CN114146737B - 一种适用于微流控器件的一体式多通道注射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于微流控器件的一体式多通道注射泵，包含上部注射泵机械结构和下部封闭室。针对微流控器件对多个独立流体通道及相对洁净的工作环境的需求，本发明上部注射泵机械结构具有多个可独立控制的流体通道；下部封闭室通过透明板与外界相隔绝并设置有一潜望镜可从封闭室外部观察微流控器件内的液体流动。本发明将流体驱动子系统与微流控器件整合为一套紧凑的设备，可方便地进行整体移动和布置，对实验场地的限制和占用更小。通过上位机可方便地对多个通道进行同步远程控制，且使用一根电源线对所有电气部件进行供电，实验操作更便捷。

Description

一种适用于微流控器件的一体式多通道注射装置

技术领域

本发明涉及一体式微量注射泵的设计领域，设计了一种具有多个独立通道的一体式微量注射泵。本发明尤其适用于微流控器件对于精确、单独控制多种流体的需求及微反应对洁净空间的需求，其应用涉及微流控技术领域。

背景技术

微流控技术是指在尺度为数十至数百微米的微通道中控制体积为纳升至阿升的微量液体的技术，自上世纪六七十年代被提出以来已得到广泛的研究与发展。当前，微流控技术因其高通量、集成化、微型化等特点已被广泛地应用于即时检测、生化分析、化学合成等领域。微流控系统一般由流体驱动子系统、过程监测及控制子系统、微流控器件及检测分析子系统四部分组成，其中流体驱动子系统常采用微量注射泵完成工作。

传统的微量注射泵分为一体式与分体式两种，它们在应用于微流控系统中时都具有一定的缺陷。如专利CN204709525U所示，一体式微量注射泵将完成注射动作的执行器与控制器封装在同一外壳中形成独立的设备，其虽然可以拥有多个注射器通道但往往使用同一块推板进行注射，无法实现对多个通道进行独立控制，而微流控系统往往需要对多种流体进行独立控制，因此使用一体式微量注射泵进行微流控实验时往往需要使用多台设备，将占据大量的操作空间且需要单独控制多台注射泵操作繁琐。如专利CN208389094U所示，分体式微量注射泵分为控制器与执行器两部分，两者之间通过电力/数据线连接，一个控制器可与多个执行器相连接以实现对多个独立注射器通道的控制，但控制器与执行器之间的相对位置并不固定，需要专门的夹具进行固定，设备的移动和布置较为困难。两种微量注射泵均以软管与微流控器件相连，泵与器件相对位置不固定，难以移动和布置且难以为微反应提供其所需的相对洁净的环境。

发明内容

本发明针对背景技术提出的问题，提出了一种适用于微流控器件的一体式多通道注射泵。该装置具有完整的执行器和控制器，使用同一控制器可对多个独立通道进行控制，同时具有一个封闭空间用于放置微流控器件并为其中的反应提供相对洁净的空间，并能够对微流控器件内的反应进行观察。

本发明时通过以下技术方案实现的：

一种适用于微流控器件的一体式多通道注射装置，其特征在于，所述装置包括上部的注射泵机械结构及下部的封闭室，由板和柱结构组成注射泵机械结构的框架；所述的位于上部的注射泵机械结构由并列设置在框架内的独立流体通道注射机构组成，每个独立流体通道注射机构结构包括：通过并列的长支柱5固定的上板1、中上板2，通过并列的短支柱7固定的中下板3、下板4，中上板2与中下板3由铜柱6支撑；上板1及下板4后部通过角件8连接网孔板9固定电气部件10，电机11固定在中下板3上，并通过位于中上板2和中下板3之间的联轴器12带动丝杆13；丝杆支座14与导轨支座18分别固定于上板1和中上板2上，丝杆螺母15和滑块17共同带动推板19在上板1和中上板2之间的范围内移动；注射器20被放置于中上板2和中下板3侧面并使用注射器压块27通过固定在竖板28上的螺栓压紧固定，推板19上的活塞压块29压紧固定注射器20的活塞杆实现液体的注射和抽取；

所述的下部封闭室由封闭室上板22、封闭室下板23、1/4圆支柱21及四周的透明板24构成，封闭室内有一透明板材制成的载物台25，其下固定有一潜望镜26通过侧面透明板24上的一个通孔延伸到封闭室外部；下部封闭室与上部注射泵机械结构通过硅胶管30连通，下板4与封闭室上板22对应开有通孔，与每个独立流体通道注射机构的注射器20相连的硅胶管30通过通孔进入下部封闭室，并与载物台25上的微流控器件31相连接。

所述的电气部件10由路由器32、微机33、电机驱动器34、插线板35、电源适配器36组成，上位机通过路由器32向微机33发送指令，微机33通过电机驱动器34控制电机11旋转带动丝杆螺母15和丝杆13，插线板35为路由器32、微机33、电源适配器36供电并充当总电源线与总开关，电源适配器36将插线板35的输出电压转变为适合电机驱动器34的电压。

上部注射泵机械结构的框架使用的各板结构选自PMMA、玻璃板、金属板等可进行切割加工的平板结构材料；各柱结构可使用铝、铜等常见金属棒材或高分子材料等其他柱状结构材料，板与柱的连接方式可采用螺钉螺栓、焊接、胶连等。

所述封闭室的各板材可使用各种透明材料加工得到，1/4圆支柱采用带有可以固定透明板24的凹槽的棒材加工得到。封闭室上板22与前透明板24对应的位置开有一通槽，使得前透明板24可以向上移动开启，起到封闭室门的作用。

潜望镜26内有两面反向对角固定的平面镜，因此可在封闭室外通过潜望镜26透过透明的载物台25对其上的微流控器件31内的液体流动情况进行观察。

有益效果

本发明提出了一种适用于微流控器件的一体式多通道注射泵，其具有多个可独立控制通道及下部封闭室，形成一套集流体驱动子系统与微流控器件于一体的完整设备。相比使用传统的微量注射泵作为驱动子系统具有以下优势：

控制器与执行器相对位置固定，注射泵与微流控器件相对位置固定，可方便地进行整体移动和布置，结构紧凑，对实验场地的限制和占用更小。

通过路由器可方便地与上位机进行无线连接，通过上位机的前台程序可方便地对多个通道进行同步远程控制。使用一根电源线对所有电气部件进行供电，便于设备的移动和部署。

下部封闭室为微流控器件内的反应提供了相对洁净的环境，同时可通过潜望镜26从外部对微流控器件内的反应进行实时观察。

附图说明

图1是本发明适用于微流控器件的一体式多通道注射泵的侧视图；

图2是本发明适用于微流控器件的一体式多通道注射泵的主视图；

图3是本发明的电路原理图；

图4是本发明的电气部件布局图；

图5是本发明应用于微流控相关实验的控制流程图；

图6是基于毛细管二级嵌套的微流控器件结构及核壳结构微球生成的过程；

图7是本发明应用于微流控法制备核壳结构编码微球实验的结果图。

其中：1-上板 2-中上板 3-中下板 4-下板 5-长支柱 6-铜柱 7-短支柱 8-角件9-网孔板 10-电气部件 11-电机 12-联轴器 13-丝杆 14-丝杆支座 15-丝杆螺母 16-导轨 17-滑块 18-导轨支座 19-推板 20-注射器 21-1/4圆支柱 22-封闭室上板 23-封闭室下板 24-透明板 25-载物台 26-潜望镜 27-注射器压块 28-竖版 29-活塞压块 30-硅胶管 31-微流控器件 32-路由器 33-微机 34-电机驱动器 35-插线板 36-电源适配器 37-内相通道 38-中间相通道 39-外相通道 40-固定管。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施方法和实施实例对本发明做进一步阐述，但并不限制本发明的保护范围。

适用于微流控器件的一体式多通道注射泵结构示意图见图1、图2。上部注射泵机械结构由上板1、中上板2、中下板3、下板4作为主要结构零件，四者采用PMMA板材经激光切割加工得到，板材上相应加工有通孔以配合将其他零件通过螺栓或螺钉与板材固定；四块板材通过长支柱5、铜柱6、短支柱7以螺钉连接为一个整体，长支柱与短支柱使用欧标1640铝型材切割得到；电机11、丝杆支座14、导轨支座18通过螺钉或螺栓固定在四块板材上，并与联轴器12、丝杆13、丝杆螺母15、导轨16、滑块17一起构成丝杠螺母机构；推板19与丝杠螺母15及滑块17都使用螺栓进行连接；装置下部的封闭室由封闭室上板22、封闭室下板23、1/4圆支柱21及四面的透明板24构成主要结构，两块板材使用PMMA通过激光切割得到，其表面具有相应的通孔；1/4圆支柱21由欧标3030R铝型材切割得到与两块板材使用螺钉连接，四面的透明板24插入1/4圆支柱21的凹槽中进行固定，其中前板可通过封闭室上板22上的通槽向上开启，右侧板上有一方孔用于安装联通封闭室内外的潜望镜26；封闭室内的透明载物台25通过螺钉与封闭室下板23相连接。

适用于微流控器件的一体式多通道注射泵电路原理图见图3。电气部件10包括路由器32、微机33、与通道数对应的多个电机驱动器34、插线板35和电源适配器36。将这些部件使用螺栓、螺钉或扎带固定在网孔板9上，得到适用于微流控器件的一体式多通道注射泵电气部件布局图见图4。

本发明应用于微流控相关实验的控制流程图见图5。在微流控相关实验进行的过程中，首先将微流控器件31放置并固定在下部封闭室的载物台25上；使用注射器20抽取相应的多种反应流体，并使用注射器压块27将注射器20固定在中上板2与中下板3的侧面，使用活塞压块29将注射器的活塞杆固定在推板19上；之后上位机通过无线连接向路由器32发送流速、流量等指令，路由器32通过网线将指令传递给微机33，微机33通过内部程序将指令转换为脉冲输出并通过电机驱动器34驱动电机11以准确的转速进行转动；电机11通过联轴器12带动丝杆13转动，丝杆13通过丝杆螺母15将转动转化为推板19的水平运动，导轨16及滑块17保证推板19水平运动的过程中不会发生转动；推板19推动注射器20的活塞使注射器内的流体以准确的流速流出；流体通过硅胶管30经过下板4与封闭室上板22的通孔，与放置在下部封闭室中载物台25上的微流控器件31连通，从而实现流体以确定的流速进入微流控器件31的微通道中；在微流控器件31内微反应进行的过程中，可通过连通封闭室内外的潜望镜26在封闭室外通过透明的载物台实时观察透明的微流控器件31内的流体流动情况。

在本实施方法中，选用了步距角为1.8°的42步进电机，所使用电机驱动器可进行32步步距细分，即6400个脉冲完成一圈旋转。配合导程为2mm的丝杆，每个脉冲所转化为的水平运动为0.3125μm，以内径为4.7mm的1mL注射器为例，注射泵所能够控制的流体精度为5.419×10^-6mL。

实施实例：微流控法制备核壳结构编码微球实验，具体内容如下：

制作基于毛细管二级嵌套结构的微流控器件，其内部通道结构及核壳结构微球生成的过程如图6所示。所使用的材料包括两根经过拉尖的毛细管分别作为内相通道37和中间相通道38、一根圆毛细管作为外相通道39、两根毛细方管作为固定管40、四个点样针头和一个玻片。首先将两根固定管40固定在玻片上的合适位置；然后将中间相通道38从一端插入两根固定管40并固定；随后将内相通道37的尖端插入中间相通道38而不完全堵塞其入口并固定，最后将外相通道39从另一端插入固定管40使中间相通道38尖端插入外相通道39而不将其完全堵塞。在固定管40的两侧粘贴点样针头作为各相液体的入口及排气口。在进行编码微球制备实验前，对微流控器件进行密封性试验。使用微量注射器通过硅胶管向微流控器件内部注射超纯水，观察到点样针头处没有水渗漏，则器件密封性合格。

配制内相、中间相及外相液体，分别为：内相——1wt％聚乙烯醇(PVA)及0.1wt％亚甲基蓝染料的水溶液；中间相——含有1％(v/v)光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(HMPP)的乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)，配制时使用等体积的ETPTA及乙醇相混合加入HMPP后在油浴锅中以70摄氏度加热并搅拌12小时使乙醇挥发；外相——1wt％PVA的水溶液。

将三相液体分别抽入三个注射器后将注射器固定在装置上，并将微流控器件固定在封闭室中的载物台上，使用硅胶管连接相应的注射器及微流控器件上的入口。使用上位机控制注射泵将三相液体以稳定的流速注入微流控器件，通过潜望镜观察微球生成的过程同时对各相流体的流速进行调整。经过调试，发现内相、中间相、外相流速分别为0.5mL/min，1mL/min，5mL/min时可以生成符合要求的核壳结构编码微球，对三相液体流速进行微调，观察到如图7所示具有不同内核及外壳尺寸的微球生成。进一步调整各相液体的流速，发现内相流速与外壳尺寸无关，与内核尺寸正相关；中间相流速与外壳尺寸正相关，与内核尺寸负相关；外相流速与外壳尺寸和内核尺寸均负相关，且与编码微球生成速率正相关。

由此得出结论，可利用各相流速控制微球的核壳结构——利用生成速率只与外相流速有关及内相流速只影响内核大小的特征，可先调整外相流速以获得合适的生成速率，然后调整中间相流速大小获得合适的微球外壳尺寸，最后调整内相流速来获得不同尺寸的微球内核。通过这种方法可以获得外壳尺寸相近而内核尺寸不同的多种微球，以实现编码。

Claims (4)

1.一种适用于微流控器件的一体式多通道注射装置，其特征在于，所述装置包括上部的注射泵机械结构及下部的封闭室，由板和柱结构组成注射泵机械结构的框架；所述上部的注射泵机械结构由并列设置在框架内的独立流体通道注射机构组成，每个独立流体通道注射机构结构包括：通过并列的长支柱(5)固定的上板(1)、中上板(2)，通过并列的短支柱(7)固定的中下板(3)、下板(4)，中上板(2)与中下板(3)由铜柱(6)支撑；上板(1)及下板(4)后部通过角件(8)连接网孔板(9)固定电气部件(10)，电机(11)固定在中下板(3)上，并通过位于中上板(2)和中下板(3)之间的联轴器(12)带动丝杆(13)；丝杆支座(14)与导轨支座(18)分别固定于上板(1)和中上板(2)上，丝杆螺母(15)和滑块(17)共同带动推板(19)在上板(1)和中上板(2)之间的范围内移动；注射器(20)被放置于中上板(2)和中下板(3)侧面并使用注射器压块(27)通过固定在竖板(28)上的螺栓压紧固定，推板(19)上的活塞压块(29)压紧固定注射器(20)的活塞杆实现液体的注射和抽取；

所述的下部封闭室由封闭室上板(22)、封闭室下板(23)、1/4圆支柱(21)及四周的透明板(24)构成，封闭室内有一透明板材制成的载物台(25)，其下固定有一潜望镜(26)通过侧面透明板(24)上的一个通孔延伸到封闭室外部；下部封闭室与上部注射泵机械结构通过硅胶管(30)连通，下板(4)与封闭室上板(22)对应开有通孔，与每个独立流体通道注射机构的注射器(20)相连的硅胶管(30)通过通孔进入下部封闭室，并与载物台(25)上的微流控器件(31)相连接。

2.如权利要求1所述的一种适用于微流控器件的一体式多通道注射装置，其特征在于，所述的电气部件(10)由路由器(32)、微机(33)、电机驱动器(34)、插线板(35)、电源适配器(36)组成，上位机通过路由器(32)向微机(33)发送指令，微机(33)通过电机驱动器(34)控制电机(11)旋转带动丝杆螺母(15)和丝杆(13)，插线板(35)为路由器(32)、微机(33)、电源适配器(36)供电并充当总电源线与总开关，电源适配器(36)将插线板(35)的输出电压转变为适合电机驱动器(34)的电压。

3.如权利要求1所述的一种适用于微流控器件的一体式多通道注射装置，其特征在于，封闭室上板(22)与前透明板(24)对应的位置开有一通槽。

4.如权利要求1所述的一种适用于微流控器件的一体式多通道注射装置，其特征在于，所述的潜望镜(26)内具有两面反向对角固定的平面镜。

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