CN110605147B - 一种基于液晶的温控微阀及其单、多级控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶的温控微阀及其单、多级控制系统，应用在微流控芯片微阀技术领域，温控微阀包括微通道、基底、液晶和温度控制元件；微通道设置于基底上方；液晶设置于微通道内并可沿通道方向流动；温度控制元件设置于垂直液晶流向任意一侧的微通道壁上，本发明通过非均匀温度场下液晶非对称流动特性实现样品的径流调节，从而控制不同反应器或检测器的进样量，显著地增强了化学反应或生物检测的对比效果，同时也极大地减少了实验和检测的工作量及相关成本。

Description

一种基于液晶的温控微阀及其单、多级控制系统
技术领域
本发明属于微流控芯片微阀技术领域，具体涉及一种基于液晶的温控微阀及其单、多级控制系统。
背景技术
微流控芯片又称之为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)，其主要通过对微小槽道内流体的操控，在芯片中实现进样、稀释、混合、反应、分离、分析和检测等实验室功能。微流控芯片具有微型化、集成化和便携化等优势，能够将分析实验室的各种功能最大限度地集成到尺寸很小的芯片上，因而在生物、医药、材料和化学化工等众多领域具有较强的适用性和广阔的应用前景。
微流控芯片的功能是对微小槽道内流体进行可靠操控，从而完成生物化学分析及反应所需的各项操作。微阀在微流控芯片中起径流调节和开/关转换等作用，是微流控芯片驱动控制系统中的核心控制元件，其发展水平是衡量微流控芯片技术的重要指标之一。
现有微阀各具特色，但普遍存在结构复杂、加工和集成化难度大、成本较高、使用条件苛刻、反应迟钝和精确控制难度较大等问题，限制了此类微阀的应用，阻碍了微流控芯片的快速发展。本发明创新地提出利用非均匀温度场下微小槽道内液晶非对称流动特性来实现智能化质量输运与控制的设想，从而为温控微阀的发展提供一条新的途径。这种基于液晶的新型温控微阀是以液晶(有机小分子液晶或水溶性液晶)作为样品(化学试剂和微生物等)的载体和控制的对象，通过非均匀温度场下液晶非对称流动特性实现样品的径流调节，从而控制不同反应器或检测器的进样量，最终实现同时观测不同条件下化学反应或生物检测等，显著地增强了化学反应或生物检测的对比效果，同时也极大地减少了实验和检测的工作量及相关成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于液晶的温控微阀及其单、多级控制系统，针对现有技术存在的结构复杂、加工和集成化难度大、成本较高、使用条件苛刻、反应迟钝和精确控制难度较大等问题，本发明通过非均匀温度场下液晶非对称流动特性实现样品的径流调节，从而控制不同反应器或检测器的进样量，显著地增强了化学反应或生物检测的对比效果，同时也极大地减少了实验和检测的工作量及相关成本。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于液晶的温控微阀，其特征在于：包括微通道、基底、液晶和温度控制元件；所述微通道设置于基底上方；所述液晶设置于微通道内并可沿通道方向流动；所述温度控制元件包括加热元件和/或制冷元件，温度控制元件设置于垂直液晶流向的任意一侧或两侧的微通道外。
优选的，所述微通道的外部两侧分别包括左微通道和右微通道，所述温度控制元件位于左微通道和/或右微通道内。
优选的，所述加热元件为电热丝，所述制冷元件为制冷片。
优选的，还包括设置在微通道壁面内并可测量液晶温度的热电偶。
优选的，所述微通道壁由PDMS材料制成。
优选的，所述基底由玻璃材料制成。
优选的，所述液晶为向列型液晶。
优选的，所述电热丝和制冷片均为分块式独立受控的结构。
优选的，所述单级控制系统的控制回路内仅包含一个温控微阀。
优选的，所述多级控制系统的控制回路内包含多个串联、并联或串并联混合的温控微阀。
本发明的有益效果在于：本发明通过非均匀温度场下液晶非对称流动特性实现样品的径流调节，从而控制不同反应器或检测器的进样量，显著地增强了化学反应或生物检测的对比效果，同时也极大地减少了实验和检测的工作量及相关成本。此外，还具有如下有益技术效果。
1、结构简单，加工难度低，仅需要液晶材料、微通道和提供温差的加热元件或制冷元件即可构造微阀；
2、温度控制元件设置在微通道两侧的左微通道或右微通道内，方便布置、不宜掉落，可以不直接与液晶微通道1接触，防止局部温度过高或过低时对微通道1内液晶的影响；
3、成本较低，成本主要集中在液晶材料上，在市场上容易购买到多种液晶，且价格低于记忆合金；
4、使用条件广泛，只需要施加一个较小的温差即可驱动；
5、容易实现对反应物的精确控制，液晶流动变化对温差的动态响应性能好。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为实施例一基于液晶的温控微阀结构示意图；
图2为水平温度梯度下微通道内液晶流速分布示意图；
图3为实施例二基于分块/分段式温控元件的液晶温控微阀结构示意图；
图4为实施例三基于液晶的多通道温控微阀截面示意图；
图5为基于液晶的温控微阀的单级控制系统连接示意图；
图6为基于液晶的温控微阀的多级控制系统连接示意图。
附图中标记如下：微通道1、基底2、电热丝3、微通道壁4、制冷片5、热电偶6、入口7、出口8、温控微阀9。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例一
如图1，一种基于液晶的温控微阀，包括微通道1、基底2、液晶和电热丝3；所述微通道1设置于基底2上方；所述液晶设置于微通道1内并可沿通道方向流动；所述电热丝3设置于垂直液晶流向任意一侧的微通道壁4外。
液晶从微通道1的入口7流入、从出口8流出，液晶从出口8流出后流向不同的方向。
电热丝可通过粘接或其他固定方式设置在微通道壁4外。
使用时，通过开启电热丝3加热微通道壁4单侧，进而在该侧的微通道1内的液晶温度升高，其与另一侧(非电热丝所在一侧)存在温度差，形成垂直于流向的温度梯度，在水平温度梯度作用下，微通道中的液晶流动速度从高温区域到低温区域发生变化，相应地微通道1内左右两侧流量也会不同。如附图2所示，横轴为微通道横截面的宽度(取中央为零点，单位为微米)，右端温度比左端高，纵轴为流动速度(单位为微米每秒)，左上小图为微通道俯视图，右下小图为普通各向同性流体(例如水)在无水平温度梯度和施加相同水平温度梯度的情况下在相同微通道内的流速分布图。该特性在管路系统中即可起到温控微阀的作用，由此可实现流体流动的智能输运。此处的智能输运包括但不限于如下应用场景：1、因温差导致流速和流量不均，通过控制温差大小调控流体流向两个方向的流量；2、在管路系统中，微阀的共同作用相互影响、结合形成更为显著的管路特征。
本发明温控微阀利用了液晶在水平温度梯度下会出现高温区到低温区流动速度的突变，即通过非均匀温度场下液晶非对称流动特性实现样品的径流调节，从而控制不同反应器或检测器的进样量，显著地增强了化学反应或生物检测的对比效果，同时本装置结构简单，加工难度低，仅需要液晶材料、微通道和提供温差的电热丝即可构造微阀，也极大地减少了实验和检测的工作量及相关成本。
进一步的，本实施例还包括设置在电热丝3相对侧的微通道壁外的制冷片5，制冷片5可对电热丝3相对侧的微通道制冷，使得该侧的液晶温度降低，进而使得垂直液晶流向两侧的液晶温差增大，结合图2可知，两侧壁面温差越大，高温区和低温区的流速差异越大，更能触发温控微阀的控制特性。
附图1中，在微通道1的两侧设置温度控制元件，一方面可方便地布置加热元件或冷却元件，不宜掉落或丢失；另一方面，加热元件或制冷元件可以不直接与液晶微通道1接触，可防止局部温度过高或过低时对通道1内液晶的影响。
温控微阀9内可只包括加热元件或制冷元件，也可二者兼有，加热元件或制冷元件在左右两侧的位置关系可根据实际情况的需要进行调节，也可在左右两侧同时设置加热元件和制冷元件并按需调节。
进一步的，本实施例还包括设置在微通道壁4壁面内并可测量液晶温度的热电偶6(图1中虚线部分结构)，用以得到微通道内液晶的温度分布、研究液晶温度梯度与流速之间的关系。
进一步的，本实施例中微通道壁4由PDMS材料制成，其成本低，使用简单，具有良好的化学惰性，微通道壁4性能更佳稳定。
进一步的，本实施例中基底2由玻璃材料制成，当然，也可以采用其他成本低廉且化学性能稳定的材料。
实施例二
如图3，所述电热丝3和制冷片5均为分块式独立受控的结构，即可分块/分段式控制加热和制冷，以便更加精确、更加容易的控制温差调节过程。
实施例三
如图4，微通道1内可包含多个上下或左右并列叠加的子通道，液晶由入口7流入微通道1后分别流进各子通道内，所述温度控制元件同时设置在微通道1各子通道的外侧，以实现对微通道内流量的多通道分别调控。
在实施例一、二或三的基础上，如图5，一种基于液晶的温控微阀的单级控制系统，所述单级控制系统的控制回路内包含一个温控微阀9、温度传感器和控制元件，液晶从温控微阀9的出口流出后流向不同的方向，即a方向通道和b方向通道。可将该种基于液晶的温控微阀的单级控制系统应用于需要通过控制温度来实行单纯流量调节的简单微流控芯片中。
微通道壁4两侧外均同时包括加热和制冷元件，当实际需求为a方向通道流量大，b方向通道流量小时，开启b方向微通道壁4外侧的制冷片和a方向微通道壁4外侧的电热丝，b方向微通道壁4外侧的电热丝和a方向微通道壁4外侧的制冷片保持关闭，液晶从温控微阀9的出口流出后，受左侧电热丝和右侧制冷片的影响，流入a方向通道的液晶流速较高、流量大，流入b方向通道的液晶流速较低、流量小，控制元件可对制冷片和电阻丝的功率进行控制，进而控制温度，通过温度传感器和控制元件，控制微阀通道1两侧温差大小，从而调控流体流向两个方向的流量；当实际需求为a方向通道流量小，b方向通道流量大时，则开启a方向微通道壁4外侧的制冷片和b方向微通道壁4外侧的电热丝，并进行相应温度调控。
在实际工业应用或实验室应用中，存在需要多个不同流量的液晶通道情况，本申请还提出了一种基于液晶的温控微阀的多级控制系统，多级控制系统的控制回路内包含多个串联、并联或串并联混合的温控微阀，在实施例一、二或三的基础上，如图6为一种基于液晶的温控微阀的多级控制系统，所述多级控制系统的控制回路内包含多个串并联混合的温控微阀。可将该种基于液晶的温控微阀的多级控制系统应用于较为复杂的生物、医药领域芯片反应器中，以实现对多种不同目标试剂的精确控制。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于液晶的温控微阀，其特征在于：包括微通道、基底、液晶和温度控制元件；所述微通道设置于基底上方；所述液晶设置于微通道内并可沿微通道方向流动；所述温度控制元件包括加热元件和/或制冷元件，温度控制元件设置于垂直液晶流向的任意一侧或两侧的微通道外。
2.根据权利要求1所述的基于液晶的温控微阀，其特征在于：所述微通道的外部两侧分别包括左微通道和右微通道，所述温度控制元件位于左微通道和/或右微通道内。
3.根据权利要求1所述的基于液晶的温控微阀，其特征在于：所述加热元件为电热丝，所述制冷元件为制冷片。
4.根据权利要求1所述的基于液晶的温控微阀，其特征在于：还包括设置在所述微通道壁面内并可测量液晶温度的热电偶。
5.根据权利要求1所述的基于液晶的温控微阀，其特征在于：所述微通道壁由PDMS材料制成。
6.根据权利要求1所述的基于液晶的温控微阀，其特征在于：所述基底由玻璃材料制成。
7.根据权利要求1所述的基于液晶的温控微阀，其特征在于：所述温度控制元件均为分块式独立受控的结构。
8.根据权利要求1所述的基于液晶的温控微阀，其特征在于：所述温控微阀的微通道内包含多个上下或左右并列叠加的子通道，形成多通道温控微阀。
9.一种采用权利要求1~8任一所述的基于液晶的温控微阀的单级控制系统，其特征在于：单级控制系统的控制回路内仅包含一个温控微阀。
10.一种采用权利要求1~8任一所述的基于液晶的温控微阀的多级控制系统，其特征在于：多级控制系统的控制回路内包含多个串联、并联或串并联混合的温控微阀。
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