CN209205326U - 一种基于表面张力的数字化操控平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于表面张力的数字化操控平台，属于微流控技术领域。该基于表面张力的数字化操控平台，包括矩形操控平台、液滴注射与抽离管道、凹槽、供液管道、供液系统总阀门、控制阀门、圆形通孔和支座。本实用新型不影响被控颗粒和液滴的PH值，表面电荷、温度、粘度等参数，以及标本活性，因此可用于生物、化学和医学分析过程的样品制备、混合、反应、运输基本操作中。本实用新型可根据实际需要修改矩形操控平台的尺寸，在几分钟甚至更短的时间内完成上百种样品的制备和预处理操作。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于表面张力的数字化操控平台，属于微流控技术领域。
背景技术
开口的微流控平台在生物医学、化学、新药物的开发等领域有着重要的现实意义，作为药物或反应物的载体—液滴需要从一个位置输送到另一个位置，传统的方法是采用移液器，人工操作。这样的方法需要耗费大量的人力与时间，并且操作过程容易出错，而想要将微小体积的液滴保持不变，且移动很小一段距离，变得不可实现。例如细菌干燥染色纸片（是将含有某种细菌的染色液吸收于滤纸片上，干燥制成，使用时加水渗透，析出着色涂片中的菌体，在显微镜下观察）的制作，需要人工进行标本涂片，自然干燥，火焰固定等操作，操作时间长，标本浓度不一致，染色液消耗大。
微流控芯片是当前微全分析系统发展的热点领域，是以微米尺度的芯片为操作平台，可以自动完成生物、化学和医学分析过程中的样品制备、反应、分离等基本操作单元。微流控芯片的优势在于流体流动可控、试剂和样品消耗少、分析速度快、体积小、便于携带。微流控芯片采用电润湿、介电泳法和热毛细管法等实现对液滴或细胞的操控和运输，但是这使颗粒或细胞受到电场力和温度场的影响导致死体积和分析误差的增加。近年来也有不少国内外的研究者通过在操控平板上制造温差产生表面张力梯度来推动液滴迁移，操控平板上铺着一层润滑剂减小驱动力，但液滴运动过程中由于加热蒸发产生了质量消耗。
以表面张力梯度作为动力来移动微小物体（可以是固体，也可以是液滴），则避免了电场力的影响和与被控物体的直接接触。影响表面张力的因素除了温度还有表面活性剂浓度和溶液自身浓度，采用改变表面活性剂浓度或溶液自身浓度的方法产生表面张力梯度就能避免温度场对被控物体的影响。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种基于表面张力的数字化操控平台。本实用新型基于表面张力的数字化操控平台为非直接接触的、高效的操控固体颗粒或液滴的精确控制平台。本实用新型通过以下技术方案实现。
一种基于表面张力的数字化操控平台，包括矩形操控平台1、液滴注射与抽离管道2、凹槽3、供液管道4、供液系统总阀门5、控制阀门6、圆形通孔7和支座8；
所述矩形操控平台1为顶面设有四块侧板的凹板平台，矩形操控平台1底面四个角上均匀设有支座8；
所述矩形操控平台1四块侧板分别均匀设有若干穿过侧板的液滴注射与抽离管道2，每块侧板上的液滴注射与抽离管道2间隔距离相等，呈对称分布，且液滴注射与抽离管道2通道中心线与矩形操控平台1的侧板表面相垂直，液滴注射与抽离管道2外侧可连接液滴注射装置或抽离装置；
所述矩形操控平台1底面设有若干均匀分布的凹槽3，每个凹槽3的底部中心都开有对应的圆形通孔7，凹槽3通过圆形通孔7连通供液管道4；供液管道4由一条主路和数条支路组成，数条支路一端分别通过控制阀门6连通圆形通孔7然后连接凹槽3，数条支路另一端连接到供液管道4主路上，供液管道4主路上设有供液系统总阀门5；
当基于表面张力的数字化操控平台使用时，矩形操控平台1内应铺设一层与被控液滴或颗粒不相溶的液体作为一种表面润滑剂且表面润滑剂液位应浸没凹槽3，供液管道4内则通入能够改变该表面润滑剂液体表面张力的表面活性剂。
所述控制阀门6为无线控制阀门，无线控制阀门与阀门控制装置连接，阀门控制装置通过无线通信网络与终端服务器连接，阀门控制装置用于实现接收终端服务器指令、回送数据、查询阀门状态、控制阀门功能，终端服务器用于计算选出液膜迁移到达终点的最优方向和最短路径。阀门控制装置由一块单片机作为主控制芯片，能实现接收终端服务器指令、回送数据、查询阀门状态、控制阀门等功能（可采用CN201410307887.9所述无线远程阀门控制装置），终端服务器采用Visual Basis、Visual C++、Labview等软件环境用于计算选出液膜迁移到达终点的最优方向和最短路径。
所述矩形操控平台1每块侧板上的液滴注射与抽离管道2间水平距离至少为凹槽3边长的6~10倍，高度大于矩形操控平台1高度的三分之二，滴注射与抽离管道2穿过侧板的内侧长度至少到达矩形操控平台1的第二排凹槽3上。
所述液滴注射与抽离管道2截面为圆形，直径为50~700μm。
所述凹槽3边长应小于被控液滴或颗粒直径的二分之一。
所述圆形通孔7直径小于凹槽3的边长，直径为0.1~1mm。
被控载体为颗粒时，能不设置液滴注射与抽离管道2。
上述矩形操控平台1上被控颗粒或液滴的直径为2~6mm。
该基于表面张力的数字化操控平台的工作原理为：
基于表面张力的数字化操控平台的操纵对象为颗粒或液滴，在矩形操控平台1内铺设一种与被控颗粒或液滴不相溶的表面润滑剂，表面润滑剂的液位稍微高于凹槽3，这里以注入表面活性剂产生的表面张力梯度实现液滴操控为例说明操控平台工作过程，改变溶液自身浓度操控颗粒或液滴的原理类似。首先利用注射泵或微流泵将被控液滴从液滴注射与抽离管道2泵入矩形操控平台1内的表面润滑剂上，如图3（a）-3（b）所示，根据所选液滴注射与抽离管道2的序号确定液滴位置对应的凹槽3的坐标，在终端服务器上设置液膜迁移的终点坐标，控制系统通过计算选出到达终点的最优方向和最短路径，以及液滴位置对应的凹槽3下控制阀门6的打开关闭时间；然后终端服务器通过无线通信网络对阀门控制装置发送指令，阀门控制装置打开对应控制阀门6，在凹槽3内释放不同浓度的表面活性剂（表面活性剂是指加入少量能使其溶液体系的界面状态发生明显变化的物质，其分子结构具有两亲性：一端为亲水基，另一端为疏水基），如图3（c）所示；表面活性剂达到一定浓度后会迅速吸附在表面润滑剂的气液界面上排列成排（表面润滑剂的属性决定了活性剂分子的吸附在气液界面上的端头），该位置的表面张力下降，沿终点方向的位置的表面张力不变，此时液滴受到表面张力梯度的作用以速度V向终点坐标迁移，如图3（d）所示。在整个过程中，液滴的运动方向与速度由终端服服务器上的控制系统实现数字化控制。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型能够在不接触、不破坏被控颗粒和液滴的情况下，准确的调控液滴的二维运动，并且可以实现数字化控制。
2、为使用者解除负担，采用适应各种基本操作的无线数字化控制系统可以让非专业人士操控平台，操控灵活、应用范围广泛。
3、本实用新型不影响被控颗粒和液滴的PH值，表面电荷、温度、粘度等参数，以及标本活性，因此可用于生物、化学和医学分析过程的样品制备、混合、反应、运输基本操作中。
4、本实用新型可根据实际需要修改矩形操控平台的尺寸，在几分钟甚至更短的时间内完成上百种样品的制备和预处理操作。
附图说明
图1是本实用新型结构示意图；
图2是本实用新型局部剖示意图；
图3是本实用新型原理示意图；
图4是本实用新型实施例1操控液滴混合示意图；
图5是本实用新型实施例2细菌干燥染色纸片的标本涂片示意图。
图中：1-矩形操控平台，2-液滴注射与抽离管道，3-凹槽，4-供液管道，5-供液系统总阀门，6-控制阀门，7-圆形通孔，8-支座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
实施例1
如图1至2所示，该基于表面张力的数字化操控平台，包括矩形操控平台1、液滴注射与抽离管道2、凹槽3、供液管道4、供液系统总阀门5、控制阀门6、圆形通孔7和支座8；
所述矩形操控平台1为顶面设有四块侧板的凹板平台，矩形操控平台1底面四个角上均匀设有支座8；
所述矩形操控平台1四块侧板分别均匀设有若干穿过侧板的液滴注射与抽离管道2，每块侧板上的液滴注射与抽离管道2间隔距离相等，呈对称分布，且液滴注射与抽离管道2通道中心线与矩形操控平台1的侧板表面相垂直，液滴注射与抽离管道2外侧可连接液滴注射装置或抽离装置；
所述矩形操控平台1底面设有若干均匀分布的凹槽3，每个凹槽3的底部中心都开有对应的圆形通孔7，凹槽3通过圆形通孔7连通供液管道4；供液管道4由一条主路和数条支路组成，数条支路一端分别通过控制阀门6连通圆形通孔7然后连接凹槽3，数条支路另一端连接到供液管道4主路上，供液管道4主路上设有供液系统总阀门5；
当基于表面张力的数字化操控平台使用时，矩形操控平台1内应铺设一层与被控液滴或颗粒不相溶的液体作为一种表面润滑剂且表面润滑剂液位应浸没凹槽3，供液管道4内则通入能够改变该表面润滑剂液体表面张力的表面活性剂。
所述控制阀门6为无线控制阀门，无线控制阀门与阀门控制装置连接，阀门控制装置通过无线通信网络与终端服务器连接，阀门控制装置用于实现接收终端服务器指令、回送数据、查询阀门状态、控制阀门功能，终端服务器用于计算选出液膜迁移到达终点的最优方向和最短路径。阀门控制装置由一块89C51单片机作为主控制芯片，能实现接收终端服务器指令、回送数据、查询阀门状态、控制阀门等功能（可采用CN201410307887.9所述无线远程阀门控制装置），终端服务器采用Visual Basis、Visual C++、Labview等软件环境用于计算选出液膜迁移到达终点的最优方向和最短路径。
其中矩形操控平台1采用透明硅片制成，所述矩形操控平台1其中一对相对侧板上的设有两个液滴注射与抽离管道2，另一对相对侧板上的设有四个液滴注射与抽离管道2，液滴注射与抽离管道2间水平距离为凹槽3边长的6倍，高度大于矩形操控平台1高度的三分之二，滴注射与抽离管道2穿过侧板的内侧长度至少到达矩形操控平台1的第二排凹槽3上（内侧长度为4mm）；所述液滴注射与抽离管道2截面为圆形，直径为200μm；凹槽3边长应小于被控液滴或颗粒直径的二分之一；所述圆形通孔7直径小于凹槽3的边长，直径为1mm。
将本实施例中的基于表面张力的数字化操控平台用于操控液滴混合，操控液滴混合示意图如图4所示，首先利用注射泵将被控液滴A和液滴B分别从序号为1和4的液滴注射与抽离管道2泵入矩形操控平台1内的表面润滑剂上，其中液滴A和液滴B是不同的待混合试剂，如图4（a）所示，在控制系统的工作界面上设置液滴A的初始坐标和终点坐标，控制系统通过计算选出到达终点的最优方向和最短路径，以及无线控制阀门6的打开关闭时间；然后液滴A受到表面张力梯度的作用以速度V向终点坐标迁移，与液滴B混合，如图4（b）所示。最后，液滴混合物通过4号液滴注射与抽离管道2抽离到采集试管内，如图4（c）所示。
实施例2
如图1至2所示，该基于表面张力的数字化操控平台，包括矩形操控平台1、液滴注射与抽离管道2、凹槽3、供液管道4、供液系统总阀门5、控制阀门6、圆形通孔7和支座8；
所述矩形操控平台1为顶面设有四块侧板的凹板平台，矩形操控平台1底面四个角上均匀设有支座8；
所述矩形操控平台1四块侧板分别均匀设有若干穿过侧板的液滴注射与抽离管道2，每块侧板上的液滴注射与抽离管道2间隔距离相等，呈对称分布，且液滴注射与抽离管道2通道中心线与矩形操控平台1的侧板表面相垂直，液滴注射与抽离管道2外侧可连接液滴注射装置或抽离装置；
所述矩形操控平台1底面设有若干均匀分布的凹槽3，每个凹槽3的底部中心都开有对应的圆形通孔7，凹槽3通过圆形通孔7连通供液管道4；供液管道4由一条主路和数条支路组成，数条支路一端分别通过控制阀门6连通圆形通孔7然后连接凹槽3，数条支路另一端连接到供液管道4主路上，供液管道4主路上设有供液系统总阀门5；
当基于表面张力的数字化操控平台使用时，矩形操控平台1内应铺设一层与被控液滴或颗粒不相溶的液体作为一种表面润滑剂且表面润滑剂液位应浸没凹槽3，供液管道4内则通入能够改变该表面润滑剂液体表面张力的表面活性剂。
所述控制阀门6为无线控制阀门，无线控制阀门与阀门控制装置连接，阀门控制装置通过无线通信网络与终端服务器连接，阀门控制装置用于实现接收终端服务器指令、回送数据、查询阀门状态、控制阀门功能，终端服务器用于计算选出液膜迁移到达终点的最优方向和最短路径。阀门控制装置由一块89C51单片机作为主控制芯片，能实现接收终端服务器指令、回送数据、查询阀门状态、控制阀门等功能（可采用CN201410307887.9所述无线远程阀门控制装置），终端服务器采用Visual Basis、Visual C++、Labview等软件环境用于计算选出液膜迁移到达终点的最优方向和最短路径。
其中矩形操控平台1采用透明硅片制成，所述矩形操控平台1其中一对相对侧板上的设有两个液滴注射与抽离管道2，另一对相对侧板上的设有四个液滴注射与抽离管道2，液滴注射与抽离管道2间水平距离为凹槽3边长的10倍，高度大于矩形操控平台1高度的三分之二，滴注射与抽离管道2穿过侧板的内侧长度至少到达矩形操控平台1的第二排凹槽3上（内侧长度为4mm）；所述液滴注射与抽离管道2截面为圆形，直径为700μm；凹槽3边长应小于被控液滴或颗粒直径的二分之一；所述圆形通孔7直径小于凹槽3的边长，直径为0.1mm。
将本实施例中的基于表面张力的数字化操控平台用于制备细菌干燥染色纸片的标本涂片，被控液滴为含有一定细菌浓度的染色液，矩形操控平台1上方的某一位置悬挂着定性滤纸片，通过控制系统将染色液运输到滤纸片下方，滤纸片吸收染色液，完成标本涂片，如图5所示。
实施例3
如图1至2所示，该基于表面张力的数字化操控平台，包括矩形操控平台1、液滴注射与抽离管道2、凹槽3、供液管道4、供液系统总阀门5、控制阀门6、圆形通孔7和支座8；
所述矩形操控平台1为顶面设有四块侧板的凹板平台，矩形操控平台1底面四个角上均匀设有支座8；
所述矩形操控平台1四块侧板分别均匀设有若干穿过侧板的液滴注射与抽离管道2，每块侧板上的液滴注射与抽离管道2间隔距离相等，呈对称分布，且液滴注射与抽离管道2通道中心线与矩形操控平台1的侧板表面相垂直，液滴注射与抽离管道2外侧可连接液滴注射装置或抽离装置；
所述矩形操控平台1底面设有若干均匀分布的凹槽3，每个凹槽3的底部中心都开有对应的圆形通孔7，凹槽3通过圆形通孔7连通供液管道4；供液管道4由一条主路和数条支路组成，数条支路一端分别通过控制阀门6连通圆形通孔7然后连接凹槽3，数条支路另一端连接到供液管道4主路上，供液管道4主路上设有供液系统总阀门5；
当基于表面张力的数字化操控平台使用时，矩形操控平台1内应铺设一层与被控液滴或颗粒不相溶的液体作为一种表面润滑剂且表面润滑剂液位应浸没凹槽3，供液管道4内则通入能够改变该表面润滑剂液体表面张力的表面活性剂。
所述控制阀门6为无线控制阀门，无线控制阀门与阀门控制装置连接，阀门控制装置通过无线通信网络与终端服务器连接，阀门控制装置用于实现接收终端服务器指令、回送数据、查询阀门状态、控制阀门功能，终端服务器用于计算选出液膜迁移到达终点的最优方向和最短路径。阀门控制装置由一块89C51单片机作为主控制芯片，能实现接收终端服务器指令、回送数据、查询阀门状态、控制阀门等功能（（可采用CN201410307887.9所述无线远程阀门控制装置），终端服务器采用Visual Basis、Visual C++、Labview等软件环境用于计算选出液膜迁移到达终点的最优方向和最短路径。
其中矩形操控平台1采用透明硅片制成，所述矩形操控平台1其中一对相对侧板上的设有两个液滴注射与抽离管道2，另一对相对侧板上的设有四个液滴注射与抽离管道2，液滴注射与抽离管道2间水平距离为凹槽3边长的8倍，高度大于矩形操控平台1高度的三分之二，滴注射与抽离管道2穿过侧板的内侧长度至少到达矩形操控平台1的第二排凹槽3上（内侧长度为4mm）；所述液滴注射与抽离管道2截面为圆形，直径为50μm；凹槽3边长应小于被控液滴或颗粒直径的二分之一；所述圆形通孔7直径小于凹槽3的边长，直径为0.8mm。
实施例4
该基于表面张力的数字化操控平台应用在被控载体为颗粒时，包括矩形操控平台1、凹槽3、供液管道4、供液系统总阀门5、控制阀门6、圆形通孔7和支座8；
所述矩形操控平台1为顶面设有四块侧板的凹板平台，矩形操控平台1底面四个角上均匀设有支座8；
所述矩形操控平台1底面设有若干均匀分布的凹槽3，每个凹槽3的底部中心都开有对应的圆形通孔7，凹槽3通过圆形通孔7连通供液管道4；供液管道4由一条主路和数条支路组成，数条支路一端分别通过控制阀门6连通圆形通孔7然后连接凹槽3，数条支路另一端连接到供液管道4主路上，供液管道4主路上设有供液系统总阀门5；
当基于表面张力的数字化操控平台使用时，矩形操控平台1内应铺设一层与被控液滴或颗粒不相溶的液体作为一种表面润滑剂且表面润滑剂液位应浸没凹槽3，供液管道4内则通入能够改变该表面润滑剂液体表面张力的表面活性剂。
所述控制阀门6为无线控制阀门，无线控制阀门与阀门控制装置连接，阀门控制装置通过无线通信网络与终端服务器连接，阀门控制装置用于实现接收终端服务器指令、回送数据、查询阀门状态、控制阀门功能，终端服务器用于计算选出液膜迁移到达终点的最优方向和最短路径。阀门控制装置由一块89C51单片机作为主控制芯片，能实现接收终端服务器指令、回送数据、查询阀门状态、控制阀门等功能（（可采用CN201410307887.9所述无线远程阀门控制装置），终端服务器采用Visual Basis、Visual C++、Labview等软件环境用于计算选出液膜迁移到达终点的最优方向和最短路径。
其中凹槽3边长应小于被控液滴或颗粒直径的二分之一；所述圆形通孔7直径小于凹槽3的边长，直径为0.8mm。
以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种基于表面张力的数字化操控平台，其特征在于：包括矩形操控平台（1）、液滴注射与抽离管道（2）、凹槽（3）、供液管道（4）、供液系统总阀门（5）、控制阀门（6）、圆形通孔（7）和支座（8）；
所述矩形操控平台（1）为顶面设有四块侧板的凹板平台，矩形操控平台（1）底面四个角上均匀设有支座（8）；
所述矩形操控平台（1）四块侧板分别均匀设有若干穿过侧板的液滴注射与抽离管道（2），每块侧板上的液滴注射与抽离管道（2）间隔距离相等，呈对称分布，且液滴注射与抽离管道（2）通道中心线与矩形操控平台（1）的侧板表面相垂直，液滴注射与抽离管道（2）外侧可连接液滴注射装置或抽离装置；
所述矩形操控平台（1）底面设有若干均匀分布的凹槽（3），每个凹槽（3）的底部中心都开有对应的圆形通孔（7），凹槽（3）通过圆形通孔（7）连通供液管道（4）；供液管道（4）由一条主路和数条支路组成，数条支路一端分别通过控制阀门（6）连通圆形通孔（7）然后连接凹槽（3），数条支路另一端连接到供液管道（4）主路上，供液管道（4）主路上设有供液系统总阀门（5）；
当基于表面张力的数字化操控平台使用时，矩形操控平台（1）内应铺设一层与被控液滴或颗粒不相溶的液体作为一种表面润滑剂且表面润滑剂液位应浸没凹槽（3），供液管道（4）内则通入能够改变该表面润滑剂液体表面张力的表面活性剂。
2.根据权利要求1所述的基于表面张力的数字化操控平台，其特征在于：所述控制阀门（6）为无线控制阀门，无线控制阀门与阀门控制装置连接，阀门控制装置通过无线通信网络与终端服务器连接，阀门控制装置用于实现接收终端服务器指令、回送数据、查询阀门状态、控制阀门功能，终端服务器用于计算选出液膜迁移到达终点的最优方向和最短路径。
3.根据权利要求2所述的基于表面张力的数字化操控平台，其特征在于：所述矩形操控平台（1）每块侧板上的液滴注射与抽离管道（2）间水平距离至少为凹槽（3）边长的6~10倍，高度大于矩形操控平台（1）高度的三分之二，滴注射与抽离管道（2）穿过侧板的内侧长度至少到达矩形操控平台（1）的第二排凹槽（3）上。
4.根据权利要求2所述的基于表面张力的数字化操控平台，其特征在于：所述液滴注射与抽离管道（2）截面为圆形，直径为50~700μm。
5.根据权利要求2所述的基于表面张力的数字化操控平台，其特征在于：所述凹槽（3）边长应小于被控液滴或颗粒直径的二分之一。
6.根据权利要求2所述的基于表面张力的数字化操控平台，其特征在于：所述圆形通孔（7）直径小于凹槽（3）的边长，直径为0.1~1mm。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的基于表面张力的数字化操控平台，其特征在于：被控载体为颗粒时，能不设置液滴注射与抽离管道（2）。
Priority Applications (1)
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2018
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