CN113996357A - 微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置 - Google Patents

微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，属于微流控芯片控制液体定向流动领域。本发明包括微流控芯片，加热装置。通过加热电源对芯片中的加热微管道进行加热，通过调节电压实现对芯片微流体管道中的温度控制，使得加热管道壁面温度呈预定空间分布，即能够对微流体芯片内微流体管道的流场及温度进行有效地控制。在此基础上，通过调节限制加热管道和微流体管道的几何位置结构，加热管道和微流体管道皆为周期性几何结构，使加热管道与微流体管道最宽流道的中心位置的相位差为π/2，进而调控液体在微流体管道内的流动，实现控制液体定向流动。本发明能够用于对于单细胞尺度(即微米尺度)的温度控制。

Description

微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置
技术领域
本发明属于微流控芯片控制液体定向流动领域，涉及一种微流控芯片内部物理环境的液体定向流动控制装置。
背景技术
微流控技术是近年来兴起的主要应用于生物医学领域的技术，尤其是集成式的微流控装置，将流动控制与温度控制等其他功能模块集成设计并囊括至一块芯片内，实现了生物医学组分的高效制备与调控，在该领域有巨大的应用和发展价值。芯片的内嵌加热系统可实现例如PCR、细胞加热等功能，同时，在流体力学理论研究领域，对于容器壁面的加热可导致流体的Rayleigh-Benard不稳定的产生，在流场内形成具有一定图纹的涡流分布，因此加热技术在一定程度上可控制液体的流动，对于基础流体研究领域也同样重要。常用的加热方法包括了基于焦耳热效应的加热，微波加热等。例如Vigolo在微流控芯片中，在所需加热的管道周围围绕了含有液态金属的加热管道，实现了所需加热管道的均匀加热。Shah通过微波的方式在毫米管道内实现了温度梯度，且温度变化距离在毫米尺度。以上方法虽然实现了流道内温度的控制，但控制技术限于均匀加热，或尺度较大的温度分布，难以实现微尺度空间分辨率的温度分布调控。随着分子生物学的发展，对于单细胞尺度的物理调控技术提出了更高要求，现有的微流控内嵌控温技术难以满足微尺度单细胞温度调控，同时也难以满足由微尺度温度空间分布引起的流体力学现象的研究。
与此同时，微管道内的流体驱动技术，是一切微流控技术的必要组成部分。现有的流体驱动技术集中在压力驱动和流量驱动，相应的会运用压力泵和流量泵。但泵送技术往往具有造价较高、设备质量和体积过大等缺点，使得微通道内的液体驱动技术多局限于实验室，难以实现便携化普及。
发明内容
为了解决微尺度下的物理调控中可能出现的技术问题，本发明公开的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，通过调节电压实现对芯片微流体管道中的温度控制，使得管道壁面温度呈预定空间分布，即能够对微流体芯片内微流体管道的流场及温度进行有效地控制。与此同时，通过调节限制管道壁面和微流体管道的几何位置结构，使具有周期性变化，进而调控液体在管道中的流动，实现控制液体定向流动。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明公开的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，包括微流控芯片，加热装置。通过加热电源对芯片中的微流体管道进行加热，通过调节电压实现对芯片微流体管道中的温度控制，使得加热管道壁面温度呈预定空间分布，即能够对微流体芯片内微流体管道的流场及温度进行有效地控制。在此基础上，通过调节限制加热管道和微流体管道的几何位置结构，使具有周期性变化，进而调控液体在微通道管道内中的流动，实现控制液体定向流动。
作为优选，调节限制加热管道和微流体管道的几何位置结构，使具有周期性变化，进而调控液体在管道中的流动，实现控制液体定向流动，具体结构和实现方法为：加热管道和微流体管道皆为周期性几何结构。当所述加热管道最高温度值的位置与微流体管道最宽流道的位置具有相位差，流体在涡流的附近同时存在一部分的定向流动。通过调节所述相位调控液体定向流动增减、出现或消除。若加热管道最高温度值的位置与微流体管道最宽流道的位置之间不存在相位差，在微流体管道内，流体产生占据整个流道的涡流的流场分布，从而没有流体的定向流动。因此，调节限制加热管道壁面和微流体管道的几何位置结构，使加热管道与微流体管道最宽流道的位置的相位差为π/2，在微流体管道中，少数涡流只出现在管道的上半部分，而在微流体管道的下半部分，流体呈由入口至出口的定向流动，并无涡流分布，即调控液体在微流体管道内中的流动，实现控制液体定向流动。
作为优选，在加热管道周期性变化的情况下，液体管道壁面的温度分布也呈现对应的周期性变化，在加热管道的加热作用下，通过控制微流体管道内的流体的温度，实现微纳米尺度下的流体温度控制。
作为优选，利用所述微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，为各种需要温度环境下的微纳米尺度下的生物化学反应提供反应环境，根据反应环境需求，调节限制加热管道和微流体管道的几何位置结构或者改变电源电压，进而调控液体在微流体管道内中的流动，实现控制液体定向流动。
作为优选，所述微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置制作及工作方法为：
步骤一：根据微纳米尺度下的生物化学反应提供反应环境需求，设计微流控芯片内管道的结构，使具有周期性变化。按照设计微流控芯片内管道的结构制作掩膜，制作得到含有设计的微流控芯片内管道结构的硅片。通过倒模的方式将硅片的图案印制，成为微流控芯片PDMS管道，而后将其切割，并利用等离子处理技术将其与玻璃片键合得到所需结构的微流体芯片。
步骤二：将微流体芯片与加热装置结合。加热管道和微流体通道皆为周期性几何结构。将整个微流体芯片放置于加热盘之上，将液态合金(常温下固体)注入至加热管道入口处。合金液态化并流入加热管道内部，待液体合金从加热管道出口处冒出时，将整个微流控芯片移出加热盘，并将导线插入至加热管道入口与出口处，与合金接触，在合金冷却的过程中，导线也与固化的合金进行相连，最后将导线与加热电源正负极相连，便完成微流体芯片和加热装置的结合，即制作出所述微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，包括微流控芯片及加热装置。所述微流控芯片内包含加热管道和被加热的流体流动微管道。加热管道内注入液态金属等导电性优良的液体，被加热的微流体管道内注入被加热的流体。加热管道的入口和出口通过导线与加热电源连接，开通电源并设置电压或电流，使得加热管道中的金属通过焦耳效应释放热能，从而对被加热管道进行加热，从而有效控制微流体芯片中被加热的微流体管道内流体的温度。根据反应环境需求，在步骤一设计微流控芯片内管道的结构时，预先调节限制加热管道壁面和微流体管道的几何位置结构，结合改变电源电压，调控液体在微通道管道内中的流动，实现控制液体定向流动。
作为优选，随着微流体管道最宽处长度占比的增加呈现负指数幂的规律减小,得到流量v与管道最宽处长度占比λ的关系:v～λ-2.813。因此，得到流量v与加热电源热耗率P和微流体管道最宽处的长度占比λ的关系：v～Pλ-2.813，在改变电源热耗率以及微流体管道内最宽处长度占比时，通过此关系对微流体管道内的流体流量进行初步的预测。
有益效果：
1、本发明公开的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，通过加热电源对芯片中的微流体管道进行加热，通过调节电压实现对芯片微流体管道中的温度控制，使得微流体管道壁面温度呈预定空间分布，即能够对微流体芯片内微流体管道的流场及温度进行有效地控制。在此基础上，通过调节限制加热管道和微流体管道的几何位置结构，使具有周期性变化，进而调控液体在微通道管道内中的流动，实现控制液体定向流动和空间微尺度分辨率的温度分布，能够用于对于单细胞尺度(即微米尺度)的温度控制。
2、本发明公开的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，根据反应环境需求，在设计微流控芯片内管道的结构时，预先调节限制加热管道和微流体管道的几何位置结构，结合改变电源电压，调控液体在微通道管道内中的流动，实现控制液体定向流动。
3、本发明公开的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，加热管道和微流体通道皆为周期性几何结构；当所述加热管道最高温度值的位置与微流体管道最宽流道的位置具有相位差，流体在涡流的附近同时存在一部分的定向流动。通过调节所述相位调控液体定向流动增减、出现或消除。若加热管道最高温度值的位置与微流体管道最宽流道的位置之间不存在相位差，在微流体管道内，流体产生占据整个流道的涡流的流场分布，从而没有流体的定向流动。通过大量实验总结和理论推导进一步获取如下调控方法：调节限制加热管道壁面和微流体管道的几何位置结构，使加热管道与微流体管道最宽处的中心位置的相位差为π/2，在微流体管道中，少数涡流只出现在管道的上半部分，而在微流体管道的下半部分，流体呈由入口至出口的定向流动，并无涡流分布，即调控液体在微通道管道内中的流动，实现控制液体定向流动。
4、本发明公开的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，灌注液态金属的温度控制管道，与灌注被加热液体的被加热管道，均为微流控芯片内的管道，在设计、制造方面简单易操作。
5、本发明公开的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，通过温度分布的控制和管道结构的上述改进设计，实现微流体管道内流场的定量控制，并实现管道液体定向流动，使管道出入口具有净流量。
附图说明
图1为微流控芯片中温度控制装置示意图。
图2为微流体芯片在有限元中的模型。
图3为微流体芯片模型俯视图局部示意图。
图4为微流体芯片中微流体管道的流场有限元计算结果。
图5为微流体芯片中微流体管道的壁面温度分布的有限元计算结果。
图中：1-加热管道入口，2-加热管道，3-加热管道出口，4-微流体管道出口，5-微流体管道入口，6-微流体管道，7-PDMS，8-等离子键合所用玻璃片，9-加热导线，10-加热电源。1、2、3、4、5、6、7组成微流体芯片。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置的制作方法为：
步骤一：微流体芯片的制备。
根据微纳米尺度下的生物化学反应提供反应环境需求，在AutoCAD等图片设计软件中设计微流控芯片内管道的结构，使具有周期性变化。而后按照设计图制作软光刻技术所需的掩膜，并通过软光刻技术制作得到含有该管道设计的硅片。通过倒模的方式，将硅片的图案印制，成为PDMS管道，而后将其切割，并利用等离子处理技术将其与玻璃片键合得到所需结构的微流体芯片。
步骤二：将微流体芯片与加热装置结合。将整个微流体芯片放置于加热盘之上，将液态合金(常温下固体)注入至加热管道入口1处，而后进行加热。可见合金液态化并流入加热管道2内，待液体合金从加热管道出口3处冒出时，将整个芯片移出加热盘，并将导线插入至加热管道入口1与加热管道出口3处，与合金接触，在合金冷却的过程中，导线也与固化的合金进行相连，最后将导线与加热电源10正负极相连，便完成微流体芯片和加热装置的结合。
如附图1所示，本实施例公开的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，包括微流控芯片和加热装置。所述微流控芯片内包含加热管道和被加热的微流体管道以及PDMS。加热管道2内注入液态金属等导电性优良的液体，被加热的微流体管道6内注入被加热的流体。加热管道的入口1和出口3通过导线与加热电源10连接，开通加热电源10并设置电压或电流，使得加热管道2中的金属通过焦耳效应释放热能，从而能够对被加热微流体管道6进行加热，达到对微流体芯片中被加热的微流体管道6内流体的温度进行有效的控制。微流体芯片中的流体，由于加热装置对容器壁面的加热，使得流体产生Rayleigh-Benard不稳定性，导致通道内的流场形成具有一定图纹的涡流分布以及定向流动。
如图2所示，在有限元软件中建立的微流控芯片的模型，其中包括三种材料：PDMS，质量分数为85％的银合金，流体为蒸馏水。对于两种固体材料，模拟所需要的恒压热容Cp，密度ρ，导热系数k，对于流体，模拟所需的恒压热容Cp，密度ρ，导热系数k，动力粘度μ，比热率γ等物理参数均来自于有限元软件自带的材料库。如附图3所示，为微流体芯片模型俯视图局部，在微流体芯片中加热管道和微流体通道皆为周期性结构。其中蓝色部分为用于加热的金属材料(质量分数为85％的银合金)，黄色部分为微流体通道，流体(蒸馏水)在其中流动，剩余黄色部分皆为PDMS，其除了制作微流体芯片之外，还能起到一定的导热作用。
在有限元软件中对微流体芯片进行建模和材料的选取之后，需要对模型进行物理环境的设定即选择模型所在的物理场。对于流体在微通道中的流动过程，选用层流对其进行描述，而对于加热管道对微流体通道的加热这一过程，选用固体传热物理场进行描述。其中对于层流模型，涉及以下方程：
ρ(u·▽)u＝▽·[-pI+K]+F+ρg(其中
Figure BDA0003327274040000051
)
▽·(ρu)＝0
对于固体传热模型，涉及以下方程：
ρCpu·▽T+▽·q＝Q+Qted(其中
Figure BDA0003327274040000052
)
在方程中，ρ代表流体的密度，u代表流体的速度场，▽为哈密顿算子，其代表
Figure BDA0003327274040000053
(i，j，k为笛卡尔坐标系下的单位向量)，p为流体的压强，I为单位张量，g为重力加速度，Cp为恒压热容，T为温度，q为热通量(包括热传导通量和热辐射通量)，k为导热率，Q为额外的热源，Qted为热弹性阻尼，α为热膨胀系数，S为第二Piola-Kirchhoff应力张量，
Figure BDA0003327274040000061
为物质导数。在构建完物理场之后，对微流体芯片进行网格划分，而后对该微流体芯片模型进行计算。
如图5所示，为微流体芯片中微流体管道的壁面温度分布。在微流体管道中，温度分布随着微流体管道的周期性变化也呈现对应的周期性变化。由图3和图5知，在加热管道周期性变化的情况下，液体管道壁面的温度分布也呈现对应的周期性变化。表明在加热管道的加热作用下，能够控制微流体通道内的流体的温度，实现微纳米尺度下的流体温度控制，为各种需要温度环境下的微纳米尺度下的生物化学反应提供需要的环境。同时温度分布也受事先设计的微流体管道的几何结构影响，但都实现稳定的微尺度温度控制。需要不同的温度环境，只需设计不同微流体管道几何结构或者改变电源电压，操作简便。
本实施例公开的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，能够对微流体通道进行温度控制，其实现例如PCR、细胞加热等功能。然而，从流体力学的角度看，对容器壁面的加热容易导致流体的Rayleigh-Benard不稳定的产生，从而在流场内形成的具有一定图纹的涡流分布，该分布与加热条件的周期性分布保持一致。在一定的管道几何条件限制下，涡流可被利用于建立液体管道内一部分液体的定向流动。因此可对微流体通道以及加热管道的几何结构进行设计，使其具有不同程度的液体定向驱动，以及相应的净流量。由附图3可知，加热管道和微流体通道皆为周期性几何结构。当如上所述加热管道位置与微流体管道最宽流道的中心位置具有一定的相位差，流体在涡流的附近同时存在一部分的定向流动。然而当调节这一相位是，定向流动可以增减、出现或消除。若二者之间不存在相位差，在微流体管道内，流体会产生占据整个流道的涡流的流场分布，从而没有流体的定向流动。因此，在对加热管道以及微流体管道的几何位置进行设计时，选择了加热管道位置与微流体管道最宽流道的中心位置的相位差为
Figure BDA0003327274040000062
基于此设计得到如图4所示的流场分布图。在微流体管道中，少数涡流只出现在管道的上半部分，而在微流体管道的下半部分，流体呈由入口至出口的定向流动，并无涡流分布。由此可知，该微流体芯片能够实现微流体管道内的流体定向流动。
为了分析加热条件以及微流控芯片几何结构对微流体管道内流体流量的影响，选取加热电源热耗率以及一个周期内微流体管道最宽处的长度占比(后续简称为管道最宽处长度占比)两个参数。为了分析加热电源热耗率对流体流量的影响，将流体管道最宽处长度占比固定在50％，研究距离出口250um处截面的流量，得到散点图，我们发现随着加热电源的热耗率增加，流体的流量进行相应的线性增加，对得到的散点图进行拟合，得到流量v与热耗率P的关系：v～P。表明，通过调节加热电源的电压对流体流量进行调节，且调节所得流量结果是线性的。为了分析管道几何结构对微流体管道中流体的流量的影响，固定加热电源的热耗率为1.7W，改变微流体管道中管道最宽处的长度占比，使其在20％到80％之间变化，以探究其对流体流量的影响，同样，研究的是距离出口250um处截面的流量。结果表明，随着管道最宽处长度占比的增加，流体流量逐渐减小，为了探究其原因，对不同的管道最宽处长度占比的情况下出口处的流场进行了分析，随着管道最宽处长度占比的增加，流体的涡流现象增强，并且定向流动的流量减小。同样，对散点图进行拟合，随着管道最宽处长度占比的增加呈现负指数幂的规律减小,得到流量v与管道最宽处长度占比λ的关系:v～λ-2.813。因此，得到了流量v与加热电源热耗率P和管道最宽处的长度占比λ的关系：v～Pλ-2.813，在改变电源热耗率以及管道内最宽处长度占比时，通过此关系对微流体管道内的流体流量进行初步的预测。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，其特征在于：包括微流控芯片，加热装置；通过加热电源对芯片中的加热微管道进行加热，通过调节电压实现对芯片微流体管道中的温度控制，使得加热管道壁面温度呈预定空间分布，即能够对微流体芯片内微流体管道的流场及温度进行有效地控制；在此基础上，通过调节限制加热管道和微流体管道的几何位置结构，使具有周期性变化，进而调控液体在微通道管道内中的流动，实现控制液体定向流动。
2.如权利要求1所述的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，其特征在于：调节限制加热管道和微流体管道的几何位置结构，使具有周期性变化，进而调控液体在管道中的流动，实现控制液体定向流动，具体结构和实现方法为：加热管道和微流体通道皆为周期性几何结构；当所述加热管道的位置与微流体管道最宽流道的位置具有相位差，流体在涡流的附近同时存在一部分的定向流动；通过调节所述相位调控液体定向流动增减、出现或消除；若加热管道的位置与微流体管道最宽流道的位置之间不存在相位差，在微流体管道内，流体产生占据整个流道的涡流的流场分布，从而没有流体的定向流动；因此，调节限制加热管道和微流体管道的几何位置结构，使加热管道与微流体管道最宽流道的中心位置相位差为π/2，在微流体管道中，少数涡流只出现在管道的上半部分，而在微流体管道的下半部分，流体呈由入口至出口的定向流动，并无涡流分布，即调控液体在微通道管道内中的流动，实现控制液体定向流动。
3.如权利要求2所述的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，其特征在于：在加热管道周期性变化的情况下，液体管道壁面的温度分布也呈现对应的周期性变化，在加热管道的加热作用下，通过控制微流体通道内的流体的温度，实现微纳米尺度下的流体温度控制。
4.如权利要求3所述的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，其特征在于：利用所述微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，为各种需要温度环境下的微纳米尺度下的生物化学反应提供反应环境，根据反应环境需求，调节限制加热管道和微流体管道的几何位置结构或者改变电源电压，进而调控液体在微流体管道内中的流动，实现控制液体定向流动。
5.如权利要求1或2所述的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，其特征在于：制作及工作方法为，
步骤一：根据微纳米尺度下的生物化学反应提供反应环境需求，设计微流控芯片内管道的结构，使具有周期性变化；按照设计微流控芯片内管道的结构制作掩膜，并制作得到含有设计的微流控芯片内管道结构的硅片；通过倒模的方式将硅片的图案印制，成为微流控芯片PDMS管道，而后将其切割，并利用等离子处理技术将其与玻璃片键合得到所需结构的微流体芯片；
步骤二：将微流体芯片与加热装置结合；加热管道和微流体通道皆为周期性几何结构；将整个微流体芯片放置于加热盘之上，将液态合金注入至加热管道入口处，而后进行加热；合金液态化并流入加热管到内部，待液体合金从加热管道出口处冒出时，将整个微流控芯片移出加热盘，并将导线插入至加热管道入口与出口处，与合金接触，在合金冷却的过程中，导线也与固化的合金进行相连，最后将导线与加热电源正负极相连，便完成微流体芯片和加热装置的结合，即制作出所述微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，包括微流控芯片及加热装置；所述微流控芯片内包含加热管道和被加热的微流体管道；加热管道内注入液态金属等导电性优良的液体，被加热的流体管道内注入被加热的流体；加热管道的入口和出口通过导线与加热电源连接，开通电源并设置电压或电流，使得加热管道中的金属通过焦耳效应释放热能，从而对被加热管道进行加热，从而有效控制微流体芯片中被加热的微流体管道内流体的温度；根据反应环境需求，在步骤一设计微流控芯片内管道的结构时，预先调节限制加热管道和微流体管道的几何位置结构，结合改变电源电压，调控液体在微流体管道内中的流动，实现控制液体定向流动。
6.如权利要求5所述的微流控芯片管道内部加热条件控制液体定向流动装置，其特征在于：随着加热电源热耗率的增加流量呈现线性增加，得到得到流量v与加热电源热耗率P的关系：v～P；随着微流体管道最宽处长度占比的增加流量呈现负指数幂的规律减小,得到流量v与微流体管道最宽处长度占比λ的关系:v～λ-2.813；因此，得到流量v与加热电源热耗率P和微流体管道最宽处的长度占比λ的关系：v～Pλ-2.813，在改变电源热耗率以及微流体管道内最宽处长度占比时，通过此关系对微流体管道内的流体流量进行初步预测。
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