CN106442081A - 基于离心的无气泡液芯波导管进液装置 - Google Patents

基于离心的无气泡液芯波导管进液装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，包括一具有透气性的微管道，设于一离心装置的转盘上，该微管道的两端各连接一储液池并与该两个储液池连通，该两个储液池的远离所述微管道的一端各含有一光学窗口；所述微管道为直线型，其一端指向转盘的转轴；靠近转轴的储液池为开放式，远离转轴的储液池为密闭式；所述微管道为U型，其两端靠近转盘的转轴；所述两个储液池均为开放式；所述光学窗口为专门的光学元件或液体自身形成的界面；所述微管道采用的材料为TeflonAF；所述微管道的壁厚为50～500μm；靠近转轴的所述储液池的初始液面高度为5～50mm；离心装置的转盘的转速为100rpm以上。

Description

基于离心的无气泡液芯波导管进液装置
技术领域
本发明涉及一种进样装置，具体说涉及一种利用光学手段进行光学测试的装置或仪器的无气泡样品导入装置。
背景技术
Teflon AF具有低于水的折射率，所以当以Teflon AF制成的管道中充满水或水溶液时，水与Teflon AF的界面上可以满足全反射条件，对一定角度入射的光产生类似光纤的传导能力，形成所谓的液芯波导。由于液芯波导有很强的导光能力，故可以在其中得到更长的光程，从而实现对基于发射、吸收、荧光、散射等原理的多种光学检测技术的增敏，有很好的应用前景。但由于Teflon AF材料本身憎水亲气；且通常使用的Teflon AF管径较细，不超过10mm，憎水的表面效应更为严重，所以极易在管中形成气泡。而一旦气泡形成，则该点的全反射现象消失，光路将被打断，会严重影响光学测量的灵敏度和稳定性，这一严重缺陷大大限制了其应用。
消除液体中的气泡可以使用离心的方式：利用样品在离心条件下气泡浮力增加来实现液体中大气泡的脱除，但对于绕旋转轴11旋转的刚性微管道12中的微气泡14(见图1上)，随着离心力15的增加，刚性微管道12中气泡14受到溶液13离心力的作用，其压力急剧增加而使其体积被不断压缩(见图1下)，故气泡14浮力的增加并不明显，且受到空间的阻碍，致使这种条件下气泡14的脱除效果较差，所以在刚性微管道12中很少使用离心的方法进行脱气。
脱除液体中气泡的另一种方法是真空脱气法，中国专利201310415459.3提出采用负压的进样装置，可在进液的同时消除液芯波导管中的气泡，但该装置每根液芯波导管均需要配套使用一台真空泵及数个电磁阀，并通过一定的程序进行控制，所以成本高、控制复杂，不利于提高通量及推广使用。
发明内容
为克服上述不足，本发明提供一种基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，采用透气微管道，通过离心方式完全脱除管内气泡，从而获得性能优异的液芯波导管，使液芯波导技术在实际得以应用。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，包括一透气微管道，设于一离心装置的转盘上，该透气微管道的两端各连接一储液池并与该两个储液池连通，该两个储液池的远离所述透气微管道的一端各含有一光学窗口。
进一步地，所述透气微管道为直线型，其一端指向转盘的转轴。
进一步地，靠近转轴的储液池为开放式，远离转轴的储液池为密闭式。
进一步地，所述透气微管道为U型，其两端靠近转盘的转轴。
进一步地，所述两个储液池均为开放式。
进一步地，所述光学窗口为专门的光学元件或液体自身形成的界面。
进一步地，所述透气微管道采用的材料为Teflon AF。
进一步地，所述透气微管道的壁厚为50～500μm。
进一步地，靠近转轴的储液池的初始液面高度为5～50mm。
进一步地，离心装置的转盘的转速为100rpm以上。
本发明的脱气原理是，转盘旋转产生离心力，离心力起到的作用是对透气微管道内液体的气泡加压，由于本发明中透气微管道采用透气性良好且防液体透过性的材料，当转速达到100rpm以上时，转动造成的离心力足够大，使得管道内液体对气泡的压力足够高，从而可以使气泡通过透气微管道壁上的微孔排出，而液体不能通过微孔，最终使得气泡完全脱除。
与现有技术相比，本发明的有益效果是，本装置结构简单，空间占用小，除提供给离心装置动力外，不需要外加其它任何动力便可脱除气泡，可以很方便地在离心装置上高通量脱气，获得无气泡液芯波导管，使得该技术可以实际应用，对微流控检测领域有重大意义。
附图说明
图1为旋转刚性微管道中气泡受离心力作用示意图。
图2为旋转透气微管道中气泡受离心力作用示意图。
图3为直通式旋转液芯波导管进样装置示意图。
图4为联通式旋转液芯波导管进样装置示意图。
附图标记说明：
11-旋转轴；12-刚性微管道；
13-溶液；14-气泡；
15-离心力；16-透气微管道；
21、31-转盘；22-直线型TeflonAF微管道；
231、241、331、341-光学窗口；232、242、332、342-储液池；
32-U型Teflon AF微管道。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
本发明提供的基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，包括一透气微管道，设于一离心装置的转盘上，该透气微管道的两端各连接一储液池并与该两个储液池连通，该两个储液池的远离所述透气微管道的一端各含有一光学窗口。
其脱气原理如图2所示，透气微管道16只能通过气体而不能通过液体，转盘沿转轴11旋转产生离心力15，以对透气微管道16内气泡14加压，当转速达到100rpm以上时，离心力15足够大，使得道内溶液13对气泡14的压力足够高，从而可以使气泡14通过管壁上的微孔排出，而溶液13不能通过微孔，最终使得气泡14完全脱除。
透气微管道的透气性取决于其壁厚，壁厚、转盘的转速、储液池的初始液面高度三者之间相互影响，欲达到理想的脱气效果，需确定壁厚、转速、初始液面高度的参数，当选定了特定壁厚的透气微管道，再根据壁厚设定转速和初始液面高度，根据理论和实验可知，初始液面高度与壁厚成二次曲线关系，与转速的平方成反比例关系。其经验公式大致符合h/(Dr2)＝At2+Bt+C，式中t为透气微管道壁厚，选50～500μm；h为初始液面高度，选5～50mm；r为转速，大于100rpm；A、B、C、D为与液体密度、离心设备半径等相关的常数。
由于针对特定的透气微管道，其壁厚t已知，可看作常数，显然转速r与初始液面高度h的关系为二次曲线方程h＝Er2，式中E为常数，E＝D(At2+Bt+C)。根据实际情况，只要在允许的范围内选定其中一个参数，比如选定转速r(或初始液面高度h)，就可根据h＝Er2确定初始液面高度h(或转速r)，由此可知，达到理想的脱气效果可有多种选择方案。
显然，以上的前提是常数E是已知的，即前提是常数A、B、C、D是已知的。在透气微管道在离心设备上的位置固定的情况下，针对同一种液体而言，A、B、C、D可通过四组实验求得，即通过解含有四个四元二次方程式的方程组求得，容易理解，不再赘述。
以下提供两个较佳实施例：
实施例1
本实施例公开一种基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，如图3所示，该装置设在离心装置的转盘21上，该转盘21可绕其旋转轴转动，透气微管道采用Teflon AF材料，为直线型，需指出的是，理论上一切多孔(指微孔)憎水材料，如Teflon AF、PDMS、微孔PTFE膜、微孔PVDF膜等，都能实现脱气的目的，但只有具备全反射光学性质的材料才能制成导光的液芯波导管，而其中Teflon AF满足该要求。直线型Teflon AF微管道22一端指向转轴，需指出的是，也可以不指向转轴，只要两端与转轴的距离差满足离心力能发挥作用即可，指向转轴需要的离心力最小，效果最佳。其靠近转轴一端的储液池232为开放式，与外界连通；远离转轴一端的储液池242为密闭式，与外界隔绝。在两个储液池232、242的两端分别含有一光学窗口231、241，用于光谱学检测，这两个光学窗口231、241为专门的光学元件。
储液池232内加入5微升10％的乙醇溶液，使其形成5mm初始液面高度，以500rpm的速度转动转盘21，使得该溶液从储液池232进入并充满10cm长的直线型壁厚200μm的TeflonAF微管道22。在光学窗口231处接入Raman检测探头，测量10％乙醇溶液的Raman信号。测量结果是，该信号强度较比色皿中测量的强度提高了50倍以上，并且稳定性、重复性均较好，说明该装置可以有效地实现液体在直线型Teflon AF微管道22中的无气泡进样，可获得良好的无气泡液芯波导管。
与现有技术相比，本发明的有益效果是，本装置结构简单，空间占用小，除提供给离心装置动力外，不需要外加其它任何动力便可脱除气泡，可以很方便地在离心装置上高通量脱气，获得无气泡干扰的液芯波导检测设备。尤其在微流控检测领域意义重大，由于在微流控检测系统中光学检测是主要检测手段，由于微通道尺寸很小，所以检测光程往往很短，灵敏度也很低，而液芯波导技术可在不增加样品消耗量的同时大幅提高光程，造成灵敏度的显著提升。但是，气泡问题一直制约着液芯波导技术在该领域的实际应用，而本发明可解决这一问题，使得该技术可以实际应用。另外，本发明还可以实现多管分时并行的高通量检测，意义更为重大。
实施例2
本实施例公开另一种基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，如图3所示，该装置设在离心装置的转盘31上，该转盘31可绕其旋转轴转动，透气微管道采用Teflon AF材料，为U型，这样透气微管道两端无需密封，形成联通器，只要出口管端更靠近转轴就不会有液体溢出，需指出的是，不限于U型，只要能满足上述条件即可，具体根据实际而定。U型TeflonAF微管道32的两端靠近转轴，位于两端的储液池332、342均为开放性。在两个储液池332、342的两端分别含有一光学窗口331、341，用于光谱学检测，这两个光学窗口331、341为液体自身形成的界面。
储液池332内加入100微升DNA提取液，使其形成15mm的初始液面高度，以600rpm的速度转动转盘31，使得该溶液从332进入并充满20cm长的U型壁厚400μm的Teflon AF微管道32，并通过该管道进而流入储液池342中。
在光学窗口331处接入260nm的LED光源，并在光学窗口341处接入光纤接收探头，测量DNA溶液对260nm光的吸收信号。测量结果是，该信号强度较1cm比色皿中测量的强度提高了10倍以上，并且稳定性、重复性均较好，说明该装置可以有效地实现液体在U型TeflonAF微管道32中的无气泡进样，可获得良好的无气泡液芯波导管。

Claims (10)

1.一种基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，包括一具有透气性的微管道，设于一离心装置的转盘上，该微管道的两端各连接一储液池并与该两个储液池连通，该两个储液池的远离所述微管道的一端各含有一光学窗口。
2.根据权利要求1所述的基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，其特征在于，所述微管道为直线型，其一端指向转盘的转轴。
3.根据权利要求2所述的基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，其特征在于，靠近转轴的储液池为开放式，远离转轴的储液池为密闭式。
4.根据权利要求1所述的基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，其特征在于，所述微管道为U型，其两端靠近转盘的转轴。
5.根据权利要求4所述的基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，其特征在于，所述两个储液池均为开放式。
6.根据权利要求1所述的基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，其特征在于，所述光学窗口为专门的光学元件或液体自身形成的界面。
7.根据权利要求1所述的基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，其特征在于，所述微管道采用的材料为Teflon AF。
8.根据权利要求1所述的基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，其特征在于，所述微管道的壁厚为50～500μm。
9.根据权利要求1所述的基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，其特征在于，靠近转轴的储液池的初始液面高度为5～50mm。
10.根据权利要求1所述的基于离心的无气泡液芯波导管进液装置，其特征在于，离心装置的转盘的转速为100rpm以上。
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