CN113030452B - 用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置，包括补偿液区、补偿通道区、检测区、待测液输送区、检测物收集区；补偿液区包括空腔以及空腔内的补偿液；补偿通道区包括微流体补偿通道、微通道网结构和若干阀门，微通道网结构上设有排气通道；检测物收集区用于将需要检测的微量液体通过毛细管作用吸收至微流体主通道内；待测液输送区包括微流体主通道和若干阀门；检测区设有微量液体的分析装置或分析电极。本发明通过设置微流体补偿装置，补偿液会在补偿通道的毛细管力作用下进入微流体主通道对待测液进行补充使待测液液面上升并进入检测区进行检测，由于微尺度效应，待测标志物将以缓慢的速度扩散到补偿溶液中，不影响最终检测的结果。

Description

用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种检测装置，尤其涉及一种用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置及其工作方法。

背景技术

可穿戴传感器可对人体生理信息动态、连续及实时地监控，在人类健康监测与诊断方面起重要作用。近年来，可穿戴式传感器越来越受到广泛关注。目前，可穿戴传感器大多只能监测如心跳、血压等物理信号，不能测出与人体健康状况更直接相关的生物分子层面的信息；而非侵入式人体生物液化学传感器的发展使得人体生物分子层面的动态监测成为可能。人体的生物液主要有：血液、组织液、眼泪、尿液、唾液和汗液。这些生物液含有与人体健康相关的丰富信息：通过血液分析可以确定红细胞、白细胞、血红蛋白、血小板的数量，确定是否存在贫血、感染性疾病以及血液系统疾病；唾液检测可以反映出口腔黏膜脱落细胞基因是否病变、癌变，或者伴有炎性表现，也可以进行一些特定抗体的筛查；汗液中含有各种无机离子、氨基酸、激素、蛋白质和多肽等分泌物，可评估人体电解质失衡程度、乳酸指数、汗液葡萄糖水平、脱水状况以及卡路里燃烧值。

用于生物液检测的可穿戴式传感器的重要优势是在检测过程中仅需采集微量液体，通常为微升级别。传统的血常规和肝功能检查，需要的血液量为3~5mL，而采用可穿戴式传感器仅需几百微升即可完成上述检测目标；对于汗液检测，采用可穿戴式生物液传感器只需要采集几百微升微量汗液就可以完成检测；对于唾液检测，仅需要2mL就能完成相关基因组检测，可有效评估自身的代谢能力、叶酸代谢能力、遗传病风险、营养需求和药物敏感反应等。

然而，生物液的采集和检测不一定是连续进行的；即使是连续进行，所需的时间也有可能超过几分钟甚至十几分钟。这期间，采集的液体会受到蒸发作用，尤其是对于微量液体，蒸发效率更快，文献资料表明，在温度20℃、空气相对湿度73%、无风的室内，一滴呈正常形态的水完全蒸发仅需三分钟。因此，在检测过程中，溶质的量是不变的，溶液的量却在随着时间而慢慢减少，微量液体的蒸发会导致生物标志物的检测浓度值明显偏高，甚至完全不符合实际情况。这种微量液体的蒸发效应是微量液体分析的重要难题之一。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置及其工作方法，以克服由于蒸发效应使测得的生物标志物浓度过高的问题，大大提高微量液体的分析精度。

技术方案：本发明的用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置，包括补偿液区、补偿通道区、检测区、待测液输送区、检测物收集区；

所述补偿液区包括空腔以及空腔内的补偿液；

所述补偿通道区包括微流体补偿通道、微通道网结构和若干阀门，所述微流体补偿通道分别连接空腔和微流体主通道；所述微通道网结构上设有排气通道；

所述检测物收集区用于将需要检测的微量液体通过毛细管作用吸收至微流体主通道内；

所述待测液输送区包括微流体主通道和若干阀门；

所述检测区设有微量液体的分析装置或分析电极。

进一步地，所述补偿通道区上的阀门数量为三个，分别为微流体补偿通道左右两端的阀门一、阀门二，以及排气通道上的阀门三。

进一步地，所述待测液输送区上的阀门数量为两个，分别设于微流体主通道与检测区和检测物收集区连接处的阀门四和阀门五。

进一步地，所述微流体补偿通道和微流体主通道的制作材料包括有机材料PDMS、PMMA、PET，并在通道内壁涂有聚乙烯醇。

进一步地，所述微流体补偿通道的尺寸为10μm-20μm。

进一步地，所述微流体主通道的尺寸为100μm-300μm。

进一步地，所述分析装置或分析电极的分析方法包括电化学法、比色法和荧光法。

进一步地，所述补偿液为去离子水。

本发明的一种用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置的工作方法，包括以下步骤：

（1）将装置依次进行连接安装，所有阀门处于关闭状态；

（2）在补充液区加入补偿液，并根据检测时间适当调整补偿液的量；

（3）在检测物收集区进行检测液体的收集，打开阀门四和阀门五，在微流体主通道内毛细管力作用下待测液被送至检测区域，关闭阀门五；

（4）初始状态为去补偿液和待测溶液分别堵在阀门一、阀门二处，打开阀门三，使得微通道内的空气可以由阀门三排出；之后同时打开阀门一和阀门二，两侧液体在毛细管力作用下从两端向中间自发流动，补偿液和待测液在微通道网结构处相遇，当观察到两溶液相遇于网结构区域时，关闭阀门三；

（5）保持阀门一和阀门二打开，检测区内的待测液蒸发，补偿液在毛细管作用下不断地对其进行补偿；开始进行检测，直至检测结束；

（6）待检测结束后进行装置的清洗，完毕后，向微流体主通道的入口通入高纯氮气，将清洗液分别从出口一、出口二和出口三排出，静置干燥，干燥后妥善保存或者继续进行下一次检测。

进一步地，步骤（2）中，所述补偿液的量是待测液的5-10倍。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

（1）本发明采用的涂有聚乙烯醇的PDMS材料作为微流通道，其亲水性良好能够很好的被液体润湿，通道可以很好的锁住检测液与补偿液，便于其流动送至检测区。

（2）本发明采用微通道网结构，可有效排出与补偿液区域相连的左端补偿通道内的空气，并且与右端补偿通道内的液体可靠联通。使用微通道网结构能够减少许多操作与技术上的难题。而微通道网结构因其内部呈网状，毛细管力要大于微流通道，更有助于将补偿液和待测液吸入，既能快捷的将补偿通道内的气体排出，又可以使补偿液和待测液在补偿通道内接触联通，且不需要设置过多的阀门来配合操作，省去了过多复杂的操作步骤。在网结构与补偿通道本身的毛细管力的共同作用下能够快捷地将通道内和阀门内的空气排尽，节省了时间，进一步能够及时对少量的待测液蒸发进行补偿，提高检测的实时性。同时不会因管内空气的存在使检测液内混入其余的杂质而引起待测标志物浓度的改变，减小了检测的误差。

（3）本发明中测液输送区中的微流体主通道的尺寸为几十到数百微米级(100-300微米为优选尺寸)，而补偿通道区中微流体补偿通道的尺寸为几微米至几十微米（10-20微米为优选尺寸），由于微尺度效应，主通道中待测标志物向补偿通道内扩散的速度极其缓慢；而补偿通道中的去离子水在毛细管力作用下可不断流向待测液输送区的主通道内，进而起到蒸发补偿的作用，提高了待测标志物的检测精度。

附图说明

图1为用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置的结构示意图；

图2为图1中区域1补偿液区的放大图；

图3为图1中区域2补偿通道区的放大图；

图4为图1中区域3检测液输送及反应区以及区域4检测物收集区的放大图；

图5中的（a）至（e）为联通补偿液与检测液和排出补偿通道空气示意图；

图6为光刻制作微流控通道的简易流程图；

图7中的（a）至（d）为清洗具体操作示意图；

附图标记：1、补偿液区，2、补偿通道区，3、检测区，4、待测液输送区，5、检测物收集区，6、去离子水，7、空腔，8、阀门一，9、阀门二，10、阀门三，11、空气，12、微通道网结构，13、微流体主通道，14、微检测装置，15、微流体补偿通道，16、阀门四，17、阀门五，18、旋涂操作，19、SU-8光刻胶，20、基底，21、玻璃掩膜板，22、曝光区，23、紫外光束，24、SU-8光刻胶，25、挡板，26、PDMS，27、PDMS通道，28、入口，29、出口一，30、出口二，31、出口三，32、排气通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明的一种用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置包括：补偿液区1，补偿通道区2，检测区3，待测液输送区4，检测物收集区5。

补偿液区，图2所示，包含液体存储空腔及空腔内的去离子水（去离子水的量约为微量检测液体的5-10倍以上），实时对待测液进行补偿，进而减小因检测液蒸发造成的检测误差。

补偿通道区，图3所示，为补偿液与检测液的交汇区域，在毛细管力的作用下，排出该区域的空气，补偿液与检测液在该区域交汇。两种液体在通道中交汇时，需要排出通道中空气才能顺利交汇，通过引入三个微阀与微通道网结构，提高两种液体交汇时的容错性，实现补偿液与检测液的顺利交汇。微流体补偿通道，利用毛细管力将补偿液送至微流体主通道，对因蒸发而造成的液面下降进行补偿。同时，在微尺度效应下，主通道内的待测标志物向补偿通道的扩散速度极其缓慢，对检测结果产生的影响几乎可以忽略。补偿通道的尺寸为几微米到数十微米。所谓微尺度效应是指：在微尺度环境下，流体粘性力作用大大增强，惯性力作用大大减弱，物质扩散速度明显降低。

待测液体收集区，图4所示，用于将需要检测的微量液体通过毛细管作用吸收至微流体通道内。

待测液输送区，图4所示，其功能是将待测微量液体通过毛细管力输送至检测区。该区域包含了微流体主通道，能够利用毛细管力将待测液体运送至检测区。主通道的尺寸为几十微米到数百微米。

检测区，图4所示，设有微量液体的分析装置或者分析电极，其功能是对待测微量液体的成分进行分析，分析方法包括但不限于电化学法、比色法、荧光法等。

实施例1微通道的制作方法

所有的微通道可采用精密加工、3D打印及光刻等技术制作，本专利优选制作方法为光刻法；微通道的制作材料选用有机材料PDMS，制作方法如图6所示：首先将SU-8光刻胶旋涂在基底上方并进行曝光前烘（步骤①）；之后将事先做好的掩模板放置在光刻胶上方，并进行紫外曝光（步骤②）；曝光后烘后，用显影液对其进行显影并坚模，得到阳模（步骤③）；在基底四周固定挡板，使得后一步浇筑的PDMS不会流出（步骤④）；向挡板中按照体积比10:1浇筑PDMS和预固剂，70℃烘1小时（步骤⑤）；待PDMS冷却后将其从阳模上剥离出来，即可得到微流控通道（步骤⑥）。

只有通道亲水性是亲水的（即水接触角小于90°）才能使得液体在毛细管力作用下自发移动；而部分有机材料是疏水的（即水接触角大于90°），液体不能在微通道中自发移动，因而需要对微通道进行亲水处理。对于PDMS材料制备的微流通道，在其内壁涂覆一层聚乙烯醇可显著提高通道的亲水性。

实施例2工作方法

1、清洗的具体方法：

（1）拆下补偿液区域和检测液吸收区。将检测结束后装有补偿液的空腔从阀门一8处拆下，后将剩余的装置与检测液吸收区分离。

（2）清洗液冲洗。从图7所示的入口处通入去离子水使其能够从出口一29、出口二30和出口三31溢出，一般冲洗两到三次。（关闭阀门三10和阀门四16，打开阀门一8和阀门二9，如图7（b）所示，从入口通去离子水清洗与出口三31联通的通道；关闭阀门一8和阀门四16，打开阀门二9和阀门三10，如图7（c）所示，清洗与出口二30联通的通道；关闭阀门二9，打开阀门四16如图7（d）所示，清洗与出口一29联通的通道。）

（3）排出通道内清洗液。从入口处通入氮气，通氮气并重复上述第（2）步中阀门的配合操作，使氮气分别通过出口一29、出口二30和出口三31，能够将通道内的残留的清洗液排出。

2、完整工作方法如下：

（1）安装装置。将装置依次进行连接安装，如图1所示。

（2）收集适量待测液。在区域5进行检测物的收集并打开阀门四16和阀门五17。随后在微流体主通道内毛细管力作用下待测液被送至检测区域，当待测液到达检测区时，关闭阀门五17。

（3）联通补偿液与待测液并排出补偿通道内空气。一开始，去离子水和待测溶液堵在阀门一8和阀门二9处，如图5(a)所示。打开阀门一8、阀门二9和阀门三10后两侧液体从两端向中间扩散，如图5(b)(c)所示。如图5(d)所示即为去离子水和待测液在微通道网结构处相遇。当观察到两溶液相遇于网结构区域时，关闭阀门三10，如图5(e)所示，即完成排空气处理。（阀门黑色时为关闭状态，白色时为打开状态）

（4）开始检测。保持阀门一8和阀门二9打开，这时待测液会在检测区进行分析与检验。同时待测液一边蒸发，补偿液一边对其进行补偿直至检测的结束。

（5）清洗。待检测结束以后进行装置的清洗，拆下区域1的补偿液区域并将装置与检测液收集区分离，在保证阀门五17打开的前提下，关闭阀门三10和阀门四16，打开阀门一8和阀门二9，如图7（b）所示，从入口通去离子水清洗与出口三31联通的通道；关闭阀门一8和阀门四16，打开阀门二9和阀门三10，如图7（c）所示，清洗与出口二30联通的通道；关闭阀门二9，打开阀门四16如图7（d）所示，清洗与出口一29联通的通道。

完毕后，如图7（b）（c）（d）所示，朝微流体主通道的入口通入氮气，通氮气并重复第（5）步的阀门控制操作，将残留的清洗液分别从出口一29、出口二30和出口三31排出。

（6）干燥。排出清洗液后进行静置干燥，干燥后妥善保存或者继续进行下一次检测。（可以在下一次检测前在空腔内装入适量补偿液以免检测时因其量少影响正常使用）

本发明最核心的地方是图1、图2所示的微流体补偿装置。在准备工作全部结束以后进行检测时，由于检测区在检测时需要耗费时间，在这期间会有待测液的蒸发。因为待测液的量很少，些许的蒸发就会使微流体主通道内的待测液液面下降很多，液面下降后无法进入检测区域就不能进行实时的检测。这时只要保持阀门一8、阀门二9、阀门四16在打开状态，不需要进行其他任何操作，补偿液就会在补偿通道的毛细管力作用下进入微流体主通道对待测液进行补充使待测液液面上升并重新进入检测区进行检测。因为补偿通道尺寸的数量级是微米级或十微米级，而主通道尺寸的数量级为百位米级，两个通道的尺寸相差数十倍，由于微尺度效应，待测标志物将以极其缓慢的速度扩散到补偿溶液中，几乎不影响待测标志物的浓度进而不会影响到检测的结果。

Claims (7)

1.一种用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置，其特征在于，包括补偿液区（1）、补偿通道区（2）、检测区（3）、待测液输送区（4）、检测物收集区（5）；

所述补偿液区（1）包括空腔（7）以及空腔（7）内的补偿液（6）；

所述补偿通道区（2）包括微流体补偿通道（15）、微通道网结构（12）和若干阀门，所述微流体补偿通道（15）分别连接空腔（7）和微流体主通道（13）；所述微通道网结构（12）上设有排气通道（32）；

所述检测物收集区（5）用于将需要检测的微量液体通过毛细管作用吸收至微流体主通道（13）内；

所述待测液输送区（4）包括微流体主通道（13）和若干阀门；

所述检测区（3）设有微量液体的分析装置或分析电极；

所述补偿通道区（2）上的阀门数量为三个，分别为微流体补偿通道（15）左右两端的阀门一（8）、阀门二（9），以及排气通道（32）上的阀门三（10）；

所述微流体补偿通道（15）的尺寸为10μm-20μm；所述微流体主通道（13）的尺寸为100μm-300μm。

2.根据权利要求1所述的用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置，其特征在于，所述待测液输送区（4）上的阀门数量为两个，分别设于微流体主通道（13）与检测区（3）和检测物收集区（5）连接处的阀门四（16）和阀门五（17）。

3.根据权利要求1所述的用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置，其特征在于，所述微流体补偿通道（15）和微流体主通道（13）的制作材料包括有机材料PDMS、PMMA、PET，并在通道内壁涂有聚乙烯醇。

4.根据权利要求1所述的用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置，其特征在于，所述分析装置或分析电极的分析方法包括电化学法、比色法和荧光法。

5.根据权利要求1所述的用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置，其特征在于，所述补偿液（6）为去离子水。

6.一种权利要求2所述的用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将装置依次进行连接安装，所有阀门处于关闭状态；

（2）在补偿液区（1）加入补偿液，并根据检测时间适当调整补偿液的量；

（3）在检测物收集区（5）进行检测液体的收集，打开阀门四（16）和阀门五（17），在微流体主通道（13）内毛细管力作用下待测液被送至检测区域，关闭阀门五（17）；

（4）初始状态为去补偿液和待测溶液分别堵在阀门一（8）、阀门二（9）处，打开阀门三（10），使得微通道内的空气可以由阀门三（10）排出；之后同时打开阀门一（8）和阀门二（9），两侧液体在毛细管力作用下从两端向中间自发流动，补偿液和待测液在微通道网结构（12）处相遇，当观察到两溶液相遇于网结构区域时，关闭阀门三（10）；

（5）保持阀门一（8）和阀门二（9）打开，检测区（3）内的待测液蒸发，补偿液在毛细管作用下不断地对其进行补偿；开始进行检测，直至检测结束；

（6）待检测结束后进行装置的清洗，完毕后，向微流体主通道（13）的入口通入高纯氮气，将清洗液分别从出口一（29）、出口二（30）和出口三（31）排出，静置干燥，干燥后妥善保存或者继续进行下一次检测。

7.根据权利要求6所述的用于微量液体分析的蒸发效应补偿装置的工作方法，其特征在于，步骤（2）中，所述补偿液的量是待测液的5-10倍。

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