CN209446605U - 一种基于水凝胶的液流控制及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于水凝胶的液流控制及测量装置，属于微流控领域。本实用新型包括包括玻璃基片和固定在其上的PDMS芯片，PDMS芯片的表面设置有储液池Ⅰ和储液池Ⅱ，两者通过液体通道连通，液体通道的下方设置有多个微型半导体加热制冷器，微型半导体加热制冷器镶嵌在PDMS芯片内，液体通道的上层内壁修饰有水凝胶，液体通道的上层内壁靠近储液池Ⅱ的一端固定有电容式温度传感器。本实用新型通过毛细管内壁的水凝胶表面不同区域随温度变化引起浸润性的梯度变化，驱动储液池中流体产生定向流量，使用多条通道对试剂快速抽取，可以实现极少样品量的高灵敏度实时检测；本实用新型分析时间短、样品消耗量少、高灵敏度且成本较低。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于水凝胶的液流控制及测量装置，属于微流控领域。
背景技术
微流控芯片以及广泛应用于疾病诊断、药物筛选、环境检测、食品安全等领域。微反应器将反应空间受限在尺寸范围为数十到数百微米的通道内部。该尺度下反应体系具有高的比表面积和高的传质性能，不仅可以通过精确的过程控制大幅度地缩短反应时间和降低样品消耗，更重要的是以微反应器为基本单元直接进行数量的增加便可实现模块的集成，进而实现高通量的产品可控制备，从而避免了传统反应器直接几何放大导致的难于预期的非理想行为。
伴随着微流控的发展，其在生物药物分析和仿生中越来越重要，水凝胶性质和细胞外基质相似，常用来接种细胞应用广泛，也可以在水凝胶中构建微通道用于运输液体细胞和其他物质。水凝胶是3D的结构亲水性聚合物链缠绕的水性物质，99%的物质都是水分，孔径可控允许小的分子生物颗粒分在在其中，结合水和高渗透率使水凝胶非常适宜于细胞的三维培养及化学物质的运输。
而现有的微流控芯片所用驱动装置携带不便且不易微型化，现有的微流道温度传感器无法得到温度的空间分布。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是：用于解决现有的微流控芯片所用驱动装置携带不便且不易微型化，现有的微流道温度传感器无法得到温度的空间分布。
本实用新型技术方案是：一种基于水凝胶的液流控制及测量装置，包括玻璃基片1和固定在其上的PDMS芯片2，PDMS芯片2的表面设置有储液池Ⅰ3和储液池Ⅱ6，两者通过液体通道4连通，液体通道4的下方设置有多个微型半导体加热制冷器5，微型半导体加热制冷器5镶嵌在PDMS芯片2内，液体通道4的上层内壁修饰有水凝胶，液体通道4的上层内壁靠近储液池Ⅱ6的一端固定有电容式温度传感器7。
进一步的，所述储液池Ⅰ3设置为一个，通过多条液体通道4分别连通至对应的储液池Ⅱ6，微型半导体加热制冷器5呈长条状，多个之间相互间隔且平行排列，排列的方向与液体通道4的排列方向垂直。
进一步的，所述PDMS芯片2长为80mm，宽为60mm，高为10mm，储液池Ⅰ3长度为45mm，宽度为15mm，储液池Ⅱ6的直径为10mm，所述液体通道4的长为50mm，高为0.8mm，宽为0.8mm，微型半导体加热制冷器5的宽度为2mm。
本实用新型的工作原理：本实用新型通过液体通道内壁的水凝胶（PNIPAAm）表面不同区域随温度变化引起浸润性的梯度变化，驱动储液池中流体产生定向流量，使用多条通道对试剂快速抽取，可以实现极少样品量的高灵敏度实时检测；分析时间短、样品消耗量少、高灵敏度且成本较低，可应用于化学和生物分析、药物分析、环境以及食物分析等领域。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型实现了将流体采样、驱动、操控、运输及检测分析集成于微流控芯片上，实现液体流动可控、微量及痕量物质的输运以及高效检测，将分析实验室的功能转移至芯片上，组成了高速自动化的分析检测体系。
2、本实用新型使用水凝胶修饰液体通道。水凝胶是3D的结构亲水性聚合物链缠绕的水性物质，99%的物质都是水分，孔径可控允许小的分子生物颗粒分在在其中，结合水和高渗透率使水凝胶非常适宜于化学和生物分析、药物分析、环境以及食物分析。
3、本实用新型无需外加机械泵以及导管等其他装置引入流体，只需将样品滴入储液池Ⅰ中，应用润湿性梯度驱动储液池中流体产生定向流量，表面力代替体积压力促使流体在微通道中流动。
4、本实用新型设计了多条支路驱动储液池Ⅰ中的样品，样品经液体通道进入五个储液池Ⅱ。储液池Ⅱ中有将要参与检测的各种反应试剂，比如酶标记抗体试剂、清洗液、化学发光底物试剂等预先装填到芯片内部，进而可分别检测储液池Ⅰ中的不同成分，操作简便且大大提高了微量痕量物质的检测效率。
5、本实用新型利用温敏型材料PNIPAAm在临界溶液温度附近显著的体积改变来测量温度值，所用材料体积改变可逆重复率高，所测温度范围较广且响应性好。
6、本装置具有响应迅速、工艺简单、制造成本低、传感精度高、可多次使用等优点。
附图说明
图1是本实用新型整体结构示意图；
图2是本实用新型A-A剖视图；
图3是本实用新型电容式温度传感器原理图；
图1-3各标号：1-玻璃基片，2-PDMS芯片，3-储液池Ⅰ，4-液体通道，5-微型半导体加热制冷器，6-储液池Ⅱ，7-电容式温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。
实施例1：如图1-3所示，一种基于水凝胶的液流控制及测量装置，包括玻璃基片1和固定在其上的PDMS芯片2，PDMS芯片2的表面设置有储液池Ⅰ3和储液池Ⅱ6，两者通过液体通道4连通，液体通道4的下方设置有多个微型半导体加热制冷器5，微型半导体加热制冷器5镶嵌在PDMS芯片2内，液体通道4的上层内壁修饰有水凝胶，液体通道4的上层内壁靠近储液池Ⅱ6的一端固定有电容式温度传感器7。
本装置使用水凝胶修饰后的通道作为液体通道，水凝胶性质和细胞外基质相似，常用来接种细胞应用广泛，也可以在水凝胶中构建微通道用于运输液体细胞和其他物质。水凝胶是3D的结构亲水性聚合物链缠绕的水性物质，99%的物质都是水分，孔径可控允许小的分子生物颗粒分在在其中，结合水和高渗透率使水凝胶非常适宜于细胞的三维培养。本实施例中具体使用温敏高聚物PNIPAAm（N-异丙基丙烯酰胺）表面不同区域随温度变化引起浸润性的梯度变化，驱动储液池中流体产生定向流量。聚一异丙基丙烯酞胺类温敏高聚物受外界温度变化刺激时,分子构型会发生突变,导致其体积、疏水亲水性等重要物理化学性质的可逆改变。PNIPAAm在临界溶液温度附近显著的体积、疏水/亲水性等物理化学性质的改变，实现在通道内控制流体的运动状态。
在液体通道4的表面内通过层层自组装技术修饰上温敏高聚物PNIPAAm，通过微细加工技术如光刻技术将微型半导体加热制冷器5嵌入PDMS芯片2的内部，微型半导体加热制冷器5采用现有产品即可，电容式温度传感器7也采用同样的加工方法，也采用现有产品即可。
利用所述装置进行液流控制及流道内温度测量的具体操作为：在储液池Ⅰ3中滴入样品，每个微型半导体加热制冷器5进行加热或制冷，使液体通道由上游至下游（即储液池Ⅰ3至储液池Ⅱ6的方向）内部温度逐渐降低，得到浸润性的逐渐增加，从而驱动储液池中流体产生定向流量，流体流入液体通道4，经过电容式温度传感器7，当温度变化时，利用PNIPAAm凝胶网络结构低温溶胀、高温收缩的特性，导致电容式温度传感器7平板间的距离发生变化，造成电容量的变化，检测电容量改变即可得到温度值，其原理如图3所示，储液池Ⅰ3中的样品分别流入储液池Ⅱ6中，与储液池中的不同的化学物质（酶标记抗体试剂、清洗液、化学发光底物试剂等）进行反应，进而可分别检测储液池Ⅰ3中的不同成分，操作简便且大大提高了微量痕量物质的检测效率。
实施例2：其中储液池Ⅰ3和储液池Ⅱ6的个数、尺寸可以依据PDMS芯片2的尺寸进行自由调控，如图1-2所示，本实施例中PDMS芯片2长为80mm，宽为60mm，高为10mm，储液池Ⅰ3设置为一个，通过多条液体通道4分别连通至对应的储液池Ⅱ6，储液池Ⅰ3长度为45mm，宽度为15mm，储液池Ⅱ6的直径为10mm，所述液体通道4的长为50mm，高为0.8mm，宽为0.8mm，微型半导体加热制冷器5呈长条状，多个之间相互间隔且平行排列，排列的方向与液体通道4的排列方向垂直，微型半导体加热制冷器5的宽度为2mm。
由于整个PDMS芯片2是由PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料构成的，材料透光性好，便于实验时观察流体的流动特性，生物相容性佳以及良好的化学惰性，该材料韧性比较高，弹性好，耐久性和耐压性比较高。该装置使用简单，成本低，是一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。
上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，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做出各种变化。
Claims (3)
1.一种基于水凝胶的液流控制及测量装置，其特征在于：包括玻璃基片（1）和固定在其上的PDMS芯片（2），PDMS芯片（2）的表面设置有储液池Ⅰ（3）和储液池Ⅱ（6），两者通过液体通道（4）连通，液体通道（4）的下方设置有多个微型半导体加热制冷器（5），微型半导体加热制冷器（5）镶嵌在PDMS芯片（2）内，液体通道（4）的上层内壁修饰有水凝胶，液体通道（4）的上层内壁靠近储液池Ⅱ（6）的一端固定有电容式温度传感器（7）。
2.根据权利要求1所述的基于水凝胶的液流控制及测量装置，其特征在于：所述储液池Ⅰ（3）设置为一个，通过多条液体通道（4）分别连通至对应的储液池Ⅱ（6），微型半导体加热制冷器（5）呈长条状，多个之间相互间隔且平行排列，排列的方向与液体通道（4）的排列方向垂直。
3.根据权利要求1所述的基于水凝胶的液流控制及测量装置，其特征在于：所述PDMS芯片（2）长为80mm，宽为60mm，高为10mm，储液池Ⅰ（3）长度为45mm，宽度为15mm，储液池Ⅱ（6）的直径为10mm，所述液体通道（4）的长为50mm，高为0.8mm，宽为0.8mm，微型半导体加热制冷器的宽度为2mm。
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