CN109490058B - 一种适于液体混合的微流控系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适宜液体混合的微流控系统及使用方法，本发明的微流控系统采用泵作为动力源，将待混合的至少两种液体样本抽吸入泵中，其中部分气体也被抽入泵中；系统还包括混合贮存器，泵抽入的两种液体被推入混合贮存器，其中气体产生的气泡对于混合贮存器中的混合液体起到搅拌作用；待气泡在混合贮存器中破裂静置并上升至顶部后，混合后的液体被抽回到泵中，将混合液体引导到出口而进入后续检测步骤，消泡剂的添加将防止气泡在混合过程中的堆积。而系统中阀门和微液路中的传感器将用于微流控装置的运行以及流量的精确控制。

Description

一种适于液体混合的微流控系统及方法
技术领域
本发明涉及微流控系统，尤其涉及适用于液体混合的微流控系统及液体混合方法。
背景技术
带有芯片或组件的微流控系统，能够使得耗时且造成误差的样品处理过程自动化。典型的芯片和组件的系统可以利用泵及阀来驱动液体流动，从而得到可靠可控的制备样品，并且方便后续步骤的检验。在部分微流控系统中，样品与样品的混合制备或样品与缓冲液的混合是经常用到的步骤，而目前微流控系统面临的主要挑战是，在集成式微流控芯片中，很难有效的将不同的液体混合在一起。由于微流控系统具有典型的低雷诺兹数，通常很难实现湍流混合，一般的微流控方法依靠T型或Y型通道扩散来混合流体，而扩散混合的混合时间长，而且混合效率差。如果加强扩散效应，常见的方法是在通道内增加凸起结构或利用其它提高流体局部雷诺兹数的结构以达到湍流的效果，来增强混合能力。而这增加了复杂的结构 和降低了可靠性，也提高了微流控芯片的制备成本和加工工艺的难度。
从另一方面，集成式微流控系统中，通道中混入或产生的气泡表面张力高、流道尺寸小等特点，一方面阻碍液体的流动，影响液体流动效率，且可能对于后续检验反应产生难以预料的效应，因此为设计者所不期望的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种微流控的装置及利用所述微流控系统混合液体的方法。
本发明的微流控装置包括多个流体入口，一个或多个混合贮存器，相应数量的流体传感器，以及一个或多个用以提供液体驱动力的泵，多个用于控制微流控液体流路的阀。
根据本发明的一个方面，本发明的微流控装置包括至少两个流体入口，流体入口与微流道相连通；
至少一个泵，所述泵与包括所述微流道相连通，用以将正压或负压施加至微流道中，使得样品或液体能够通过所述微流道进行传输，所述至少一个泵还通过微流道连接有流体出口；
至少一个阀，设置在所述一个或多个微流道中，优选设置在流体入口或流体出口附近，用于选择性的控制微流道的打开和关闭；
至少一个混合贮存器，所述混合贮存器通过微流道联通所述泵。
优选的，还包括至少一个液位传感器，所述至少一个液位传感器检测流体流动，以使得在所述容积的液体被泵抽入时，控制泵和阀门的动作；
根据本发明的另一个方面，还包括至少第一样品池，第二样品池，所述至少第一样品池及第二样品池中用于盛放不同的液体。样品池中的液体通过所述流体入口与微流道相连通，在所述泵的作用下样品池中的液体可通过所述微流道进行传输。
根据本发明的第二个方面，提供了一种微流控系统混合液体的方法，微流控系统中的动力源，将待混合的液体样本从分别的流体入口，经由微流道推入混合贮存器中；
其中，至少一个流体入口抽入的液体中混有一定量的空气；在动力源将液体推入混合贮存器的过程中，空气产生气泡流经混合的液体而上升至混合贮存器的顶部；
动力源将混合贮存器中的混合液体从混合贮存器抽出，传输至下一步通道；
优选的，所述动力源采用泵；
优选的，混合贮存器中设置液位传感器，混合后的液体从混合贮存器抽出时，将与混合贮存器与泵连接的烦闷在空气被抽出之前关闭；
优选的，所述动力源连接出口通道，出口通道设置传感器，计算和控制混合后液体抽出后的容积。
优选的，加入消泡剂使得混合液体中不会有多余的气泡聚集在混合贮存器顶部；消泡剂可预先添加在混合贮存器中、泵中或待混合的液体样本中。
本发明提供的微流控装置，在面临样品与缓冲液，样品与样品混合时，提供了一种能够有效、节省成本的系统和方法，无需借助微流通道内额外的结构，通过装置内引入的气体，在动力源作用下气体通过微流道，到达混合贮存器时形成贯穿混合液体的气泡从而对混合液体起到搅匀的作用。同时，混合贮存器的存在使得混合液体中的多余气体上升到液体表面，可选使用消泡剂来进一步防止气泡在装置中积聚。
进一步的，在本发明装置应用于样本检测时，通过内置自动控制的气动阀门，可以预先在缓冲室中添加缓冲液，在检测时直接加入样品后就可以进行检测，大大简化了检测过程，提高了检测的效率。
附图说明
图1为本发明所述的注射器泵筒的典型结构；
图2为本发明所述设备的其中一个实施例的实物图。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或多个具体实施例。应该理解，任何工程或设计项目中的任何这样的实际实施方案的改进、大量的具体实施措施都应实现改进者的具体目标。当介绍本发明各实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个元件。“包括”、“包含”和“具有”意图是包含性的， 并且表示还可存在除了所列元件之外的其它元件。
本发明的实施例微流控装置通过动力源将将利用包括至少两个流体入口，一个或多个混合贮存器，相应数量的流体传感器，以及一个或多个用以提供液体驱动力的泵，多个用于控制微流控液体流路的阀。
图1示出了本发明基本和典型的结构：
微流控装置，包含流体流动操作所需的微通道和贮存结构。这种结构通常通过注塑、数控加工、激光加工、切割、影印石版术以及3D打印等常用技术来实现。该结构可以由许多的材料制成，包括但不限于热塑性塑料、玻璃、硅、弹性聚合物等。
包括流体入口101，流体入口102，分别连接样品池201，样品池202，流体入口101,102分别与微流道301,302的一端相连通；不同的样品池可以装载不同的液体，所述液体可以包括试剂、缓冲剂、样品等，所述样品池可以为贮存器、液囊或其它。根据所需的流体处理功能，例如需要混合两种以上的液体时，或者处理的其它状态的液体时，微流控系统可添加任何数量的进口及出口以形成更复杂的系统。
泵400与微流道301,302的另一端相连通，泵400连接微流道303，304的一端，其中微流道304的另一端连接有流体出口103，泵400以将正压或负压施加到施加至微流道的端口中，将待混合的样本抽入泵管中，或将泵管中的液体泵入期望的微流道中。
有许多形式的泵可供选择，例如外注射器泵、蠕动泵、差压空气泵、活塞泵、电泳泵等，在一个优选的实施例中采用集成式注射器泵。集成注射器泵由与微流体通道相连接的塑料管和可以将流体抽进或推出注射器管的柱塞组成。采用集成注射器泵的优点在于：抽取装置通过机械控制，保证了抽取过程的平稳进行。
本实施例中采用单个泵实现对于样品的抽吸，但如果需要的话，也可以在更复杂的结构中使用多个泵。
还包括多个微流控阀门501,502,503,504，分别设置在微流道301,302,303,304中，泵400配合阀门501,502,503,504，使得样品或液体能够通过所期望的微流道进行传输；在一个优选的实施例中，微流控阀门设置在流体入口或流体出口附近，用以选择性的控制微流道的打开和关闭；
微流控阀门可以是任何类型的阀门，例如机械阀、疏水屏障阀等，一个优选的实施例可以采用气动驱动膜阀。当有压力施加到薄的弹性膜阀上时，阀会向下压并且阻挡的流动道路，从而阻止液体在微流控通道中的流动，通过真空来控制阀并让液体流动。采用内置自动控制的气动阀门，可以使得微流控系统添加样本后按照预设程序自动进行，有效简化了检测过程，提高检测的效率。
微流道303的另一端连接混合贮存器203，混合贮存器203优选具有一定高度的空腔结构，便于具有一定顶部容纳气体的空间。泵400将待混合的液体通过泵管泵入混合贮存器203，也可以将混合贮存器中的液体通过出口泵出。
在另一个实施例中，混合贮存器203上部具有排出气体的通道，或者混合贮存器203上部为可以打开的空腔结构。
在微流道303中设置液位传感器603，检测微流道303内的流体流动，其监控数据反馈给微流控装置的控制系统，控制泵和阀门的动作以保证所期望容积的液体被抽入至混合贮存器203。
同样的，在微流道301,302中也可同样设置液位传感器601,602，监测和控制要混合的样本，在微流道304设置传感器604控制混合贮存器203泵出的混合后的液体的容积，以及检测微流道中是否有多余的气泡被引出流体出口103。
其中上述液位传感器可放置于微流控通道下方来感应微通道中是否有流体流过。在一种实施方案中，采用微流道下方的红外近距离传感器作为液位传感器；在其他的实施方案中，也可以选择其他类型的的传感器放置在通道下方或上方，或者集成到微通道中。
在另一个实施方案中，采用摄像机成像系统代替液位传感器，对于整个微流控装置中的流体进行检测和监控。
上述传感器所监测的数据输出至控制系统，例如微控制器或计算机，通过控制器对于监控数据的反馈和预定程序的控制，输出控制信号控制相应的泵及阀门，用以控制微流控系统的动作。
在不同的实施例中可以基于应用改变出口、入口、管路、管道和端口的的特定数量、连接方式，以及传感器及阀门的具体设置。
以下的实施例中描述了采用上述典型微流控系统的使用过程：
初始状态下，各微液道的阀门关闭。待混合的流体，例如事先存储在样品池中，分别由流体入口101和流体入口102进入相应微流道；在一个实施例中，一个样品池中为样品，另一个样品池中为缓冲液；
打开泵与流体入口101联通的微流道的阀门501；
泵400将液体从流体入口101抽入，液体通过微流道301进入泵管，在操作过程中，液位传感器601检测流体的流动，并在所需容积被抽进时，控制泵和阀门501的开启和关闭。
关闭阀门501，打开泵与流体入口102联通的微流道的阀门502；
泵400将液体从流体入口102抽入，液体与空气一起通过微流道302进入泵管，在操作过程中，液位传感器602检测流体的流动，并在所需容积被抽进时，控制泵和阀门502的开启和关闭；
关闭阀门502，打开泵与混合贮存器203联通的微流道的阀门503；
泵400将泵筒中需混合的液体推进混合贮存器中。在操作过程中，在操作过程中，液位传感器603检测流体的流动，并在所需容积被抽进时，控制泵和阀门503的开启和关闭；
在一个实施例中，泵将剩余的或额外抽入的气体推入混合贮存器中。
所述泵引入的空气在后续推入待混合的液体时，会形成气泡穿过液体上升到所述混合贮存器的顶部，在此过程中待混合液体除扩散作用外将额外受到气泡穿过时的搅动，因此助于混合完全。
液位传感器603检测足量空气被引入至混合贮存器中时，泵400将混合贮存器中的液体抽回泵管，此时，液位传感器603检测微流道中的液体流动，以使得期望容量的液体被抽入泵管，同时保证阀503在空气被抽回之前关闭；
在另一个实施例中，采用泵将混合贮存器中的液体抽回泵管之前，混合贮存器中的空气通过上方的通道或者空腔的打开结构全部排出；
关闭连接混合贮存器与泵之间的微流道的阀503，打开连接泵和出口103的阀504；
向泵提供动力，将泵管内混合后的液体推送至出口，进行下一步的分析，其中在此过程中，液体传感器604检测流体的流动，判定液体中没有气泡，并确定被推到出口处液体的总容积。
在一个实施例中，采用泵或者其他动力，将其中具有气泡的混合液体，在泵和混合贮存器中反复的混合，从而利用其中的气泡充分混合待混合的液体。
在另一个实施例中，采用消泡剂，预先添加在混合贮存器中、泵中或待混合的流体中；当进入混合贮存器时，消泡剂能够使得气泡在穿过液体后破裂，使得它们不会积聚在混合池顶部。如此，在液体中积聚的气泡在混合前就会被除去，因为它们会浮到混合池的表面并且破裂而停留在混合贮存器的顶端位置。
在一个实施例中，分别于泵底部和混合贮存器出口处涂抹0.10.1-0.5微升的消泡剂，用于除去流体流动过程中产生的气泡。
消泡剂可以用于防止试验中产生地过多的气泡。消泡剂通常用于工业和化学加工应用中，例如通常需要在正在加工的液体中加入表面活性剂，因为液体在通过微流控系统时很容易产生气泡。在装置中加入少量消泡剂时，可以将其加入装置前将其混入液体中，也可以将其加入混合贮存器和泵中，这样能够在操作过程中有效地防止气泡的形成。在一个实施例中，采用一种硅基消泡剂，但根据不同流体的类型也可以使用其他类型的消泡剂。
上述过程描述了本发明的关键方面，包括流体的处理、混合、感应以及气泡的去除。通过将系统的关键要素以不同的方式进行组合，实现更复杂的处理方式，从而实现包括多个泵和贮存器、进口、出口、传感器、阀门等系统要素的更复杂的流控系统。
以下的实施例用上述微流控装置来实现一种进行自动免疫的设备。该设备具有与前面描述的示例相同的基本元素，但增加了几个额外的阀门和传感器，以实现样本的自动计量，如附图2所示
其中一个液体入口a将吸入待测血液等液体样本，留一个液体入口b与包含检测珠子的缓冲液的液囊相连接。在缓冲池中预先加入少量消泡剂，或将少量消泡剂预先至于混合贮存器中。
缓冲液伴随着部分气体被抽入泵中，后续血液样本也从入口处被抽入泵中，在此过程中，通过阀门处的液体传感器检测和计算所抽入的血液样本的容积。泵中的两种液体同时被推入混合池里，泵管中的剩余空气也被推入混合贮存器中，产生气泡可以帮助液体的混合。待混合完全，以及气泡在混合贮存器中消解并上升至顶部后，后续混合液体被抽回泵中，将混合液体引导到输出端进入检测区域。
尽管在缓冲液被抽入时带入了许多气泡，但由于消泡剂和混合贮存器静置过程的存在，混合液体从输出端进入检测区域时并没有气泡。通过使用液位传感器对于阀门及泵的控制，可以有效控制足量而不过量的空气进入泵中，也防止泵将混合贮存器中的多余气体压出输出端的液体通道。
以上实施方式仅适于说明本公开，而并非对本公开的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本公开的范畴，本公开的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (14)

1.一种适宜液体混合的微流控系统，所述微流控系统包括：
至少两个流体入口，所述流体入口分别与微流道相连通；
至少一个泵，所述泵与所述微流道相连通，用以将正压或负压施加至微流道中，使得样品或液体能够通过所述微流道进行传输，所述至少一个泵还通过微流道连接有流体出口；
至少一个阀门，设置在一个或多个所述微流道中，用于选择性的控制微流道的打开和关闭；
至少一个混合贮存器，所述混合贮存器通过微流道联通所述泵；
其特征在于：还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器检测微流道中的流体流动，在一定容积的液体被泵抽入时，控制泵和阀门的动作，使得液体从混合贮存器抽出时，将与混合贮存器与泵连接的阀门在空气被抽出之前关闭。
2.如权利要求1所述的微流控系统，其特征在于，还包括至少第一样品池，第二样品池，所述至少第一样品池及第二样品池中用于盛放不同的液体；所述第一样品池和第二样品池通过所述至少两个流体入口相连，在所述泵的作用下样品池中的液体可通过所述微流道进行传输。
3.如权利要求1或2所述的微流控系统，其特征在于：所述传感器为液位传感器。
4.如权利要求3所述的微流控系统，其特征在于：所述液位传感器设置在混合贮存器中。
5.如权利要求3所述的微流控系统，其特征在于：所述液位传感器设置在与泵连接的流体出口通道中。
6.如权利要求1或2所述的微流控系统，其特征在于：所述泵采用注射器泵。
7.如权利要求1或2所述的微流控系统，其特征在于：所述阀门采用气动驱动膜阀。
8.如权利要求1或2所述的微流控系统，其特征在于：还包括控制系统，通过传感器反馈的流体信号，输出控制信号控制相应的泵及阀门，用以控制微流控系统的动作。
9.一种采用了如权利要求1-8中任一项所述的微流控系统混合液体的方法，
微流控系统中的泵，将待混合的液体样本从分别的流体入口，经由微流道推入混合贮存器中；
其中，至少一个流体入口抽入的液体中混有一定量的空气；在泵将液体推入混合贮存器的过程中，空气产生气泡流经混合的液体而上升至混合贮存器的顶部；
泵将混合贮存器中的混合液体从混合贮存器抽出，通过出口传输至下一步通道；
通过液位传感器控制泵和阀门的动作，使得混合后的液体从混合贮存器抽出时，将与混合贮存器与泵连接的阀门在空气被抽出之前关闭。
10.如权利要求9所述的一种混合液体的方法，其特征在于，所述液位传感器设置在混合贮存器中，或设置在与 泵连接的出口通道中。
11.如权利要求9或10所述的一种混合液体的方法，其特征在于，可以计算和控制抽出混合液体的容积。
12.如权利要求9或10所述的一种混合液体的方法，其特征在于，所述泵采用注射器泵。
13.如权利要求9或10所述的一种混合液体的方法，其特征在于：在系统中加入消泡剂，使得混合液体中不会有多余的气泡聚集在混合贮存器顶部。
14.如权利要求13所述的一种混合液体的方法，其特征在于：消泡剂预先添加在混合贮存器中、泵中或待混合的液体样本中。
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