CN109395649A - 纸基微流控微混合器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纸基微流控微混合器及其控制方法。包括PVC衬底、位于PVC衬底上的纸基通道、位于PVC衬底上且用于阻隔纸基通道的塑封膜、位于纸基通道上方且能够用于阻断纸基通道通路导通与否的可移动微流阀，所述可移动微流阀从下往上依次设有吸水海绵层、吸水树脂层、可带动所述可移动微流阀上下往复移动的电磁阀执行机构；所述纸基通道底部为亲水滤纸；所述亲水滤纸通过激光切割形成不同形状，使得相应的纸基通道形成各种不同的并联组合。本发明具有加工简单、操作简易、可靠性高和成本低廉等特点，改进了现有微流控纸芯片对流体的操控能力；可以推广应用在大规模自驱动纸基微流控芯片上，完成多功能并行化微流体样本检测与分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种纸基微流控微混合器及其控制方法。
背景技术
不同试剂的混合是生化分析实验重要的前处理过程之一，是影响实验结果精准度的关键因素。在微纳尺度下，流体呈现出不同于宏观尺度下的流动特征及规律。由于微流体具有更高的比表面积，表面张力将更容易影响流体流动，多种流体的混合效率将大幅改善。目前，微流控混合器加工中主要采用高分子聚合物材料，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚二甲基硅氧烷（PDMS）等，由传统微加工方法制造，如光刻等，其工艺对操作人员技能要求较高，加工周期较长且成本昂贵。纸基微流控芯片相对于传统聚合物芯片具有成本低和工艺简单等优点。其中，借助纤维结构的毛细力作用，应用二维纸通道网络（Two-dimensionalpaper networks，2DPNs)可以实现微流体自驱动。2DPNs加工通常可以由普通商业级激光切割机完成。芯片加工和封装的各个环节不涉及光刻胶等化学试剂，因此更为环保和简易。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纸基微流控微混合器及其控制方法，该纸基微流控微混合器具有加工简单、操作简易、可靠性高和成本低廉等特点，改进了现有微流控纸芯片对流体的操控能力；可以推广应用在大规模自驱动纸基微流控芯片上，完成多功能并行化微流体样本检测与分析；在拓展微流控技术的基础科学应用方面具有重要价值。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种纸基微流控微混合器，包括PVC衬底、位于PVC衬底上的纸基通道、位于PVC衬底上且用于阻隔纸基通道的塑封膜、位于纸基通道上方且能够用于阻断纸基通道通路导通与否的可移动微流阀，所述可移动微流阀从下往上依次设有吸水海绵层、吸水树脂层、可带动所述可移动微流阀上下往复移动的电磁阀执行机构；所述纸基通道底部为亲水滤纸；所述亲水滤纸通过激光切割形成不同形状，使得相应的纸基通道形成各种不同的并联组合。
在本发明一实施例中，所述亲水滤纸为Whatman©1号滤纸。
在本发明一实施例中，所述电磁阀执行机构由电磁铁线圈控制移动，当电磁铁线圈通电时，产生电磁吸力，使得电磁阀执行机构带动可移动微流阀向下移动，与纸基通道接触，使得纸基通道阻断；当电磁铁线圈断电时，电磁吸力消失，电磁阀执行机构带动可移动微流阀向上移动，与纸基通道不接触，使得纸基通道导通。
在本发明一实施例中，所述电磁阀执行机构为设于电磁铁线圈内的活动铁芯。
在本发明一实施例中，所述纸基通道一端作为进料区，另一端作为混合区，多条纸基通道通过不同并联组合共用混合区。
本发明还提供了一种基于上述所述的纸基微流控微混合器的控制方法，包括如下步骤：
步骤S1、设纸基通道并联组中纸基通道的个数为N；
步骤S2、根据需进行混合的样品试剂数量i，以及需进行混合的样品试剂，通过控制可移动微流阀，使得相应的i个纸基通道导通，其余N-i个纸基通道阻断，从而实现该i个样品试剂在混合区混合，其中，i≤N；
步骤S3、同理，若需要其他数量、种类的样品试剂混合，通过控制可移动微流阀，即可实现相应纸基通道导通与否，来使得不同数量、种类样品试剂的混合。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明纸基微流控微混合器具有加工简单、操作简易、可靠性高和成本低廉等特点，改进了现有微流控纸芯片对流体的操控能力；可以推广应用在大规模自驱动纸基微流控芯片上，完成多功能并行化微流体样本检测与分析；在拓展微流控技术的基础科学应用方面具有重要价值。
附图说明
图1为本发明纸基微混合器结构示意图。
图2是本发明两种纸基并联微流控混合器结构示意图。
图3是本发明纸基并联微流控混合器微流控方案示例。
图中，1-PVC衬底，2-塑封膜，3-纸基通道，4-吸水海绵层，5-吸水树脂层，6-电磁阀执行机构，7-可移动微流阀，8-混合区。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种纸基微流控微混合器，包括PVC衬底、位于PVC衬底上的纸基通道、位于PVC衬底上且用于阻隔纸基通道的塑封膜、位于纸基通道上方且能够用于阻断纸基通道通路导通与否的可移动微流阀，所述可移动微流阀从下往上依次设有吸水海绵层、吸水树脂层、可带动所述可移动微流阀上下往复移动的电磁阀执行机构；所述纸基通道底部为亲水滤纸；所述亲水滤纸通过激光切割形成不同形状，使得相应的纸基通道形成各种不同的并联组合。所述亲水滤纸为Whatman©1号滤纸。所述纸基通道一端作为进料区，另一端作为混合区，多条纸基通道通过不同并联组合共用混合区。
所述电磁阀执行机构由电磁铁线圈控制移动，当电磁铁线圈通电时，产生电磁吸力，使得电磁阀执行机构带动可移动微流阀向下移动，与纸基通道接触，使得纸基通道阻断；当电磁铁线圈断电时，电磁吸力消失，电磁阀执行机构带动可移动微流阀向上移动，与纸基通道不接触，使得纸基通道导通。所述电磁阀执行机构为设于电磁铁线圈内的活动铁芯。
本发明还提供了一种基于上述所述的纸基微流控微混合器的控制方法，包括如下步骤：
步骤S1、设纸基通道并联组中纸基通道的个数为N；
步骤S2、根据需进行混合的样品试剂数量i，以及需进行混合的样品试剂，通过控制可移动微流阀，使得相应的i个纸基通道导通，其余N-i个纸基通道阻断，从而实现该i个样品试剂在混合区混合，其中，i≤N；
步骤S3、同理，若需要其他数量、种类的样品试剂混合，通过控制可移动微流阀，即可实现相应纸基通道导通与否，来使得不同数量、种类样品试剂的混合。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明提供了一种纸基微流控微混合器结构，可用于多种反应试剂的混合。采用并联组设计，纸基微混合器2DPNs结构，每个微通道首端连接进样区，末端连接混合区，中间部分设计阻断阀结构。样本滴定进样区后，试剂借助毛细作用输运，阻断阀与通道采用机械贴合，由吸水元件（如聚丙烯酸钠高分子吸水树脂等）吸附纸纤维中的流体实现流动阻断。
如图1所示，本发明纸基微混合器结构示意图。亲水滤纸由激光切割（也可手工裁剪）加工，工艺非常简单，切割后的形状决定了2DPN通道形状。水性溶液滴注后借助毛细力沿通道自动输运。滤纸底部和并行通道之间由热塑封膜阻断（图1 -a）。同时，设计可移动式流控阀结构，通过吸水的方式阻断某个2DPN通道。具体地，当阀结构不与滤纸接触时，微流通道导通（图1 -b）；当阀结构与滤纸接触时，借助海绵和高分子吸水树脂，吸走接触处流体，实现该通道的阻断（图1 -c）。
本实例为实现多组分试剂高效混合，举出两种纸基微混合器结构示意图（图2），其一（图2-A））的混合试剂数量可连续递增（如2、3、4、5……），其二（图2-B））试剂数量可指数增加（2、4、8……）。由此两种方案，可以灵活推广到其他应用。此外，为实现试剂混合自动化，可引入阻断阀阵列，自动化微流控可通过对阻断阀阵列的数字化调制实现（图3）。图3是2DPNs的微流控策略示例，阻断阀组成的阵列组合可实现某个通道的选择性导通。“1”表示阻断阀被激活，与通道机械贴合；“0”表示阻断阀未被激活，阀与通道不接触。
本发明提供的2DPNs的并联组微流控混合器，具有加工简单、操作简易、可靠性高和成本低廉等特点，改进了现有微流控纸芯片对流体的操控能力；可以推广应用在大规模自驱动纸基微流控芯片上，完成多功能并行化微流体样本检测与分析；在拓展微流控技术的基础科学应用方面具有重要价值。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种纸基微流控微混合器，其特征在于，包括PVC衬底、位于PVC衬底上的纸基通道、位于PVC衬底上且用于阻隔纸基通道的塑封膜、位于纸基通道上方且能够用于阻断纸基通道通路导通与否的可移动微流阀，所述可移动微流阀从下往上依次设有吸水海绵层、吸水树脂层、可带动所述可移动微流阀上下往复移动的电磁阀执行机构；所述纸基通道底部为亲水滤纸；所述亲水滤纸通过激光切割形成不同形状，使得相应的纸基通道形成各种不同的并联组合。
2.根据权利要求1所述的纸基微流控微混合器，其特征在于，所述亲水滤纸为Whatman©1号滤纸。
3.根据权利要求1所述的纸基微流控微混合器，其特征在于，所述电磁阀执行机构由电磁铁线圈控制移动，当电磁铁线圈通电时，产生电磁吸力，使得电磁阀执行机构带动可移动微流阀向下移动，与纸基通道接触，使得纸基通道阻断；当电磁铁线圈断电时，电磁吸力消失，电磁阀执行机构带动可移动微流阀向上移动，与纸基通道不接触，使得纸基通道导通。
4.根据权利要求1所述的纸基微流控微混合器，其特征在于，所述电磁阀执行机构为设于电磁铁线圈内的活动铁芯。
5.根据权利要求1所述的纸基微流控微混合器，其特征在于，所述纸基通道一端作为进料区，另一端作为混合区，多条纸基通道通过不同并联组合共用混合区。
6.一种基于权利要求1至5任一所述的纸基微流控微混合器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、设纸基通道并联组中纸基通道的个数为N；
步骤S2、根据需进行混合的样品试剂数量i，以及需进行混合的样品试剂，通过控制可移动微流阀，使得相应的i个纸基通道导通，其余N-i个纸基通道阻断，从而实现该i个样品试剂在混合区混合，其中，i≤N；
步骤S3、同理，若需要其他数量、种类的样品试剂混合，通过控制可移动微流阀，即可实现相应纸基通道导通与否，来使得不同数量、种类样品试剂的混合。
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| GR01 | Patent grant | ||
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