CN111190447A - 一种微流体多温区温度控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微流体多温区温度控制系统，包括：耐温软管、微流芯片、微型液体池、加热制冷单元、控制单元和蠕动泵；其中微流芯片包括上下叠放的上基片和用于对上基片中的反应液进行温控的下基片，下基片内设置有N个液流通道，N≥2；所述微型液体池、蠕动泵和液流通道通过耐温软管连接构成第一微流支路，所述微型液体池和液流通道还通过耐温软管连接构成第二微流支路，第一微流支路和第二微流支路构成闭环微流环路，加热制冷单元设置在微型液体池的下方，控制单元和加热制冷单元、蠕动泵均连接。本发明的N个液流通道可实现微流体的多温区温度控制，液流通道的数量可扩增裁剪，使得温度控制精度高、通用性强，且操作简单。

Description

一种微流体多温区温度控制系统与方法

技术领域

本发明涉及微流控流体控制技术领域，特别是涉及一种微流体多温区温度控制系统与方法。

背景技术

目前在材料制备时采取的聚合物模板法、高温水解法等可以得到性质较好的材料，但是大多需要较高的温度(200℃)，限制了很多溶剂和试剂的使用，且传统方法在制备核壳结构、异质结构、多级结构等材料方面仍面临巨大挑战。基于微流体的合成方法可以实现反应条件的精确控制，对压力、温度等条件的精确控制可调控制备材料的尺寸、结构及组成等。微流体技术广泛应用于化学合成、纳米材料制备、细胞分选、基因分析、聚合酶链反应等领域。对于微流体的温度梯度控制及多通道同时温度控制对材料制备、条件筛选有着重要意义。

在微流体温度控制技术中，多借助于油浴、水浴、烘箱、平台或冷箱等方式。这些设备通常体积较大、笨重、温度精度差，而且不利于在线监测。还有的将微流体反应器安装在电加热器上，虽然加热均匀、体积小、成本低，但其加热体不与微流体充分接触，控温准确度略低，且无法实现多温区控制。另外，还有采用金属薄膜作为加热器和温度传感器的应用，该类应用需要仔细调校方可达到较好的温控效果，通用性差。

发明内容

针对现有技术存在的微流体温度控制技术采用温控设备体积大、不利于集成操作，或者温度控制精度不高和无法实现多通道温度控制的缺点，设计了一种操作简单、可扩增裁剪、温度控制精度高、通用性强的微流体多温区温度控制系统与方法。

本申请的具体方案如下：

一种微流体多温区温度控制系统，包括：耐温软管、微流芯片、微型液体池、加热制冷单元、控制单元和蠕动泵；其中微流芯片包括上下叠放的上基片和用于对上基片中的反应液进行温控的下基片，下基片内设置有N个液流通道，N≥2；所述微型液体池、蠕动泵和液流通道通过耐温软管连接构成第一微流支路，所述微型液体池和液流通道还通过耐温软管连接构成第二微流支路，第一微流支路和第二微流支路构成闭环微流环路，加热制冷单元设置在微型液体池的下方，控制单元和加热制冷单元、蠕动泵均连接，所述微型液体池内盛装有低粘度的液体，所述微型液体池内设置有温度传感器，所述温度传感器和控制单元连接。

优选地，所述微型液体池为N个，所述耐温软管为2N个，所述加热制冷单元为N个。

优选地，N＝3，所述蠕动泵为多通道蠕动泵，所述耐温软管C1、耐温软管C2、耐温软管C3均安装在所述多通道蠕动泵上，耐温软管C1一端与微型液体池A3连接，另一端与液流通道D1连接，耐温软管C4一端与微型液体池A3连接、另一端与液流通道D1连接；耐温软管C2一端与微型液体池A2连接，另一端与液流通道D2连接，耐温软管C5一端与微型液体池A2连接、另一端与液流通道D2连接；耐温软管C3一端与微型液体池A1连接，另一端与液流通道D3连接，耐温软管C6一端与微型液体池A1连接、另一端与液流通道D3连接。

优选地，耐温软管C1一端、耐温软管C2一端、耐温软管C3一端分别置于微型液体池A3、微型液体池A2、微型液体池A1中，耐温软管C1另一端、耐温软管C2另一端、耐温软管C3另一端通过中空金属插针插分别连接至液流通道D1的进样口、液流通道D2的进样口、液流通道D3的进样口；耐温软管C4一端、耐温软管C5一端、耐温软管C6一端分别置于微型液体池A3、微型液体池A2、微型液体池A1中，耐温软管C4另一端、耐温软管C5另一端、耐温软管C6另一端通过中空金属插针插分别连接至液流通道D1的出样口、液流通道D2的出样口、液流通道D3的出样口。

优选地，所述液流通道为深度大于宽度，所述液流通道的形状可为直线、U形或蛇形。

优选地，所述加热制冷单元为半导体制冷片。

优选地，所述微流芯片还包括薄膜，所述薄膜设置在上基片和下基片的中间。

优选地，所述微型液体池内的液体的深度大于温度传感器的安装高度。

优选地，所述微型液体池内盛装有水或轻质油。

一种微流体多温区温度控制方法，包括：

S1，用户通过控制单元设定微流通道要达到的温度；

S2，控制单元根据温度传感器采集的数据输出控制指令至加热制冷单元；

S3，加热制冷单元通过控制指令对微型液体池内的液体进行温度控制；

S4，待微型液体池内的液体达到用户设定的温度后，控制单元开启蠕动泵，蠕动泵使微型液体池内的液体在闭环微流环路中流动，液体充满微流通道。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的微流芯片中的下基片内设置有N个液流通道，当微型液体池中盛装有低粘度的液体后，需要对微流芯片中的上基片中的反应液进行温控时，控制单元开启蠕动泵，蠕动泵使微型液体池内的液体在闭环微流环路中流动，液体充满微流通道，本发明的N个液流通道可实现微流体的多温区温度控制，液流通道的数量可扩增裁剪，使得温度控制精度高、通用性强，且操作简单，体积小。

附图说明

图1为本发明的微流体多温区温度控制系统的示意性结构图；

图2为本发明的微流芯片的示意性结构图；

图3为本发明的微流体多温区温度控制方法的示意性流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1、一种微流体多温区温度控制系统，包括：耐温软管(C1、C2、C3、C4、C5、C6)、微流芯片、微型液体池(A1、A2、A3)、加热制冷单元、控制单元F和蠕动泵；其中微流芯片包括上下叠放的上基片G和用于对上基片G中的反应液进行温控的下基片D，下基片D内设置有N个液流通道，N≥2；所述微型液体池、蠕动泵和液流通道通过耐温软管连接构成第一微流支路，所述微型液体池和液流通道还通过耐温软管连接构成第二微流支路，第一微流支路和第二微流支路构成闭环微流环路，加热制冷单元设置在微型液体池的下方，控制单元F和加热制冷单元、蠕动泵均连接，所述微型液体池内盛装有低粘度的液体，所述微型液体池内设置有温度传感器，所述温度传感器和控制单元F连接。

在本实施例，N＝3，所述蠕动泵为多通道多通道蠕动泵E，所述耐温软管C1、耐温软管C2、耐温软管C3均安装在所述多通道蠕动泵上，耐温软管C1一端与微型液体池A3连接，另一端与液流通道D1连接，耐温软管C4一端与微型液体池A3连接、另一端与液流通道D1连接；耐温软管C2一端与微型液体池A2连接，另一端与液流通道D2连接，耐温软管C5一端与微型液体池A2连接、另一端与液流通道D2连接；耐温软管C3一端与微型液体池A1连接，另一端与液流通道D3连接，耐温软管C6一端与微型液体池A1连接、另一端与液流通道D3连接。

更进一步地，耐温软管C1一端、耐温软管C2一端、耐温软管C3一端分别置于微型液体池A3、微型液体池A2、微型液体池A1中，耐温软管C1另一端、耐温软管C2另一端、耐温软管C3另一端通过中空金属插针插分别连接至液流通道D1的进样口、液流通道D2的进样口、液流通道D3的进样口；耐温软管C4一端、耐温软管C5一端、耐温软管C6一端分别置于微型液体池A3、微型液体池A2、微型液体池A1中，耐温软管C4另一端、耐温软管C5另一端、耐温软管C6另一端通过中空金属插针插分别连接至液流通道D1的出样口、液流通道D2的出样口、液流通道D3的出样口。所有的耐温软管均通过中空金属插针插入液流通道的进样口及出样口。

在本实施例，所述液流通道的宽度、深度在几十微米左右，为了降低通道压力，取深度大于宽度。所述液流通道的形状可为U形。液流通道数量、尺寸根据应用可以增减。其中，见图2所示,所述下基片D位于上基片G的下底部，两层之间有一层薄的隔膜H，液流通道的形状与上基片G中微流体反应液通道形状相关，上基片G中的微流体反应液通道中盛装有反应液G1。

在本实施例，所述加热制冷单元为半导体制冷片B1、半导体制冷片B2和半导体制冷片B3。半导体制冷片B1、半导体制冷片B2和半导体制冷片B3分别放置在微型液体池A1、微型液体池A2和微型液体池A3的下面。

在本实施例，所述控制单元F上设置有按键、LCD显示屏、指示灯，所述按键，用于对温度的设置及蠕动泵转速的控制，所述LCD显示屏，用于观察实时温度和设定的参数信息。

在本实施例，所述微型液体池内的液体的深度大于温度传感器的安装高度。

在本实施例，所述微型液体池内盛装有轻质油。

参见图3、适用上述微流体多温区温度控制系统一种微流体多温区温度控制方法，包括：

S1，用户通过控制单元F设定微流通道要达到的温度；

S2，控制单元F根据温度传感器采集的数据输出控制指令至加热制冷单元；

S3，加热制冷单元通过控制指令对微型液体池内的液体进行温度控制；通过控制单元可对微型液体池内的液体加热或制冷，控制单元通过PID算法实现温度的精准控制。

S4，待微型液体池内的液体达到用户设定的温度后，控制单元F开启蠕动泵，蠕动泵使微型液体池内的液体在闭环微流环路中流动，液体充满微流通道，并且观察微流通道的液体快速吸入、排出。控制单元检测所有微流通道达到用户设定的温度后开启指示灯，实验人员可以开始正常实验。

其中需要预先在微型液体池中注入适量液体，使液体淹没温度传感器；

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种微流体多温区温度控制系统，其特征在于，包括：耐温软管、微流芯片、微型液体池、加热制冷单元、控制单元和蠕动泵；其中微流芯片包括上下叠放的上基片和用于对上基片中的反应液进行温控的下基片，下基片内设置有N个液流通道，N≥2；

所述微型液体池、蠕动泵和液流通道通过耐温软管连接构成第一微流支路，所述微型液体池和液流通道还通过耐温软管连接构成第二微流支路，第一微流支路和第二微流支路构成闭环微流环路，加热制冷单元设置在微型液体池的下方，控制单元和加热制冷单元、蠕动泵均连接，所述微型液体池内盛装有低粘度的液体，所述微型液体池内设置有温度传感器，所述温度传感器和控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的微流体多温区温度控制系统，其特征在于，所述微型液体池为N个，所述耐温软管为2N个，所述加热制冷单元为N个。

3.根据权利要求2所述的微流体多温区温度控制系统，其特征在于，N＝3，所述蠕动泵为多通道蠕动泵，所述耐温软管C1、耐温软管C2、耐温软管C3均安装在所述多通道蠕动泵上，耐温软管C1一端与微型液体池A3连接，另一端与液流通道D1连接，耐温软管C4一端与微型液体池A3连接、另一端与液流通道D1连接；耐温软管C2一端与微型液体池A2连接，另一端与液流通道D2连接，耐温软管C5一端与微型液体池A2连接、另一端与液流通道D2连接；耐温软管C3一端与微型液体池A1连接，另一端与液流通道D3连接，耐温软管C6一端与微型液体池A1连接、另一端与液流通道D3连接。

4.根据权利要求3所述的微流体多温区温度控制系统，其特征在于，耐温软管C1一端、耐温软管C2一端、耐温软管C3一端分别置于微型液体池A3、微型液体池A2、微型液体池A1中，耐温软管C1另一端、耐温软管C2另一端、耐温软管C3另一端通过中空金属插针插分别连接至液流通道D1的进样口、液流通道D2的进样口、液流通道D3的进样口；

耐温软管C4一端、耐温软管C5一端、耐温软管C6一端分别置于微型液体池A3、微型液体池A2、微型液体池A1中，耐温软管C4另一端、耐温软管C5另一端、耐温软管C6另一端通过中空金属插针插分别连接至液流通道D1的出样口、液流通道D2的出样口、液流通道D3的出样口。

5.根据权利要求1所述的微流体多温区温度控制系统，其特征在于，所述液流通道为深度大于宽度，所述液流通道的形状可为直线、U形或蛇形。

6.根据权利要求1所述的微流体多温区温度控制系统，其特征在于，所述加热制冷单元为半导体制冷片。

7.根据权利要求1所述的微流体多温区温度控制系统，其特征在于，所述微流芯片还包括薄膜，所述薄膜设置在上基片和下基片的中间。

8.根据权利要求1所述的微流体多温区温度控制系统，其特征在于，所述微型液体池内的液体的深度大于温度传感器的安装高度。

9.根据权利要求1所述的微流体多温区温度控制系统，其特征在于，所述微型液体池内盛装有水或轻质油。

10.一种微流体多温区温度控制方法，其特征在于，包括：

S1，用户通过控制单元设定微流通道要达到的温度；

S2，控制单元根据温度传感器采集的数据输出控制指令至加热制冷单元；

S3，加热制冷单元通过控制指令对微型液体池内的液体进行温度控制；

S4，待微型液体池内的液体达到用户设定的温度后，控制单元开启蠕动泵，蠕动泵使微型液体池内的液体在闭环微流环路中流动，液体充满微流通道。

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