CN110787848B - 一种微流控进样系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微流控进样系统，包括定量取样模块、气压驱动和控制模块、负压生成器；定量取样模块包括试样池、入口工作通道、第一单向阀、第一疏水阀、定量取样腔室、第二疏水阀、第三疏水阀、第二单向阀、入口工作通道；进口工作通道上设有第一单向阀；出口工作通道上设有第二单向阀；定量取样腔室进口端和出口端分别是第一疏水阀和第二疏水阀；第二疏水阀与第二单向阀之间设有第三疏水阀；气压驱动和控制模块包括微型气泵、微型电磁阀和控制器，气泵是提供驱动压力的气源，电磁阀和控制器组成控制单元，控制驱动压力的通断。本系统能够提高定量试样进样的精度，以及进样时能够根据脉冲调制原理控制试样的流率和流量，并且能够节约进样成本。

Description

一种微流控进样系统
技术领域
本发明属于微流控技术领域，特别是一种微流控进样系统。
背景技术
微流控是一项涉及到流体力学、精密机械、生物医学、化学等多个领域的交叉性科学技术，在生化分析、医疗诊断、药物筛选等方面存在广泛应用，并具有效率高、所需试样/试剂少、仪器设备便于小型化设计等优点，因而在近年获得了较快发展。流体进样是微流控技术工程应用中的一个关键环节，涉及定量取样，流体驱动和进样流速控制等内容。这一操作可利用内置集成式微泵来完成，但结构复杂、成本高，不适用于一次性微流控芯片。如采用外置注射泵、压力泵等给样方式，则容易受水容效应影响，在进样体积较小时产生较大误差。采用压力泵驱动时，除需要稳定压力源外，还需要精密压力调节计对驱动气压和流速进行调节，成本较高。例如Jessica Melin&Stephen R.Quake,Microfluidic Large-ScaleIntegration:The Evolution of Design Rules for Biological Automation(J),Annu.Rev.Biomol.Struct.2007.36:213-231.发表的一种在芯片内利用多个微阀控制通道通断完成微量样品定量进样的方法，该方法为实现在线定量取样，通常需要多个控制微阀，结构较为复杂，并且微阀内流动死区容易造成液体残留，影响取样精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微流控进样系统，对微量液体进行定量取样，并控制进样时液体流速，以提高进样精度。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种微流控进样系统，包括气压驱动和控制模块、定量取样模块、负压生成器；所述定量取样模块包括试样池、入口工作通道、第一单向阀、第一疏水阀、定量取样腔室、第二疏水阀、第三疏水阀、第二单向阀、出口工作通道；
所述试样池通过入口工作通道与定量取样腔室进口端相连，所述入口工作通道上设有第一单向阀；所述定量取样腔室出口端与试样出口工作通道相连，所述出口工作通道上设有第二单向阀；所述定量取样腔室进口端和出口端分别设有第一疏水阀和第二疏水阀；所述第二疏水阀与第二单向阀之间设有第三疏水阀；
所述气压驱动和控制模块通过第一控制通道与第一疏水阀相连，通过第二控制通道与第三疏水阀相连，通过第三控制通道与负压生成器气体入口相连，所述负压生成器负压出口与第二控制通道相连，气体出口与外界大气连通；所述第一疏水阀用于取样时，避免入口工作通道的液体进入第一控制通道；所述第三疏水阀用于进样时，避免液体流入第二控制通道，所述第一单向阀、第二单向阀的正向流向均为取样流动方向。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)在负压驱动下通过疏水阀结合定量取样腔室实现对微量液体的定量取样，结构相对简单，且疏水阀减少了流动死区和残留液体，能够提高取样精度。
(2)流体驱动压力由微型气泵提供，通过外置电磁阀控制进样系统的控制通道，可重复使用，降低制作成本。
(3)结合脉宽调制技术，通过控制器控制电磁阀的开关时间与循环次数，改变驱动时间和驱动时间的占空比，能够对进样过程中试样的流量及流率进行精确控制。
附图说明
图1为本发明的微流控进样系统结构示意图。
图2为定量取样芯片各部件的放置图。
图3(a-b)分别为单向阀关闭与打开时的状态图。
图4为定量取样芯片中负压产生结构放大图。
图5为不同占空比单次压力脉冲作用下试样流率测试结果。
图6为占空比一定时驱动压力和粘度对平均流率的影响。
图7为驱动压力一定时占空比对平均流率的影响。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种微流控进样系统，包括气压驱动和控制模块、定量取样模块、负压生成器14；所述定量取样模块包括试样池11、入口工作通道12、第一单向阀15、第一疏水阀17、定量取样腔室20、第二疏水阀18、第三疏水阀19、第二单向阀16、出口工作通道13；
所述试样池11通过入口工作通道12与定量取样腔室20进口端相连，所述工作通道12上设有第一单向阀15；所述定量取样腔室20出口端通过出口工作通道13与试样出口10相连，所述出口工作通道13上设有第二单向阀16；所述定量取样腔室20进口端和出口端分别设有第一疏水阀17和第二疏水阀18，定量取样腔室20的取样体积决定于第一疏水阀17和第二疏水阀18之间的腔室容积。所述第二疏水阀18与第二单向阀16之间设有第三疏水阀19。
所述气压驱动和控制模块通过第一控制通道21与第一疏水阀17相连，通过第二控制通道22与出口工作通道的第三疏水阀19相连，通过第三控制通道23与负压生成器14气体入口141相连，所述负压生成器14负压出口142与第二控制通道22相连，气体出口143与外界大气连通；所述第一疏水阀17用于取样时，避免入口工作通道12中试样进入第一控制通道21，起到截止的作用；所述第三疏水阀19用于进样时，保证液体只在从出口工作通道13流动，避免流入第二控制通道22，所述第一单向阀15、第二单向阀16的流向均为取样流动方向。
进一步的，所述负压生成器14的气体入口141端为渐缩形入口、气体出口143端为喇叭形出口；负压出口142端与气体入口141端相连端的壁长L1要大于与气体出口143端相连端的壁长L2，避免长度一致时，气流直接进入负压出口142，如图4所示。
所述的负压生成器14的工作原理是：速度为V0的气流经入口9流入芯片，流过负压生成器14，从出口143流出，生成大小为ΔP的负压差。其中外界大气压为P0，气流在结构14处的流动速度为V，静压力为P，动压为
Figure GDA0002963733900000031
由伯努利公式
Figure GDA0002963733900000032
可得，气流经过负压生成器14在负压出口142处生成一个与外界大气压相差
Figure GDA0002963733900000033
的负压差。
将所述的入口工作通道12、第一单向阀15、第一疏水阀17、定量取样腔室20、第二疏水阀18、第三疏水阀19、第二单向阀16、出口工作通道13、第一控制通道21、第二控制通道22、第三控制通道23、负压生成器14集成在一块芯片上，构成定量取样芯片，同时还包括入口工作通道12的接口6、试样出口10、外置气压驱动和控制模块分别于第一控制通道21、第二控制通道22、第三控制通道23连通的接口7、8、9。
进一步的，所述气压驱动和控制模块包括微型气泵1、第一电磁阀3、第二电磁阀4、第三电磁阀5、控制器2；
所述微型气泵1通过一路管路和芯片接口7与第一控制通道21相连，该管路上设有第一电磁阀3；第一控制通道21通过一路管路和芯片接口7相连,接口8与第二控制通道22相连，该管路上设有第二电磁阀4；所述微型气泵1通过另一路管路和接口9与第三控制通道23相连，该管路上设有第三电磁阀5；所述控制器2是PLC一体机，用于控制第一电磁阀3、第二电磁阀4、第三电磁阀5的启闭；取样时，所述第二电磁阀4、第三电磁阀5打开，第一电磁阀3关闭；进样时，所述第二电磁阀4、第三电磁阀5关闭，第一电磁阀3打开。
进一步的，所述第一疏水阀17、第二疏水阀18的毛细压均小于第三疏水阀19的毛细压；由于在进样时，泵压通过第一疏水阀17将定量取样腔室20里的试样推出试样出口10，在推动过程中要流过第二疏水阀18并流经第三疏水阀19处的出口工作通道13与第二控制通道22的结合处，要保证试样不能流入控制通道，所以泵压要大于第一疏水阀17、第二疏水阀18的毛细压，要小于第三疏水阀19的毛细压。
优选的，所述第一疏水阀17、第二疏水阀18均采用孔径为10μm的疏水膜，毛细压为12.5kPa；所述第三疏水阀19采用孔径为0.1μm的疏水膜，细压约为1.25Mpa。
进一步的，所述第一单向阀15、第二单向阀16均采用弹性膜制成；
优选的，所述第一单向阀15、第二单向阀16均采用0.25mm厚硅胶弹性膜。
所述的微流控进样系统的工作原理是：取样时，利用微型气泵1产生的气流通过负压生成器14，根据伯努利原理产生负压差。实验证明当气泵的驱动电压为额定电压6v时，对应的泵压为85Kpa，能够产生大小为8kPa的负压。负压驱动试样进入微流控定量取样芯片的定量取样腔室。在这个过程中，电磁阀电源接到PLC一体机，与PLC共用电源，由PLC一体机控制电磁阀的时序开关。设置PLC电磁阀时序控制，使电磁阀4、5打开，电磁阀3关闭。微泵产生的气流经电磁阀5从定量取样芯片的接口9流进，经过负压生成器14生成负压差ΔP。负压通过疏水阀19直接作用于出口工作通道13；同时负压经取样芯片的接口8和电磁阀4流出，再从取样芯片的接口7流入，通过疏水阀17作用到入口工作通道12，以避免各控制通道内空气经疏水阀17进入取样腔室20，影响取样精度，如果试样中有气体也可从疏水阀17排出。单向阀15、16利用0.25mm厚硅胶弹性膜构建。工作原理是当流体正向流动时，能够用较小的驱动压力打开单向阀；当流体反向流动时，由于单向阀的自锁作用，即在一定驱动压力范围内，不管驱动压力多大，都无法将单向阀打开。在本定量进样系统中，流体由左向右流动是正向流动，由右向左流动是反向流动，如图3(a-b)所示。通过实验验证得到单向阀的正向阻力为0.2Kpa。在工作通道中由于负压的作用，克服单向阀15的正向阻力，使单向阀15打开，单向阀16关闭，试样从入口6经过单向阀15被吸入取样腔室，单向阀16关闭能够避免外界气体进入芯片，破坏负压环境。气泵产生的气流在负压生成器14处利用伯努利效应产生的负压值小于疏水阀17和18的毛细压，所以液体试样不能穿过阀17进入第一控制通道21，起到将工作通道与控制通道相隔离的作用，当试样充满腔室并到达疏水阀18的位置后自动终止，完成定容积取样。
进样时，直接利用气泵产生的泵压作为驱动压力将定量试样推出定量取样腔室，推出定量取样芯片。设置PLC电磁阀时序控制，使电磁阀4、5关闭，电磁阀3打开。气泵产生的泵压通过电磁阀3经接口7、疏水阀17后直接作用于取样芯片中定量取样腔室的入口。此时由于反向压力作用在单向阀15上，单向阀15关闭，防止试样经过单向阀15流向入口工作通道12，影响取样精度。泵压高于疏水阀17、18的毛细压，所以试样在泵压的驱动下穿过疏水阀18，流向出口工作通道13。由于泵压低于疏水阀19的毛细压，所以试样不能进入第二控制通道22，会继续向下游流动。在泵压的驱动下，单向阀16打开，试样经单向阀16，流出出口10注入微流控芯片。
在进样时，利用脉宽调制技术，可对试样的流速进行精准调控。实施方式为:由PLC控制器2控制电磁阀3的开通与关闭时间。电磁阀打开时，出气口工作，气压推动液体试样向试样出口10移动；电磁阀关闭时，排气口与外界连通，气压释放，试样流动停止。通过在PLC一体机上设置电磁阀的开关时间和循环次数，即调整驱动时间的占空比和运行时间，可控制试样的流速。
对上述的取样与进样操作过程，针对20μl的试样进行了重复测试，18组进样试验结果如表1所列。除初次进样由于液体残留造成进样容积稍微偏低外，其余测量结果分布在19.67μl～19.82μl范围内，最大取样误差约为1.7％。整体结果较设计值20μl偏低是因为定量取样芯片在热粘合加工过程中，取样腔室产生稍微变形，深度变浅造成的，可在前期设计中略微增大腔室尺寸来进行补偿。
表1
Figure GDA0002963733900000061
进样时，在PLC控制器上设置电磁阀的开关时间和循环次数，调整泵压驱动时间的占空比和运行时间，对占空比-流率曲线进行标定。图5为不同占空比在单次压力脉冲作用下试样流量随时间变化曲线。响应时间约为0.002s左右，上升沿与下降沿约0.01s。在压力脉冲信号连续工作时，平均流率随驱动压力和占空比增加而增加，随试样粘度增加而下降。图6为占空比一定时驱动压力和粘度对平均流率的影响，图7为驱动压力一定时占空比对平均流率的影响。

Claims (8)

1.一种微流控进样系统，其特征在于，包括定量取样模块、气压驱动和控制模块、负压生成器(14)；所述定量取样模块包括试样池(11)、入口工作通道(12)、第一单向阀(15)、第一疏水阀(17)、定量取样腔室(20)、第二疏水阀(18)、第三疏水阀(19)、第二单向阀(16)、出口工作通道(13)；
所述试样池(11)通过入口工作通道(12)与定量取样腔室(20)进口端相连，所述入口工作通道(12)上设有第一单向阀(15)；所述定量取样腔室(20)出口端与出口工作通道(13)相连，所述出口工作通道上设有第二单向阀(16)；所述定量取样腔室(20)进口端和出口端分别设有第一疏水阀(17)和第二疏水阀(18)；所述第二疏水阀(18)与第二单向阀(16)之间设有第三疏水阀(19)；
所述气压驱动和控制模块通过第一控制通道(21)与第一疏水阀(17)相连，通过第二控制通道(22)与第三疏水阀(19)相连，通过第三控制通道(23)与负压生成器(14)气体入口(141)相连，所述负压生成器(14)负压出口(142)与第二控制通道(22)相连，气体出口(143)与外界大气连通；所述第一疏水阀(17)用于取样时，避免入口工作通道(12)中的试样进入第一控制通道(21)中；所述第三疏水阀(19)用于进样时，避免液体流入第二控制通道(22)，所述第一单向阀(15)、第二单向阀(16)的正向流向均为取样流动方向。
2.根据权利要求1所述的微流控进样系统，其特征在于，所述气压驱动和控制模块包括微型气泵(1)、第一电磁阀(3)、第二电磁阀(4)、第三电磁阀(5)、控制器(2)；
所述微型气泵(1)通过一路管路与第一控制通道(21)相连，该管路上设有第一电磁阀(3)；第一控制通道(21)与第二控制通道(22)通过一路管路相连，该管路上设有第二电磁阀(4)；所述微型气泵(1)通过另一端管路与第三控制通道(23)相连，该管路上设有第三电磁阀(5)；所述控制器(2)用于控制第一电磁阀(3)、第二电磁阀(4)、第三电磁阀(5)的启闭；取样时，所述第二电磁阀(4)、第三电磁阀(5)打开，第一电磁阀(3)关闭；进样时，所述第二电磁阀(4)、第三电磁阀(5)关闭，第一电磁阀(3)打开。
3.根据权利要求1所述的微流控进样系统，其特征在于，所述第一疏水阀(17)、第二疏水阀(18)的毛细压均小于第三疏水阀(19)的毛细压。
4.根据权利要求1所述的微流控进样系统，其特征在于，所述第一疏水阀(17)、第二疏水阀(18)的孔径均大于第三疏水阀(19)的孔径。
5.根据权利要求1所述的微流控进样系统，其特征在于，所述第一单向阀(15)、第二单向阀(16)均采用弹性膜制成。
6.根据权利要求5所述的微流控进样系统，其特征在于，所述第一单向阀(15)、第二单向阀(16)的弹性膜采用硅胶弹性膜。
7.根据权利要求1所述的微流控进样系统，其特征在于，所述负压生成器(14)的气体入口(141)端为渐缩形入口、气体出口(143)端为喇叭形出口；负压出口(142)端与气体入口(141)端相连端的壁长，要大于负压出口(142)与气体出口(143)端相连端的壁长。
8.根据权利要求2所述的微流控进样系统，其特征在于，所述控制器还用于控制第一电磁阀(3)、第二电磁阀(4)、第三电磁阀(5)的开关时间和循环次数，以调整驱动时间的占空比和运行时间，根据脉冲调制技术控制试样流率。
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