CN117607223B - 一种基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统 - Google Patents

一种基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统，利用主通道管上供液单元及出口端的整体柱组件及检测管体单元，形成针对乳酸分子的自驱动微流控检测功能。爆破阀、截止阀可在初始阶段截留空气通路管内的空气，保持阀、触发阀截留储液池管内的辅助试剂，令主通道管输送的样品液体进入整体柱组件，而后系统自动释放清洗剂及洗脱剂，由清洗剂祛除非特异性分子，洗脱剂脱离特异性分子，令特异性分子分散于各个检测管体中，在多个电极片的大面积接触下得到电化学检测参数。此方式可通过简易高效的自驱动过程对唾液中的乳酸分子进行富集预处理，以此快速得到乳酸分子检测参数，实现对体液乳酸的现场快速检测，保障实时检测及诊断措施的有效性。

Description

一种基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统
技术领域
本发明属于生物体液检测技术领域，具体涉及一种基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统。
背景技术
体液检测是一种用于检验身体各种分泌物的技术方式，是临床、实验过程中常用的检查项目。由于人体体液（汗液、唾液、泪液等）中含有多种与人体健康状况相关联的生物标志物，这些生物标志物可以表征人体的各种生理信息，例如：体液中的葡萄糖浓度与糖尿病相关，皮质醇浓度与人体精神状态相关，离子以及乳酸，尿素浓度等都反映人体的各种健康状况，所以，在体液检测技术领域中，基于体液生物标志物的检测设备尤为重要，对于人体健康状况而言能够提供重要的判断依据。
人体体液中的多种生物标志物能够提供重要的生理信息，其中乳酸与休克、呼吸功能不全和心脏病等疾病有关，并且，人体内乳酸量过多或过少，都会对人体健康产生不利的影响。而针对某些关联性疾病（如呼吸功能、心脏功能疾病），需要频繁针对生理指标进行实时检测，才能准确反映人体健康状况，并及时采取相应的诊疗措施；因此，开发用于体液中乳酸浓度的检测设备，并进行实时检测，对于人体健康状况而言，能够发挥重要的判断作用。
目前对于体液中乳酸的检测，主要是通过传感器对收集到的体液进行直接检测，或使用专业的实验室仪器对体液进行分析。然而，目前成熟的乳酸传感器大多需要添加昂贵的材料来达到检测的基本要求，而实验室中的体液分析则需要专业程度较高的实验室和人员，这对于资源贫乏、条件有限的实验环境下是难以实现的；并且，常规的传感器检测乳酸的工作，需要较长的实验周期，因而无法准确提供实时的生理检测信息；同时，由于乳酸在体液中的含量较为稀少，且唾液中的分泌量也较少，为得到有效的检测结果，现有技术常通过富集方式对唾液中的乳酸进行预处理，由于唾液中的成分较为复杂，导致富集预处理的步骤较为繁琐，进一步延长了实验周期，令检测结果无法实时反映患者当下的生理状态。因此，为确保实时检测及诊断措施的有效性，有必要开发一种针对体液乳酸进行现场快速检测（POCT）的新型技术，对于如何在有限的实验条件、成本情况下，实现对患者体液乳酸的现场快速检测（POCT），是目前行业内亟需解决的重要技术问题。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明提供了一种基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统，通过简易、高效的过程对唾液中的乳酸分子进行富集预处理，以此快速得到乳酸分子的检测参数，缩短实验周期并确保检测结果可实时反映患者当下的生理状态，并可在有限的实验条件、成本下实现对患者体液乳酸的现场快速检测，保障实时检测及诊断措施的有效性。
本发明通过以下技术方案实施：一种基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统，包括主通道管，其中，所述主通道管为流体输送管体，所述主通道管的入口端为样品入口，所述主通道管的出口端与整体柱组件的入口端连通；所述主通道管的管体旁设有至少一个供液单元，所述供液单元中含有储液池管、空气通路管，所述储液池管的入口端与保持阀的出口端连通，所述储液池管的出口端通过触发阀与所述主通道管的管体支路连通；所述保持阀、所述触发阀皆为毛细管体；
所述保持阀的入口端为液体入口，所述储液池管的管体支路通过爆破阀与所述空气通路管的出口端连通，所述空气通路管的入口端通过截止阀与所述主通道管的管体支路连通；所述爆破阀、所述截止阀皆为大尺寸通道与小尺寸通道衔接组成的多级管体，在同一个所述爆破阀或所述截止阀中，所述大尺寸通道的长宽尺寸为所述小尺寸通道的对应长宽尺寸的2倍以上数值；所述爆破阀、所述截止阀中的所述大尺寸通道皆朝向所述空气通路管的方向进行衔接连通；
所述整体柱组件具有通过分子印迹方式针对特异性分子进行特异性吸附的功能，所述整体柱组件的出口端与分流管道入口端连通，所述分流管道的多个出口端分别与多个相互并联的检测管体连通，所述检测管体中设有朝向管体内腔敞开的电极片，多个所述检测管体的另一端分别与集流管道多个入口端连通，所述集流管道的出口端与毛细管泵的入口端连通，所述毛细管泵通过毛细力对所述主通道管内流体提供驱动力；
所述储液池管用于储存清洗剂或洗脱剂，所述清洗剂用于针对所述整体柱组件中滞留的非特异性分子进行清洗，所述洗脱剂用于针对所述整体柱组件所吸附的特异性分子进行洗脱。
进一步的，所述整体柱组件含有导引管、印记整体柱，所述导引管的入口端与所述主通道管的出口端连通，所述导引管的出口端与所述分流管道的入口端连通；所述印记整体柱嵌入安装基座的适配凹槽中，所述适配凹槽与所述印记整体柱的形态相适配，所述导引管一侧敞开，并扣合于所述印记整体柱上，所述导引管分别与所述印记整体柱、所述安装基座贴附，形成封闭且必经过印记整体柱的内部通道。
进一步的，所述印记整体柱的形态为圆柱形，所述安装基座与所述印记整体柱之间的交接部位设有倒角面，所述导引管设有与所述倒角面适配的斜坡。
进一步的，所述印记整体柱嵌入于所述适配凹槽内的弧面设有多个弧形凹槽，多个所述弧形凹槽按所述印记整体柱的中线进行圆周阵列分布，形成环绕所述印记整体柱外沿的波浪弧形轮廓，所述波浪弧形轮廓的外沿附有一层防水涂料；所述印记整体柱未嵌入所述适配凹槽部位的表面不设有防水涂料。
进一步的，所述印记整体柱是通过将模板、功能单体、引发剂、交联剂和致孔剂混合均匀后，使用360nm～370nm紫外光照射聚合而成。
进一步的，在所述模板、所述功能单体、所述引发剂、所述交联剂和所述致孔剂中的一种或多种介质中，至少采用MAA、EDMA、AIBN、1-dodecanol、DMF中的一种或多种成分进行制备。
进一步的，所述主通道管的截面宽度为0.4mm，深度0.2mm，浮动值±0.05mm；
所述检测管体的截面宽度0.1mm，深度0.03mm，浮动值±0.02mm；
所述储液池管的截面宽度0.9mm，深度0.2mm，浮动值±0.1mm；
所述保持阀的截面宽度0.1mm，深度0.1mm，浮动值±0.02mm；
所述触发阀的截面宽度0.15mm，深度0.1mm，浮动值±0.02mm；
进一步的，在所述爆破阀的多级管体中，大尺寸通道的截面宽度1.5mm，深度0.4mm，小尺寸通道的截面宽度0.6mm，深度0.2mm，浮动值±0.02mm；
所述截止阀的多级管体中，大尺寸通道的截面宽度1.5mm，深度0.4mm，小尺寸通道的截面宽度0.2mm，深度0.2mm，浮动值±0.02mm。
进一步的，所述检测管体的管体一侧设有敞开区域，所述电极片嵌入所述敞开区域与所述检测管体进行结合。
进一步的，所述集流管道的管体支路连通设有多个平衡孔，所述平衡孔的端口朝向外界大气敞开，多个所述平衡孔按多个所述检测管体的阵列中线进行对称分布。
进一步的，所述供液单元至少设有两个，其中一个所述供液单元中的所述储液池管内存有清洗剂，另一个所述供液单元中的所述储液池管内存有洗脱剂，按所述主通道管的流体输送方向，设有所述清洗剂的所述供液单元位于前端，设有所述洗脱剂的所述供液单元位于后端。
进一步的，所述触发阀为弧形毛细管体，所述触发阀的入口端与所述储液池管的出口端连通，所述触发阀的出口端管路嵌入于所述主通道管的管体内腔中形成内嵌管体，所述内嵌管体呈直管状，并贴附于所述主通道管上设有所述截止阀一侧的管壁处，所述内嵌管体的平直管壁与所述触发阀的弧形管壁相切；
所述主通道管上与所述截止阀衔接的管体内腔为交界内腔，所述触发阀的出口端及其末端管路延伸进入所述交界内腔中，所述触发阀的出口端越过所述截止阀的小尺寸通道的管壁界面，所述触发阀的出口端管壁贴附于所述截止阀的小尺寸通道与所述主通道管的衔接交界线，所述触发阀的出口端的开口方向与所述主通道管的输液方向相互平行且朝向相反。
本发明的有益效果是：利用主通道管上分支连接的供液单元及出口端连接的整体柱组件及检测管体单元，形成针对乳酸分子的自驱动微流控检测功能。由于爆破阀、截止阀皆为大尺寸通道与小尺寸通道衔接组成的多级管体，两种阀门可通过突然变化的通道截面尺寸来消弭液体的弯月面，从而阻止衔接部位的液体流体，以此在初始阶段截留空气通路管内的预留空气，使其不与相邻管路的液体混合；同时保持阀、触发阀的毛细管体在被充入辅助试剂后，形成的充液毛细管体会形成较大的毛细压力，以此将储液池管内的辅助试剂截留储存于其管体内；
在预留空气，辅助试剂皆被存留阻隔的情况下，令初始阶段主通道管输送的样品液体可正常进入整体柱组件，并由整体柱组件针对检测分子进行特异性吸附；而当主通道管的样品液体尾端越过截止阀所处端口位置，外界空气即可通过样品入口及主通道管与空气通路管发生连通，以此截断顶端保持阀内的液体连接，从而达到自动释放清洗剂及洗脱剂等辅助试剂的功能；再由清洗剂祛除整体柱组件粘附的非特异性分子，洗脱剂脱离整体柱组件吸附的特异性分子，令特异性分子均匀分散于各个检测管体中，从而在多个电极片的大面积接触下得到准确的电化学信号检测参数。
此方式可通过简易、高效的自驱动过程对唾液中的乳酸分子进行富集预处理，以此快速得到乳酸分子的检测参数，进一步缩短实验周期并确保检测结果可实时反映患者当下的生理状态，并可在有限的实验条件、成本下实现对患者体液乳酸的现场快速检测（POCT），保障实时检测及诊断措施的有效性。
附图说明
图1为本发明实施例一的自驱动微流控系统结构图；
图2为本发明实施例一中整体柱组件的结构示意图；
图3为本发明实施例一中检测管体的剖面结构示意图；
图4为本发明实施例一中整体柱组件的CAE分析云图；
图5为本发明一对比例中整体柱组件的CAE分析云图；
图6为本发明实施例一中自驱动微流控系统的储液状态示意图；
图7为本发明实施例一中自驱动微流控系统的加样状态示意图；
图8为本发明实施例一中自驱动微流控系统的清洗状态示意图；
图9为本发明实施例一中自驱动微流控系统的洗脱状态示意图；
图10为本发明实施例一中自驱动微流控系统的局部流动状态示意图；
图11为本发明实施例二的自驱动微流控系统结构图；
图12为本发明实施例二的局部结构示意图一；
图13为本发明实施例二的局部结构示意图二；
图14为本发明实施例二中自驱动微流控系统的加样状态示意图；
图15为本发明实施例二中自驱动微流控系统的空气触发状态示意图；
图16为本发明实施例二中自驱动微流控系统的储液释放状态示意图；
图17为本发明实施例二中自驱动微流控系统的液体牵引状态示意图；
图18为本发明实施例三中印记整体柱的结构示意图；
图19为本发明实施例三中整体柱组件的结构示意图；
图20为本发明实施例三中整体柱组件的的CAE分析云图；
图21为本发明对比例中吸附溶液的紫外检测曲线图；
图22为本发明实施例中吸附溶液的紫外检测曲线图。
图中：10-主通道管，10a-样品入口，10b-样品液体，10c-交界内腔，11-安装基座，11a-倒角面，20-供液单元，21-储液池管，21a-清洗剂，21b-洗脱剂，22-空气通路管，23-保持阀，23a-液体入口，24-触发阀，24a-内嵌管体，25-爆破阀，26-截止阀，20a-大尺寸通道，20b-小尺寸通道，30-整体柱组件，31-印记整体柱，31a-波浪弧形轮廓，31b-弧形凹槽，31c-防水涂料，32-导引管，40-检测管体，41-分流管道，42-集流管道，43-平衡孔，50-毛细管泵，51-排气孔。
具体实施方式
下面针对说明书附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例一
如图1所示，一种基于整体柱组件富集分离的自驱动微流控系统，包括主通道管10，其中，主通道管10为流体输送管体，主通道管10的入口端为样品入口10a，主通道管10的出口端与整体柱组件30的入口端连通，以整体柱组件30作为乳酸分子特异性吸附的功能部件；
主通道管10的管体旁设有两个供液单元20，供液单元20中含有储液池管21、空气通路管22，储液池管21的入口端与保持阀23的出口端连通，储液池管21的出口端通过触发阀24与主通道管10的管体支路连通；利用主通道管10上分支连接的供液单元20及出口端连接的整体柱组件30及检测管体单元，形成针对乳酸分子的自驱动微流控检测功能；
保持阀23、触发阀24皆为毛细管体；保持阀23的入口端为液体入口23a，储液池管21的管体支路通过爆破阀25与空气通路管22的出口端连通，空气通路管22的入口端通过截止阀26与主通道管10的管体支路连通；保持阀23、触发阀24的毛细管体在被充入辅助试剂后，形成的充液毛细管体会形成较大的毛细压力，以此将储液池管21内的辅助试剂截留储存于其管体内；
爆破阀25、截止阀26皆为大尺寸通道20a与小尺寸通道20b衔接组成的多级管体，爆破阀25、截止阀26中的大尺寸通道20a皆朝向空气通路管22的方向进行衔接连通；由于爆破阀25、截止阀26皆为大尺寸通道20a与小尺寸通道20b衔接组成的多级管体，在同一个爆破阀25或截止阀26中，大尺寸通道20a的长宽尺寸为小尺寸通道20b的对应长宽尺寸的2倍以上数值，因此可形成差异性足够大的尺寸变化截面，使两种阀门可通过突然变化的通道截面尺寸来消弭液体的弯月面，从而阻止衔接部位的液体流体，以此在初始阶段截留空气通路管22内的预留空气，使其不与相邻管路的液体混合；
在预留空气，辅助试剂皆被存留阻隔的情况下，令初始阶段主通道管10输送的样品液体10b可正常进入整体柱组件30，并由整体柱组件30针对检测分子进行特异性吸附；
整体柱组件30具有通过分子印迹方式针对特异性分子进行特异性吸附的功能，整体柱组件30的出口端与分流管道41入口端连通，分流管道41的多个出口端分别与多个相互并联的检测管体40连通，检测管体40中设有朝向管体内腔敞开的电极片，多个检测管体40的另一端分别与集流管道42多个入口端连通，集流管道42的出口端与毛细管泵50的入口端连通，毛细管泵50通过毛细力对主通道管10内流体提供驱动力；以此在毛细管泵50提供的动力作用下，收集的微量样品能够通过分流管道41分散于多个检测管体40，并由电极片采集得到准确的电性参数；
储液池管21用于储存清洗剂21a或洗脱剂21b，清洗剂21a用于针对整体柱组件30中滞留的非特异性分子进行清洗，洗脱剂21b用于针对整体柱组件30所吸附的特异性分子进行洗脱；由清洗剂21a祛除整体柱组件30粘附的非特异性分子，洗脱剂21b脱离整体柱组件30吸附的特异性分子，令特异性分子均匀分散于各个检测管体40中，从而在多个电极片的大面积接触下得到准确的电化学信号检测参数。
如图2所示，整体柱组件30含有导引管32、印记整体柱31，导引管32的入口端与主通道管10的出口端连通，导引管32的出口端与分流管道41的入口端连通；印记整体柱31嵌入安装基座11的适配凹槽中，适配凹槽与印记整体柱31的形态相适配，适配凹槽与所述印记整体柱31的形态相适配，导引管32一侧敞开，并扣合于印记整体柱31上，导引管32分别与印记整体柱31、安装基座11贴附，形成封闭且必经过印记整体柱31的内部通道。通过印记整体柱31外合成、再装载在适配凹槽及导引管32中，因此，在针对关键部件（如印记整体柱31）进行拆装更替、调整优化及维护操作中，具有较大的灵活性；
同时，在本实施例中印记整体柱31采用半径为0.5mm的圆柱体，并嵌入于PMMA材质的安装基座中圆弧状的适配凹槽中，安装基座与印记整体柱31之间的交接部位设有平滑过渡的倒角面11a，同时导引管设有与倒角面11a适配的斜坡，以此确保流体的平滑过渡及通道侧壁的封闭性；该形状在微控流系统上设计了特定结构的导引管32来装载印记整体柱31，通过使用COMSOL Multiphysics软件对本实施例中整体柱组件30的数模结构进行流体仿真，在导引管32一端设定流体入口、另一端设定流体出口，如图4所示，通过导引管32的倒角面、以及印记整体柱31的圆柱形态设计，能够令导引管32及印记整体柱31内均不会产生涡流，同时两者的衔接角落处也未发生涡流，可证明本实施例中整体柱组件30的结构设计能产生通畅性良好的微流体通道，确保后续样品不会发生残留，有利于全部样品液体10b得到充分的富集检测作用。
此外，在其它对比例中，印记整体柱31采用截面宽度0.5mm的长方体，并嵌入于导引管32中矩形状的适配凹槽中，通过使用COMSOL Multiphysics软件对该对比例中整体柱组件30的数模结构进行流体仿真，在导引管32一端设定流体入口、另一端设定流体出口，如图5所示，在印记整体柱31的矩形截面边角处产生明显的涡流现象，由于涡流现象会对整体柱组件30的富集有很大的影响，使得样品液体10b残留在整体柱组件30内无法流出，因此，该对比例的设计结构达到的富集检测效果存在一定缺陷，相对于该对比例而言，实施例一的圆柱体设计结构存在明显的功能优势。
在本实施例中，印记整体柱31是通过将模板、功能单体、引发剂、交联剂和致孔剂混合均匀后，使用365nm紫外光照射聚合而成；
其中功能单体选用MAA，可提供整体结构强度；
引发剂选用AIBN，提供紫外固化功能；
交联剂选用EDMA，提供各组分之间的粘合功能；
致孔剂选用1-dodecanol，形成基本的孔隙通道，方便样品液体10b及乳酸分子渗透并可增大接触表面积；同时辅以微孔致孔剂DMF，形成孔径更小的微孔通道，在致孔剂和微致孔剂的结合使用下，可形成大孔与小孔交错形态的复合孔隙通道，以微孔通道填补基本孔隙通道的致密盲区，从而形成覆盖率更大的接触表面积，进一步优化提升富集效率；
在聚合过程中聚合条件的改变是造成整体柱组件30孔隙数量及大小的关键，其中致孔剂会使整体柱组件30聚合过程中柱体生成大小不一的孔洞，这些孔洞可以起到流通液体，增大接触面积等诸多功能，从而会影响整体柱组件30的整体吸附性能。整体柱组件30的孔隙率可通过整体柱组件30聚合前后的质量比值进行表征，如以下公式：
ε=（m1/m2）×100%；
式中m1是聚合前与聚合后的印记整体柱31的质量差值， m2是印记整体柱31聚合后的质量，ε是聚合后的孔隙率；
通过对不同条件的整体柱组件30的孔隙率进行表征并比较，得到最优效果的整体柱组件30所需的物质比。同时实验可知太多或太少的物质组分都会导致整体柱组件30无法成柱且会影响吸附性能，因此选定了如表1所示几种组分比例。
表1：各组分比例表征出的孔隙率；
表1是本工作根据挑选的各组分比例并通过上述公式表征出的孔隙率，从中可看出交联剂比例越大，孔隙率越小，最佳交联剂是30µL；引发剂增加也会导致孔隙率减小；致孔剂的比例越大，整体柱组件30孔隙率越大，最佳致孔剂是150µL 1-dodecanol，50µL DMF。其中在单体（功能单体和交联剂）和致孔剂的比例为1：6时孔隙率为90.74%，达到最大，但在实际实验中发现该比例下聚合的印记整体柱31难以呈现完整柱状，且力学性能不足。
因此，为确保最佳的整体柱组件30形态及足够的孔隙率，选用表1中实验组4的参数进行配制，即MAA取10µL、EDMA取30µL、AIBN取1mg、1-dodecanol取150µL、DMF取50µL，制得综合性能最佳的印记整体柱31及整体柱组件30。
图21-图22是紫外检测时不同浓度乳酸在吸附溶液（将0.5ml 乳酸水溶液加入3ml乙晴水溶液中进行）中的标准曲线，以此来说明紫外分光光度计可以对乳酸的浓度进行检测，并通过图21与图22的紫外检测对比来相互论证来验证乳酸分子的吸附。
图21是在其它对比例中的紫外检测曲线图，10mM乳酸溶液通过整体柱后，收集通过整体柱的溶液进行的紫外检测，收集了五次，通过该图可知该整体柱未对乳酸的吸附效果较差（图21中整体柱是甲醇和十二醇当致孔剂）；
图22是本实施例中的紫外检测曲线图，从该图看可看出，该整体柱对乳酸具有吸附性，且吸附效率相较于图21已明显提升20%（图22中整体柱是DMF/十二醇当致孔剂）；因此，可证明本实施例中整体柱的配方设计具有明显的吸附效率优势。
在本实施例中，由于在微观尺度下，细小通道中液体的流动主要受到毛细力的影响，如下公式展示了毛细力与接触角以及通道尺寸之间的关系。
式中分别是液体与矩形通道墙壁的接触角，h是通道深度，w是通道宽度，/>是通道中液体表面张力。
按上述公式提供设计依据，使用微机械加工方法对各个管道及部件进行制造并实验，得出微管道及微阀门的尺寸如下：
主通道管10的截面宽度为0.4mm，深度0.2mm，浮动值±0.05mm，可确保主通道管10受毛细管泵50驱动而输送液体，其宽度大于深度的尺寸有利于微加工在PMMA上的快速成型；
检测管体40的截面宽度0.1mm，深度0.03mm，浮动值±0.02mm，其深度较浅的尺寸设计，有利于采集的微量液体样本在多个检测管体40阵列中平铺展开，提高电极片进行电性检测的接触面积；
储液池管21的截面宽度0.9mm，深度0.2mm，浮动值±0.1mm；储液池管21宽度处于毛细管定义的临界值，可在保存足够液体的同时，能在后期受到毛细管泵50的基本作用；
保持阀23的截面宽度0.1mm，深度0.1mm，浮动值±0.02mm，保持阀23设计成较小尺寸的狭长管道，在其管内存留液体时，可利用毛细力形成密封阻碍，令外界空气无法进入储液池管21内；
触发阀24的截面宽度0.15mm，深度0.1mm，浮动值±0.02mm；触发阀24设计成较小尺寸的狭长管道，在其管内存留液体时，可利用毛细力形成密封阻碍，令初始状态下储液池管21内的辅助液体不会渗漏至主通道管10，确保初始状态主通道管10的正常输液；
同时，由于保持阀23的设计尺寸小于触发阀24，可令保持阀23内存留液体柱的毛细力阻碍更大，使得保持阀23内液体柱比触发阀24内液体柱具有更强的滞留能力，有利于后期作业时能令储液池管21内的液体柱从保持阀23临近处被截断，以此达到自动释放储液池管21内辅助液体的功能；
在爆破阀25的多级管体中，大尺寸通道20a的截面宽度1.5mm，深度0.4mm，小尺寸通道20b的截面宽度0.6mm，深度0.2mm，浮动值±0.02mm；利用两种尺寸通道较大的尺寸差异，小尺寸通道20b与大尺寸通道20a相连的通道中会产生较大程度的尺寸变化界面，通过突然的通道截面尺寸变化来消弭弯月面从而阻止液体流动，确保初始状态下空气通路管22中的气体不会与储液储管的液体混合；
截止阀26的多级管体中，大尺寸通道20a的截面宽度1.5mm，深度0.4mm，小尺寸通道20b的截面宽度0.2mm，深度0.2mm，浮动值±0.02mm。同理，突然变化的通道截面尺寸可确保初始状态下空气通路管22中的气体不会与主通道管10的液体混合。
上述尺寸设计系适用于板体原材料上的微加工作业条件而设置，在其他实施例中，只需符合大尺寸通道20a的长宽尺寸为小尺寸通道20b的对应长宽尺寸的2倍以上数值，即可形成差异性足够大的尺寸变化截面，从而满足在初始阶段截留空气通路管22内的预留空气的功能；
在其它实施例中，上述尺寸参数可取其浮动值范围进行调整，尺寸参数量根据样品液体10b的剂量进行同比调节。
如图3所示，检测管体40的管体一侧设有敞开区域，电极片嵌入敞开区域与检测管体40进行结合，优选的，电极片类型为纳米氧化铜电极。具体的，检测管体40朝上敞开，电极片从上方嵌入安装，有利于电极片维护调试、更替拆装的快速实施。
在本实施例中，集流管道42的管体支路连通设有两个平衡孔43，平衡孔43的端口朝向外界大气敞开，两个平衡孔43按多个检测管体40的阵列中线进行对称分布，以此令集流管道42及各个检测管体40内的末端气压保持平衡，从而快速弥补气压差并促使采集液体均匀分布于各个检测管体40中，达到准确的富集检测效果。
此外，毛细管泵50尾端设有排气孔51，用以维持其毛细驱动功能。
在本实施例中，供液单元20设有两个，其中一个供液单元20中的储液池管21内存有清洗剂21a，另一个供液单元20中的储液池管21内存有洗脱剂21b，按主通道管10的流体输送方向，设有清洗剂21a的供液单元20位于前端，设有洗脱剂21b的供液单元20位于后端，以此令主通道管10的样品液体10b输送完成后，提前触发前端供液单元20释放清洗剂21a，而后再触发后端供液单元20释放洗脱剂21b，从而针对整体柱组件30达到先清洗非特异性分子、再洗脱特异性分子的目的，从而能在排除干扰的情况下令检测管体40得到准确的乳酸检测参数。
本实施例的工作步骤如下：
S1：选用纯水作为清洗剂21a，通过前端供液单元20的液体入口23a加入清洗剂21a，使清洗剂21a通过保持阀23的狭长毛细管道流入并填满储液池管21，而后再流入触发阀24的狭长管道内，由于保持阀23、触发阀24的尺寸设计皆为毛细管道，当保持阀23、触发阀24的狭长管道内存有液体时，形成一定程度的毛细力并阻碍形成关闭状态，使中部储液储池管的清洗剂21a使其不再流动，以此达到暂存清洗剂21a的效果；
同时，在爆破阀25中大尺寸通道20a与小尺寸通道20b的交界面处，通过突然变化的通道截面尺寸变化来消弭液体弯月面，从而阻止交界面处的液体流动，以此令储液池管21中的清洗剂21a不会渗漏至空气通路管22中，进一步确保暂存清洗剂21a的效果；
选用乙腈水溶液作为洗脱剂21b，通过后端供液单元20的液体入口23a加入洗脱剂21b，同理使洗脱剂21b暂存于后端供液单元20的储液池管21内，形成如图6所示状态；
S2：以采集的唾液样本作为样品液体10b，在样品入口10a处加入样品液体10b，样品液体10b随主通道管10向右流动（如图7所示），并在毛细管泵50的驱动下进入整体柱组件30及后端管路；
此时，主通道管10内的样品液体10b与触发阀24内的液体发生接触，令储液池管21内的液体与主通道管10发生粘性连通，但由于储液池管21内的清洗剂21a、洗脱剂21b需要需从外界补偿管体气压差，方能进入主通道管10内，而上方保持阀23的管道设计尺寸比触发阀24更小（保持阀23宽度、深度仅为0.1mm），令保持阀23内液体形成较大的毛细力阻碍，使保持阀23连通的液体入口23a无法从外界补偿空气，保持阀23等效为关闭阀门而确保储液池管21的液体暂存于其管内；
由于保持阀23等效为关闭阀门，此时储液池管21仅能从其管体支路连接的爆破阀25与空气通路管22处补偿外界空气，但由于供液单元20的结构设计，令样品液体10b在流动过程中会提前封住截止阀26的小尺寸通道20b出口，而后样品液体10b再与触发阀24的端口接触，使得空气通路管22的两端端口皆处于封闭状态，因此，空气通路管22无法通过截止阀26-主通道管10-样品入口10a的路径从外界补偿空气，由于封闭状态的空气通路管22无法提供额外的气体，因此，储液池管21的液体也无法从其管体支路补偿气压差；
通过上述原理，储液池管21的端部、支路皆无法补偿气压差，以此令储液池管21内的液体无法流动至主通道管10，在本步骤中，储液池管21的液体不会受到主通道管10内液体的粘性影响而发生流动，清洗剂21a、洗脱剂21b被暂存至储液池管21内，以此确保样品液体10b可提前进入整体柱组件30内；
S3：当样品液体10b进入整体柱组件30后，由整体柱组件30中的印记整体柱31针对唾液样品液体中的特异性分子（乳酸分子）进行吸附，唾液样品液体中的其余非特异性分子成分随印记整体柱31的复合微孔通道流动至后端管路，并由分流管道41释放至各个检测管体40中，此时电极片不执行检测动作，令吸附处理后的样品液体10b排放至毛细管泵50；
此时，整体柱组件30的印记整体柱31虽能针对特异性的乳酸分子进行吸附，但由于其微孔通道结构易造成多种非特异性杂质分子的粘附残留，需针对性执行清洗工作；故而设计前端供液单元20储存清洗剂21a，如图8所示，随着主通道管10中的样品液体10b持续流动，其液体柱尾端越过第一个供液单元20的截止阀26时，截止阀26的端口失去液体阻隔而与主通道管10左端的样品入口10a连通，由于样品入口10a直接与外界大气连通，进而形成样品入口10a-主通道管10-截止阀26-空气通路管22-爆破阀25-储液池管21的气体通道，使得储液池管21的管体上段通过气体通道直接与样品入口10a敞开的外界大气连通，令外界空气可通过样品入口10a进入空气通路管22，并作为储液池管21的气压补偿介质，此时储液池管21内的清洗剂21a液体失去原先的密封阻隔调节，在主通道管10液体粘性力及毛细管泵50驱动力的共同作用下，清洗剂21a从触发阀24的管路渗漏至主通道管10并混入样品液体10b中，此时，储液池管21失去的液体空间由前端样品入口10a补偿新的空气进入空气通路管22，而后进入储液池管21以达到气压平衡，同时由于上端保持阀23中的残留液体具有一定的毛细力阻碍，令补偿的空气从储液池管21上段的爆破阀25入口处将清洗剂21a液体柱截断（保持阀23内液体柱比触发阀24内液体柱具有更强的滞留能力，促使储液池管21内的液体柱从保持阀23临近处被截断），而后气体从爆破阀25入口处不断汇入储液池管21内，直至储液池管21内的清洗剂21a全部流出至主通道管10，随后进入整体柱组件30中进行清洗，从而将印记整体柱31中粘附残留的非特异性分子进行洗涤祛除，并经检测管体40排放至后端的毛细管泵50，使印记整体柱31内只存在特异性吸附的乳酸分子；
此外，如图10所示，由于样品液体10b在越过截止阀26之后，便会立即触发储液池管21释放清洗剂21a，此时储液池管21通过触发阀24释放清洗剂21a的节点并非正好处于样品液体柱的尾端，而是处于样品液体柱尾端的前段位置，因而造成清洗剂21a的释放阶段与样品液体柱尾端形成一段残留液体柱，该残留液体柱可通过降低触发阀24与截止阀26的间距以压缩其柱体尺寸，并通过清洗剂21a的持续释放进行稀释、混匀，从而令残余液体柱在清洗剂21a的持续释放过程中得到清洗作用；同理，后端供液单元20的洗脱剂21b残留液体柱可按相同方式进行稀释混匀；
S4：待清洗剂21a排放至末端时刻，印记整体柱31已得到充分的洗涤作用，如图9所示，随着主通道管10内的残余清洗剂21a的持续流动，清洗剂21a液体柱的尾端开始越过第二个供液单元20的截止阀26端口，如步骤S3同理，此时第二个供液单元20的空气通路管22开始连通外界大气，使其相邻储液池管21内的洗脱剂21b朝下释放至主通道管10中，洗脱剂21b随主通道管10进入整体柱组件30后，开始针对印记整体柱31中仅存的特异性吸附的乳酸分子进行洗脱，使乳酸分子脱离分子印迹的吸附作用并混入洗脱剂21b内，此时而后随导引管32输送至后端；
此时携带乳酸分子的洗脱剂21b被分流管分散至各个检测管体40中，由于末端集流管上对称分布的平衡孔43可维持各个检测管体40的气压平衡，因此进入各个检测管体40的液体量可保持均衡，以此在检测管体40阵列中得到均匀分布的平铺式检测液面，并通过各个检测管体40顶部嵌入的电极片进行大面积的电性检测，此时即可记录多个电极片的检测参数，统计得出准确的乳酸分子含量。具体的，电极片阵列测得稳定状态的总电流为5.2×10-7A，对应乳酸浓度为1mmol/L。
经过上述作业步骤，通过简易、高效的自驱动过程对唾液中的乳酸分子进行富集预处理，以此快速得到乳酸分子的检测参数，进一步缩短实验周期并确保检测结果可实时反映患者当下的生理状态，并可在有限的实验条件、成本下实现对患者体液乳酸的现场快速检测（POCT），保障实时检测及诊断措施的有效性。
实施例二
本实施例与实施例一的不同在于变更触发阀24结构，以此达到缩减、消除残留液体柱的效果，进一步确保实时检测的有效性；
如图11-图13所示，触发阀24为弧形毛细管体，触发阀24的入口端与储液池管21的出口端连通，触发阀24的弧形管体有利于后续残余辅助试剂（清洗剂21a/洗脱剂21b）全部得到顺流释放，同时，其弧形弯曲的管体布置能缩短与截止阀26出口的间距，同时缩短空气通路管22与储液池管21先后被触发的时间差，达到缩减残余的样品液体柱的效果；
触发阀24的出口端管路嵌入于主通道管10的管体内腔中形成内嵌管体24a，内嵌管体24a呈直管状，并贴附于主通道管10上设有截止阀26一侧的管壁处，以此令内嵌管体24a能在主通道管10内尽可能贴近截止阀26出口的位置释放辅助试剂，进一步缩短空气通路管22触发与储液池管21释放液体之间的动作时间差，达到缩减残余的样品液体柱的效果；
内嵌管体24a的平直管壁与触发阀24的弧形管壁相切；以此令储液池管21释放液体时，可随触发阀24内弧形相切的平滑过渡管壁顺流至主通道管10内，确保辅助试剂的充分释放；
主通道管10上与截止阀26衔接的管体内腔为交界内腔10c，触发阀24的出口端及其末端管路延伸进入交界内腔10c中，以此确保触发阀24端口释放辅助试剂的区域与截止阀26受触发的区域重合，令后续辅助试剂的释放位置与输送样品液体10b的尾端位置几乎重合，以此达到缩减、消除尾端的残留液体柱的效果；
触发阀24的出口端越过截止阀26的小尺寸通道20b的管壁界面，进一步规避触发阀24出口端释放辅助试剂截断样品液体柱的可能，确保辅助试剂尽可能在接近样品液体柱尾端的位置进行释放；
触发阀24的出口端管壁贴附于截止阀26的小尺寸通道20b与主通道管10的衔接交界线，可令主通道管10液体柱尾端越过触发阀24出口端并产生形态缩减时，能够正好从末端牵引交界线处的触发阀24内腔液体流出，进一步确保辅助液体从样品液体10b尾端位置进行释放；
触发阀24的出口端的开口方向与主通道管10的输液方向相互平行且朝向相反，以此确保触发端能从平行于输液方向的朝向释放辅助液体，令辅助液体覆盖于样品液体柱缩减的尾端，确保辅助试剂正好能从液体柱尾端衔接样品液体10b。
在本实施例中，除上述特征外，本实施例的其余特征与实施例一中的自驱动微流控系统的相关特征相同。
本实施例的工作原理如下：
如图14所示，按实施例一相同步骤，先在两个供液单元20的储液池管21内分别加入清洗剂21a、洗脱剂21b，使清洗剂21a、洗脱剂21b进入触发阀24的毛细管内腔后截止（与实施例一的毛细力阻碍同理）；而后在样品入口10a处加入样品液体10b，样品液体10b沿主通道管10的轨迹漫延，其进入后端整体柱组件30的方式与实施例一相同；
如图15所示，样品液体10b的液体柱尾端开始越过截止阀26的小尺寸通道20b出口端，使空气通路管22与样品入口10a的外界大气连通，以此触发储液储管释放液体（与实施例一同理），此时，由于触发阀24的结构形态设计，样品液体柱的尾端需绕过上沿交界线处内嵌管体24a的阻挡，方能跟随进入主通道管10的后端管路，令样品液体柱的尾端上沿（方向依图15）呈现缩减趋势，此时，样品液体柱的尾端上沿出现的空缺区域正好被内嵌管体24a释放的清洗剂21a所填补，并在液体粘性牵引作用下，令内嵌管体24a及整个保持阀23中的清洗剂21a被陆续牵引至空缺区域，形成图16所示状态，此时，补入的清洗剂21a正好位于样品液体柱尾端的上沿区域，随着样品液体10b的持续输送，样品液体柱尾端继续右移，产生的空缺区域增多，其牵引而出的清洗剂21a液体柱随样品液体柱尾端顺流而下填补空区，形成如图17所示状态，在此状态下，清洗剂21a液体柱已完全衔接于样品液体柱的尾端位置，从而有效保证消除残留的样品液体柱的效果，使清洗剂21a能在样品液体柱的末端衔接并发挥效用，同理后端供液单元20的洗脱剂21b亦能在清洗剂21a液体柱的末端衔接并发挥效用，以此令清洗、洗脱均能得到正确的触发时机，消除残留样品液体柱造成的误差，进一步确保乳酸分子实时检测的有效性。
具体的，在本实施例中，电极片阵列测得稳定状态的总电流为5.23×10-7A，对应乳酸浓度为1.05mmol/L，以此获得高精度检测结果，因此，在实施例一的基础上，结合实施例二的特征结构，进一步保障实时检测及诊断措施的有效性。
实施例三
基于实施例一的基础，印记整体柱31具有较好的拆装便利性，在拆卸时可用水体冲击方式使印记整体柱31脱离适配凹槽；但由于印记整体柱31的圆柱体设计，令安装于装配基座的适配凹槽后，随着长期使用过程中的液体侵蚀作用，令印记整体柱31与适配凹槽的无缝贴附部位发生紧密粘附，令冲击水体难以将适配凹槽内粘附残留的印记整体柱31冲走，不利于微流控系统在长期作业后的现场快速检测功能；
因此，针对上述问题，本实施例提供了整体柱组件30的改进结构，如图18-图19所示，所述印记整体柱31嵌入于所述适配凹槽内的弧面设有多个弧形凹槽31b，多个所述弧形凹槽31b按所述印记整体柱31的中线进行圆周阵列分布，形成环绕所述印记整体柱31外沿的波浪弧形轮廓31a，在波浪弧形轮廓31a与适配凹槽内壁的抵触作用下，有效减少印记整体柱31与适配凹槽之间的无缝贴附面积，防止长期使用下的液体侵蚀而令印记整体柱31与适配凹槽发生粘附的可能性，有利于冲击水体将适配凹槽内粘附残留的印记整体柱31冲走；
同时，由于弧形凹槽31b的圆周阵列形成波浪弧形轮廓31a，各个弧形凹槽31b皆与其相邻部分通过弧面衔接形成柔性过渡结构，可有效确保工作液体（如样品液体、清洗剂、洗脱剂等）能在波浪形弧形轮廓内部产生较好的流体输送状态，且其柔性过渡轮廓不会产生内部涡流，以此在提高拆卸便利性的同时，确保输液顺畅及检测工作的有效性；
所述波浪弧形轮廓31a的外沿附有一层防水涂料31c；所述印记整体柱31未嵌入所述适配凹槽部位的表面不设有防水涂料31c，可令印记整体柱31中未设有防水涂料31c的表面可顺利接纳工作液体，以此执行检测工作；而底部的波浪弧形轮廓31a表面通过防水涂料31c的阻隔作用，可令工作液体被封存于印记整体柱31内部输送，因而液体不会透过底部渗漏至弧形凹槽31b外的空隙处，以此保障输液体量的完整性及液工作的顺利性；
同时，在利用冲击水体拆卸印记整体柱31时，水体可随波浪弧形轮廓31a与适配凹槽之间的缝隙渗入，而后聚集于弧形凹槽31b内的空腔中，随着积蓄水体的不断增多，水体抵触防水涂料31c而产生推移印记整体柱31的推力，以此进一步促进印记整体柱31残留物的排出；
在本实施例中，除上述特征外，本实施例的其余特征与实施例一中的自驱动微流控系统的相关特征相同。
通过使用COMSOL Multiphysics软件对本实施例中整体柱组件30的数模结构进行流体仿真，在导引管32一端设定流体入口、另一端设定流体出口，如图20所示，波浪弧形轮廓31a内部及印记整体柱31的其他部分均未产生内部涡流，可证明本实施例中印记整体柱31的波浪弧形轮廓31a结构设计能产生通畅性良好的微流体通道，确保后续样品不会发生残留，有利于全部样品液体10b得到充分的富集检测作用，并可在此基础上以其波浪弧形轮廓31a确保拆装更替的便利性。因此，在实施例一的基础上，结合实施例三的特征结构，可进一步保障实时检测及诊断措施的有效性。
以上所述，仅为本发明的优选实施例之一，并非用于针对本发明作出形式上的限制，应当理解，在权利要求书所限定的特征范围下，实施例还可作出其它等同形式的修改、变动及等同替换，这些都应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统，包括主通道管，其特征在于：所述主通道管为流体输送管体，所述主通道管的入口端为样品入口，所述主通道管的出口端与整体柱组件的入口端连通；所述主通道管的管体旁设有至少一个供液单元，所述供液单元中含有储液池管、空气通路管，所述储液池管的入口端与保持阀的出口端连通，所述储液池管的出口端通过触发阀与所述主通道管的管体支路连通；所述保持阀、所述触发阀皆为毛细管体；
所述保持阀的入口端为液体入口，所述储液池管的管体支路通过爆破阀与所述空气通路管的出口端连通，所述空气通路管的入口端通过截止阀与所述主通道管的管体支路连通；所述爆破阀、所述截止阀皆为大尺寸通道与小尺寸通道衔接组成的多级管体，在同一个所述爆破阀或所述截止阀中，所述大尺寸通道的长宽尺寸为所述小尺寸通道的对应长宽尺寸的2倍以上数值；所述爆破阀、所述截止阀中的所述大尺寸通道皆朝向所述空气通路管的方向进行衔接连通；
所述整体柱组件具有通过分子印迹方式针对特异性分子进行特异性吸附的功能，所述整体柱组件的出口端与分流管道入口端连通，所述分流管道的多个出口端分别与多个相互并联的检测管体连通，所述检测管体中设有朝向管体内腔敞开的电极片，多个所述检测管体的另一端分别与集流管道多个入口端连通，所述集流管道的出口端与毛细管泵的入口端连通，所述毛细管泵通过毛细力对所述主通道管内流体提供驱动力；
所述储液池管用于储存清洗剂或洗脱剂，所述清洗剂用于针对所述整体柱组件中滞留的非特异性分子进行清洗，所述洗脱剂用于针对所述整体柱组件所吸附的特异性分子进行洗脱；
所述整体柱组件含有导引管、印记整体柱，所述导引管的入口端与所述主通道管的出口端连通，所述导引管的出口端与所述分流管道的入口端连通；所述印记整体柱嵌入安装基座的适配凹槽中，所述适配凹槽与所述印记整体柱的形态相适配，所述导引管一侧敞开，并扣合于所述印记整体柱上，所述导引管分别与所述印记整体柱、所述安装基座贴附，形成封闭且必经过印记整体柱的内部通道；
所述印记整体柱的形态为圆柱形，所述安装基座与所述印记整体柱之间的交接部位设有倒角面，所述导引管设有与所述倒角面适配的斜坡。
2.根据权利要求1所述的基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统，其特征在于：所述印记整体柱嵌入于所述适配凹槽内的弧面设有多个弧形凹槽，多个所述弧形凹槽按所述印记整体柱的中线进行圆周阵列分布，形成环绕所述印记整体柱外沿的波浪弧形轮廓，所述波浪弧形轮廓的外沿附有一层防水涂料；所述印记整体柱未嵌入所述适配凹槽部位的表面不设有防水涂料。
3.根据权利要求1所述的基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统，其特征在于：所述印记整体柱是通过将模板、功能单体、引发剂、交联剂和致孔剂混合均匀后，使用紫外光照射聚合而成；
在所述模板、所述功能单体、所述引发剂、所述交联剂和所述致孔剂中的一种或多种介质中，采用MAA、EDMA、AIBN、1-dodecanol、DMF中的一种或多种成分进行制备。
4.根据权利要求1所述的基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统，其特征在于：所述主通道管的截面宽度为0.4mm，深度0.2mm，浮动值±0.05mm；
所述检测管体的截面宽度0.1mm，深度0.03mm，浮动值±0.02mm；
所述储液池管的截面宽度0.9mm，深度0.2mm，浮动值±0.1mm；
所述保持阀的截面宽度0.1mm，深度0.1mm，浮动值±0.02mm；
所述触发阀的截面宽度0.15mm，深度0.1mm，浮动值±0.02mm；
在所述爆破阀的多级管体中，大尺寸通道的截面宽度1.5mm，深度0.4mm，小尺寸通道的截面宽度0.6mm，深度0.2mm，浮动值±0.02mm；
所述截止阀的多级管体中，大尺寸通道的截面宽度1.5mm，深度0.4mm，小尺寸通道的截面宽度0.2mm，深度0.2mm，浮动值±0.02mm。
5.根据权利要求1所述的基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统，其特征在于：所述检测管体的管体一侧设有敞开区域，所述电极片嵌入所述敞开区域与所述检测管体进行结合。
6.根据权利要求1所述的基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统，其特征在于：所述集流管道的管体支路连通设有多个平衡孔，所述平衡孔的端口朝向外界大气敞开，多个所述平衡孔按多个所述检测管体的阵列中线进行对称分布。
7.根据权利要求1所述的基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统，其特征在于：所述供液单元至少设有两个，其中一个所述供液单元中的所述储液池管内存有清洗剂，另一个所述供液单元中的所述储液池管内存有洗脱剂，按所述主通道管的流体输送方向，设有所述清洗剂的所述供液单元位于前端，设有所述洗脱剂的所述供液单元位于后端。
8.根据权利要求1所述的基于整体柱富集分离的自驱动微流控系统，其特征在于：所述触发阀为弧形毛细管体，所述触发阀的入口端与所述储液池管的出口端连通，所述触发阀的出口端管路嵌入于所述主通道管的管体内腔中形成内嵌管体，所述内嵌管体呈直管状，并贴附于所述主通道管上设有所述截止阀一侧的管壁处，所述内嵌管体的平直管壁与所述触发阀的弧形管壁相切；
所述主通道管上与所述截止阀衔接的管体内腔为交界内腔，所述触发阀的出口端及其末端管路延伸进入所述交界内腔中，所述触发阀的出口端越过所述截止阀的小尺寸通道的管壁界面，所述触发阀的出口端管壁贴附于所述截止阀的小尺寸通道与所述主通道管的衔接交界线，所述触发阀的出口端的开口方向与所述主通道管的输液方向相互平行且朝向相反。
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