CN107061863B - 一种生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法，该微阀系统包括液体流道、斥水透气层、气压控制通道和至少一个驻停气泡生成腔；所述气压控制通道与液体流道保持平行分布且不连通；所述斥水透气层位于气压控制流道与微流体通道之间；所述斥水透气层的液体流道一侧的内壁上设置有至少一个驻停气泡生成腔；所述驻停气泡生成腔是开在斥水透气层的内壁上的内陷结构；驻停气泡生成腔的横截面的顶角小于液体在液体流道中流动的前进接触角。该方法将微流道中生成的驻停气泡作为微流控芯片的微阀，通过控制气压控制通道内的气体压强的增减进而控制驻停气泡的形态和尺寸，实现液体流道的通断。

Description

一种生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片领域，具体是一种生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法。
背景技术
微流控技术或微流体技术(Microfluidics)是在微米尺度下对微量流体进行操作处理的科学和技术体系，由微机电系统(MEMS,Micro Electro-Mechanical System)衍生发展而来。利用微流控技术可在关键尺寸为微米尺度的芯片上集成预处理、反应、检测等模块，对生物和化学样品进行快速高效的反应和处理步骤，已成为综合生物化学、生命科学、精密制造、材料科学、流体力学等领域的新兴交叉学科。微流控系统具有高传热传质效率和低物质消耗等特点，使其在生命科学和物理化学研究、药物开发、疾病即时诊断、环境监测等领域具有巨大的应用前景。
微流控系统常利用微尺度下多相流动(液-液、气-液、气-固-液系统等)中特殊的传质和流体力学特性，提高系统中样品混合、目标物捕捉、生化反应的效率。微小气泡是微流控多相系统中常见的物理现象和被操作对象，常作为反应物参与在多相间界面上的化学合成反应，以提高反应效率，为了增强微流控芯片的功能化和集成化程度，需要在微流控系统中添加控制元件-微阀对微流体的流道进行控制。现有的微阀主要包括气动微阀、压电微阀、动电微阀和相变微阀等等。这些阀或结构繁琐，加工复杂，或是操作麻烦，不利于大规模集成。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法。该方法将微流道中生成的驻停气泡作为微流控芯片的微阀，通过控制气压控制通道内的气体压强的增减进而控制驻停气泡的形态和尺寸，实现液体流道的通断。
本发明解决所述微阀系统技术问题的技术方案是，提供一种生成控制驻停气泡的微阀系统，其特征在于该微阀系统包括液体流道、斥水透气层、气压控制通道和至少一个驻停气泡生成腔；所述气压控制通道与液体流道保持平行分布且不连通；所述斥水透气层位于气压控制流道与微流体通道之间；所述斥水透气层的液体流道一侧的内壁上设置有至少一个驻停气泡生成腔；所述驻停气泡生成腔是开在斥水透气层的内壁上的内陷结构；驻停气泡生成腔的横截面的顶角小于液体在液体流道中流动的前进接触角；液体流道用于泵送液体样本；气压控制通道用于连接外部气源，控制驻停气泡的形成与体积变化。
本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种驻停气泡的生成控制方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)使用前，先在气压控制通道中通入具有正压强的气体，然后在液体流道通入液体，此时驻停气泡生成腔中产生驻停气泡；
(2)增大气压控制通道内气体的压强，驻停气泡的体积增长，液体流道中液体流动开始受到阻碍直至完全被驻停气泡截断；当施加负压的时候，为了填补气压控制通道中的真空，驻停气泡内的气体开始向气压控制通道中扩散，导致驻停气泡的体积缩小，液体流道中液体流动由截断状态变为流通状态。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1、该方法将微流道中生成的驻停气泡作为微流控芯片的微阀，生成的驻停气泡附着在微流道内壁的任意位置上，其形态和尺寸可通过气压控制通道内的气体压强的增减，不随液体流动而移动而且体积可控，消除了不可控微尺度气泡对液体流动产生的有害影响。
2、利用流道内驻停气泡的节流作用对液体流道进行调节，无需额外的芯片附加结构，无与被调节的泵送液体直接接触的阀控结构，起调节功能的微小气泡在非工作状态下可以被消除，相对于需要附加结构的微阀，设计简单，结构简便易于操作。
3、在气压控制通道内施加负压气体，利用该物理过程所产生的气体浓度梯度消除液体流道中产生的不可控气泡，即实现不同工作状态下的不同功能。
附图说明
图1为本发明生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法实施例1的微流控芯片结构示意图；
图2为本发明生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法图1的局部放大示意图；
图3为本发明生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法实施例1的驻停气泡生成过程示意图；(a表示液体充入后驻停气泡开始生成的状态；b表示驻停气泡生成并开始工作的状态)
图4为本发明生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法图3(a)的局部放大示意图；
图5为本发明生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法实施例1的驻停气泡逐渐增大的过程示意图；
图6为本发明生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法实施例2的微流控芯片结构示意图；
图7为本发明生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法图6的局部放大示意图；
图8为本发明生成控制驻停气泡的微阀系统及生成控制方法实施例2的驻停气泡生成过程示意图；(a表示驻停气泡生成并开始工作后的导通状态；b表示驻停气泡生成并开始工作后的截断状态)(图中：1、液体流道；2、斥水透气层；3、气压控制通道；4、驻停气泡生成腔；5、液体；6、驻停气泡)
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种生成控制驻停气泡的微阀系统(简称微阀系统)，其特征在于该微阀系统包括液体流道1、斥水透气层2、气压控制通道3和至少一个驻停气泡生成腔4；所述气压控制通道3与液体流道1保持一定间距平行分布且不连通；所述斥水透气层2位于气压控制流道3与微流体通道1之间，实施例中的材质是聚二甲基硅氧烷(PDMS)；所述斥水透气层2的液体流道1一侧的内壁上设置有至少一个驻停气泡生成腔4；所述驻停气泡生成腔4是开在斥水透气层2的内壁上的内陷结构，本实施例是三棱柱结构；驻停气泡生成腔4的横截面有不同的形状和尺寸，对应不同的流量和流向控制功能；驻停气泡生成腔4的横截面的顶角小于液体5在液体流道1中流动的前进接触角；液体流道1用于泵送液体样本；气压控制通道3用于连接外部气源，控制驻停气泡的形成与体积变化。
所述斥水透气层2采用具有选择透过性的材料，可以使气体(如氧气、氮气、二氧化碳等)通过而阻止液体(水及水溶液等)的渗透；所述斥水透气层2的材质是硅胶、橡胶或聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的至少一种，优选PDMS。
通过对气压控制通道3气体压强的可控操作，促使驻停气泡生成腔4中气泡6的体积和形态发生改变，从而实现增大或减小驻停气泡，以此控制液体流道1的通断。
一种驻停气泡的生成控制方法，其特征在于具体步骤如下：
原理：由于斥水透气层2材质的特性，液体5在液体流道1中流动的前进接触角大于驻停气泡生成腔4的横截面的顶角，导致液体5通过驻停气泡生成腔4时会有气体残留形成微小气泡，进而产生驻停气泡6；
(1)使用前，先在气压控制通道3中通入具有正压强的气体，气体的正压强值的范围为0.1kPa-1000kPa；然后在液体流道1通入液体5，液体的流速范围为10-6m/s到100m/s，此时驻停气泡生成腔4中产生驻停气泡6；
(2)增大气压控制通道3内气体的压强，驻停气泡6的体积增长，液体流道1中液体流动开始受到阻碍直至完全被驻停气泡6截断；通过增加气压控制通道3中的气体的压强，能够实现气泡以不同速率进行增长，施加的正压越大，驻停气泡6体积的增长速率就越快；当施加负压的时候，为了填补气压控制通道3中的真空，驻停气泡6内的气体开始向气压控制通道3中扩散，导致驻停气泡6的体积缩小，液体流道1中液体流动由截断状态变为流通状态；施加的负压越大，驻停气泡6体积的缩小速率就越快。
微流控芯片的制备可采用注塑、热压或软光刻等工艺；采用选择透过性的塑料材料时可采用热压或注塑工艺制备，采用硅胶或橡胶材料时可采用注塑或软光刻工艺制备。在使用PDMS材料制备微流控芯片时，可采用软光刻工艺，利用硅片制作阳模，再利用液态的PDMS材料覆盖阳模表面，待PDMS材料固化后，将其与阳模分离即可得到带有液体流道1、和液体流道1平行且对称分布在液体流道1两侧的气压控制通道3以及位于液体流道1内壁的驻停气泡生成腔4的上层盖片，最后通过离子键合封装，得到完整的微流控芯片。
实施例1
一种生成控制驻停气泡的微流道，包括液体流道1、斥水透气层2、气压控制通道3和至少一个驻停气泡生成腔4；所述气压控制通道3与液体流道1保持一定间距平行分布且不连通；所述斥水透气层2位于气压控制流道3与微流体通道1之间，材质是聚二甲基硅氧烷(PDMS)；所述液体流道1内壁上设置有至少一个驻停气泡生成腔4；所述驻停气泡生成腔4是开在液体流道1内壁上的内陷的三棱柱结构；驻停气泡生成腔4的横截面为等腰三角形；驻停气泡生成腔4的横截面的顶角小于液体5在液体流道1中流动的前进接触角；液体流道1用于泵送液体样本；气压控制通道3用于连接外部气源，控制驻停气泡的形成与体积变化。
一种驻停气泡的生成控制方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)使用前，先在气压控制通道3中通入具有正压强的气体，气体的正压强值的范围为200KPa；然后在液体流道1通入液体5，液体的流速范围为10-6m/s，此时驻停气泡生成腔4中产生驻停气泡6；在驻停气泡6的体积能够完全截断液体流道1中的液体5的流动前，由于驻停气泡生成腔4的横截面为等腰三角形，故生成的驻停气泡6的形态能够允许液体5在液体流道1中双向流动；
(2)增大气压控制通道3内气体的压强，驻停气泡6的体积增长，液体流道1中液体流动开始受到阻碍直至完全被驻停气泡6截断；当施加负压的时候，为了填补气压控制通道3中的真空，驻停气泡6内的气体开始向气压控制通道3中扩散，导致驻停气泡6的体积缩小，液体流道1中液体流动由截断状态变为流通状态。
实施例2
一种生成控制驻停气泡的微流道，包括液体流道1、斥水透气层2、气压控制通道3和至少一个驻停气泡生成腔4；所述气压控制通道3与液体流道1保持一定间距平行分布且不连通；所述斥水透气层2位于气压控制流道3与微流体通道1之间，材质是聚二甲基硅氧烷(PDMS)；所述液体流道1内壁上设置有至少一个驻停气泡生成腔4；所述驻停气泡生成腔4是开在液体流道1内壁上的内陷的三棱柱结构；驻停气泡生成腔4的横截面为直角三角形；驻停气泡生成腔4的横截面的顶角小于液体5在液体流道1中流动的前进接触角；液体流道1用于泵送液体样本；气压控制通道3用于连接外部气源，控制驻停气泡的形成与体积变化。
一种驻停气泡的生成控制方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)使用前，先在气压控制通道3中通入具有正压强的气体，气体的正压强值的范围为200KPa；然后在液体流道1通入液体5，液体的流速范围为10-6m/s，此时驻停气泡生成腔4中产生驻停气泡6；
(2)增大气压控制通道3内气体的压强，驻停气泡6的体积增长，当驻停气泡6足够大时，由于驻停气泡生成腔4的横截面为直角三角形，故生成的驻停气泡6的形态只允许液体5在液体流道1中单向流动；而当液体5向相反方向流动时，被液体5冲开的驻停气泡6将会被动闭合；驻停气泡6的体积继续增长，液体流道1中液体流动完全被驻停气泡6截断；当施加负压的时候，为了填补气压控制通道3中的真空，驻停气泡6内的气体开始向气压控制通道3中扩散，导致驻停气泡6的体积缩小，液体流道1中液体流动由截断状态变为导通状态。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种生成控制驻停气泡的微阀系统，其特征在于该微阀系统包括液体流道、斥水透气层、气压控制通道和至少一个驻停气泡生成腔；所述气压控制通道与液体流道保持平行分布且不连通；所述斥水透气层位于气压控制流道与微流体通道之间；所述斥水透气层的液体流道一侧的内壁上设置有至少一个驻停气泡生成腔；所述驻停气泡生成腔是开在斥水透气层的内壁上的内陷结构；驻停气泡生成腔的横截面的顶角小于液体在液体流道中流动的前进接触角；液体流道用于泵送液体样本；气压控制通道用于连接外部气源，控制驻停气泡的形成与体积变化。
2.根据权利要求1所述的生成控制驻停气泡的微阀系统，其特征在于所述斥水透气层的材质是硅胶、橡胶或聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的生成控制驻停气泡的微阀系统，其特征在于所述驻停气泡生成腔的结构是三棱柱结构。
4.一种基于权利要求1-3任一所述的微阀系统的驻停气泡生成控制方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)使用前，先在气压控制通道中通入具有正压强的气体，然后在液体流道通入液体，液体在液体流道中流动的前进接触角大于驻停气泡生成腔的横截面的顶角，导致液体通过驻停气泡生成腔时会有气体残留形成微小气泡，此时驻停气泡生成腔中产生驻停气泡；
(2)增大气压控制通道内气体的压强，驻停气泡的体积增长，液体流道中液体流动开始受到阻碍直至完全被驻停气泡截断；当施加负压的时候，为了填补气压控制通道中的真空，驻停气泡内的气体开始向气压控制通道中扩散，导致驻停气泡的体积缩小，液体流道中液体流动由截断状态变为流通状态。
5.根据权利要求4所述的驻停气泡的生成控制方法，其特征在于步骤1)中通入的气体的正压强值的范围为0.1kPa-1000kPa；通入的液体的流速范围为10-6m/s到100m/s。
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