催化或化学反应微泵也存在一些不足：（1）随着反应物的消耗，输出压力维持时间较短；（2）输出压力较小，难以输运高粘度流体（比如全血）；（3）酶反应受环境温度影响很大，难以适应不同环境的需求。因此，发展新的流速可控、输出稳定的便携式自驱动微泵成为迫切需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于溶剂挥发效应的自驱动微泵，流体输运快速稳定，且流速可调；高便携性和低成本；操作简单，适用于多种环境。

为了解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：一种基于溶剂挥发效应的自驱动微泵，其特征在于，其由密封塞、挥发管、缓冲腔、输出管和挥发溶剂组成，输出管、缓冲腔和挥发管依次由连接头顺序串联在一起；将挥发溶剂充满挥发管、缓冲腔、输出管和连接头，用密封塞封闭挥发管的末端，溶剂经挥发管的管壁扩散进入空气，从而在输出管的开口端产生负压，微泵自动流动。

进一步的，微泵的工作环境温度在-80℃-80℃范围。

进一步的，微泵的工作介质为空气、纯水、海水、盐溶液中的任意一种。

进一步的，微泵的流速在1微升/分钟-1000微升/分钟范围内可调。

进一步的，挥发管的材质为聚氯乙烯，聚乙烯、聚二甲基硅氧烷中的任意一种。

进一步的，挥发管的长度在1厘米-10米范围，内径在10微米-1厘米范围，管壁厚度在10微米-5毫米范围内可调。

进一步的，缓冲腔和输出管的材质为玻璃、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种。

进一步的，缓冲腔的体积在100微升-100毫升范围内灵活调节。

进一步的，挥发溶剂为乙酸乙酯、正己烷、甲苯、苯、乙醇、二氯甲烷、丙酮中的一种或几种组分的任意组合。

本发明的有益效果：将密封塞打开，注入挥发溶剂使其充满整个微泵，然后用密封塞封闭挥发管的末端，溶剂经挥发管的管壁渗出，从而在输出管的开口端产生负压，可实现流体输运。本发明流体输运快速稳定，通过改变挥发管的材质、内径、长度、壁厚、等改变挥发溶剂的挥发速度，进而改变微泵内负压的大小，使其输出流速可调；本发明具有高便携性和低成本；操作简单，易与微纳器件偶联；低温或者水下均可正常工作，特别适用于多种复杂环境。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2苏丹红溶液在输出管中的运动照片。

图3溶剂组成为微泵流速的影响图。

图4挥发管长度对微泵流速的影响图。

图5温度和介质对微泵输出的影响图。

图6微泵输出压力随时间变化图。

图7在稳态时，微泵输出压力的偏差统计。

图8以微泵为驱动力，在芯片上形成的层流照片。

图9以微泵为驱动力，在芯片上形成的液滴照片及液滴尺寸的统计结果。

具体实施方式

下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1

将输出管1、缓冲腔2和挥发管3挥发管的内径为0.8mm，长度为15cm）用连接头5顺序连接在一起，在挥发管开口的一端，采用注射器向管路灌注乙酸乙酯溶液（0.1%苏丹红），待系统完全被溶液充满后，拔掉注射器，密封塞4封闭挥发管的开口端。记录输出管中液面运动的影像，每格0.5分钟拍摄一次，记录的结果如图2所示。5为开始计时的照片，6为计时0.5分钟的照片，7为计时1分钟的照片。在无外部能源消耗的情况下，本发明可实现流体流动。

实施例2

采用实施例1中的操作步骤，输出管为内径1.6mm的聚四氟乙烯管，挥发管为内径0.8mm、长度40cm的聚氯乙烯管，依次使用二氯甲烷、正己烷、二甲基碳酸酯、甲苯、乙酸乙酯等作为挥发溶剂灌注进微泵内，记录输出管内溶剂液面流过4厘米长度所需的时间，计算相应的体积流速（图3）。然后采用乙酸乙酯为溶剂，调节扩算管的长度依次为20cm、40 cm、60cm和80 cm，记录输出管内溶剂液面流过4厘米长度所需的时间并计算相应的体积流速（图4），其他条件相同时，不同的挥发管长度会产生不同的流体输运效果。

实施例3

以乙酸乙酯为溶剂，采用实施例1所述操作步骤，将微泵组装、封闭后，分别放置于纯水、3M氯化钠溶液和-20℃的冰箱中，每隔1分钟记录一次输出管中的液面（图5），其他条件相同时，不同的工作介质会产生不同的流体输运效果。

实施例4

以乙酸乙酯为溶剂，采用实施例1所述操作步骤，将微泵组装、封闭，微泵的输出管开口端与三通的一个端口相连，三通剩余的两个端口，一个连接长度为90厘米的水溶液输入管，一个连接数字压力计，连接完成后，每隔1分钟测量1次系统中的压力，持续47分钟（图6），并对稳定状态（10-40分钟）下的压力分布进行分析（图7），结果显示，本发明的流体输运稳定可靠。

实施例5

以乙酸乙酯为溶剂，内径0.8mm、长度50cm的聚氯乙烯管为挥发管，采用实施例1所述操作步骤，微泵组装、灌注、封闭后，微泵输出管的开口端与微流控芯片的出口储液池相连，然后在芯片的入口储液池加入相应的溶液，溶液在微泵的驱动下进入芯片通道内，可以形成层流（图8）和液滴（9）。

Claims (6)

1.一种基于溶剂挥发效应的自驱动微泵，其特征在于，其由密封塞、挥发管、缓冲腔、输出管和挥发溶剂组成，输出管、缓冲腔和挥发管依次由连接头顺序串联在一起；将挥发溶剂充满挥发管、缓冲腔、输出管和连接头，用密封塞封闭挥发管的末端，溶剂分子经挥发管的管壁扩散进入空气、纯水、海水或盐溶液中，从而在输出管的开口端产生负压，微泵自动流动。

2.根据权利要求1所述基于溶剂挥发效应的自驱动微泵，其特征在于：所述挥发管的材质为聚氯乙烯，聚乙烯、聚二甲基硅氧烷中的任意一种。

3.根据权利要求1所述基于溶剂挥发效应的自驱动微泵，其特征在于：所述挥发管的长度在1厘米-10米范围，内径在10微米-1厘米范围，壁厚在10微米-5毫米范围。

4.根据权利要求1 所述基于溶剂挥发效应的自驱动微泵，其特征在于：所述缓冲腔和输出管的材质分别为玻璃、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种。

5.根据权利要求1所述基于溶剂挥发效应的自驱动微泵，其特征在于：所述缓冲腔的体积在100微升-100毫升范围。

6.根据权利要求1所述基于溶剂挥发效应的自驱动微泵，其特征在于：所述挥发溶剂为乙酸乙酯、正己烷、甲苯、苯、乙醇、二氯甲烷、丙酮中的一种或几种组分的任意组合。