一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统及其驱动方式和应用

1.本发明属于液体输送技术领域，具体涉及一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统及其应用。


背景技术：

2.近年来，微流控技术因其试剂消耗少、分析速度快、通量高、易集成和自动化等优势，在生物、医学和化学领域受到广泛关注并得到越来越多的应用。对于微流控技术来说，微流体驱动是其应用操作的关键，微流控分析中所涉及的进样、混合、反应、分离等过程无一不涉及微流体驱动。
3.在微流控技术应用中，流体驱动的方式一般可分为机械驱动方式和非机械驱动方式两类。机械驱动方式主要利用泵体系统相关部件的机械运动来达到驱动流体的目的，典型的机械驱动方式包括压电式、蠕动式、往复式、离心式等，基于这类驱动方式的泵体系统往往结构复杂、价格昂贵、功率消耗大，难以实现低成本、便携式应用。非机械驱动方式的特点是泵体系统本身没有活动的机械部件，包括电渗驱动、重力驱动等，尽管这类驱动方式较机械驱动方式有较高的可靠性，但是基于这类驱动方式的泵系统要么需要外置的驱动电路或者设备，要么需要大体积的样品量，降低了系统的可便携性，限制了其应用场景。
4.目前，在微流控领域，大多数科研人员选择精密注射泵或集成高精度压力传感器的气压泵来驱动微流体。注射泵技术相对简单，采用步进电机直线驱动注射器的活塞，然而，注射泵应用于微流控技术时，存在响应速度慢、流体运动具有周期脉动现象等问题。不同于注射泵，气压泵在微流控芯片的通道内可以短时间内建立无脉冲的液体流动，压力变化在流体装置内可以无延迟的进行传播，从而可以进行快速的流量切换，而且泵体系统没有运动的机械部件，不会产生因为机械部件的运动导致的流速脉冲性波动的问题，因而，具有响应速度快、流体速度平稳等优势。目前应用于微流控领域的典型的商业化气压泵，如elveflow公司生产的ob1 mk3+系统和fluigent公司生产的mfcstm-ez系统，尽管具有较快的反应速度、较高的压力控制精度，但是，这些商业化的微流控驱动气压泵均集成了精密的压力传感器、流量传感器和复杂的控制单元，其价格远高于其它类型的微流控驱动装置，而且，现有的商业化微流控气压泵体积和注射泵差不多大小，仍然无法满足即时检验(point-of-care testing)和现场快速分析等应用场景对于设备便携化的要求，另外压力控制器对电源的需求也限制了其在复杂环境下例如野外场景的使用。为了适应即时以及现场生化分析对微流控检测系统微型化、低成本化、便携化提出的高要求，促进微流控技术在即时检验和现场快速分析等领域的应用，迫切需要发展一种结构简单、成本低廉、低能耗的气压控制方法和装置。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术，本发明提供一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统及其驱动方式和应用，以解决现有流体驱动装置不便于携带、成本高、反应不即时等问题。
6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统，包括气压源、气流管路和多孔膜组件；气流管路一端与气压源连接，另一端延伸至待驱动的微流体；多孔膜组件包括至少一个多孔膜，多孔膜集成于气流管路上。
7.本发明中的驱动系统中设置有多孔膜，通过调节多孔膜结构参数可以改变其对气体分子的通透性，进而实现调节泵压和流速的目的。当多孔膜两侧存在压强差时，气体分子将从压强高的一侧扩散到压强低的一侧(如图1所示)，随着气体量的增加，膜后的压强也会缓慢的增加，从而增加后端待驱动微流体的流速。膜后压强增加的快慢与多孔膜的气体通透性高低成正比，而多孔膜的气体通透速率与多孔膜的孔隙率和多孔膜的面积成正比，与多孔膜的厚度成反比。在整个流路系统中，多孔膜可以视为“流阻”器件，不同结构参数使得多孔膜对气体具有不同的“流阻值”，当气压源加载的气压值不变时，不同“流阻值”的多孔膜可使得流路中产生不同气体体积流速，从而在膜后产生不同的驱动压强。因此通过切换不同结构参数的多孔膜流路，可以实现流体驱动压强的快速、灵活调控。
8.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
9.进一步，气流管路包括多个支路，每个支路上均集成有多孔膜组件。
10.进一步，气压源为正向气压源和/或负向气压源。
11.进一步，正向气压源为储存有压缩二氧化碳气体、压缩氧气、压缩氢气、压缩氩气、压缩氮气或压缩空气的装置，正向气压源设置于待驱动微流体流动方向后端；负向气压源为真空容器或抽气装置；负向气压源设置于待驱动微流体流动方向前端。
12.进一步，多孔膜组件中的多孔膜设置有多个，多个多孔膜串联集成于气流管路上，或者是多个多孔膜通过切换阀并联集成于气流管路上。
13.进一步，多孔膜为有机多孔膜、无机多孔膜或微颗粒填充微管形成的孔隙微柱。
14.类似电路系统，为了实现不同“流阻值”需求，流路系统中可以按需进行多个多孔膜的串联或者并联组合。多孔膜的串联组合可以很方便的对泵压和流速按倍数进行调节，多孔膜的并联组合可以将同一个压力源扩展为一组相同或不同的压力源。另外，为了实现流路中流体流速的灵活调控，可以通过切换阀在并联的多个不同结构参数多孔膜流路之间切换，快速改变流路气体流速，实现驱动压强的调节和待驱动流体流速的调控。切换阀包含至少三个端口，且其中一个端口与大气环境相通；切换阀可以位于多孔膜模块前端，也可以位于多孔膜模块后端。
15.进一步，有机多孔膜的孔隙率为0％-50％，厚度为50μm-10mm，面积为5mm
2-25mm2；无机多孔膜的孔隙率为1％-50％，厚度为5μm-500μm，面积为0.8mm
2-25mm2；孔隙微柱的孔隙率为10％-80％，厚度为2mm-10mm，面积为800μm
2-5mm2。
16.进一步，气压源与多孔膜组件之间设置有减压阀。
17.本发明还提供了上述基于多孔膜调控的微流体驱动系统在微流控芯片实验中的应用。
18.本发明的有益效果是：相比于现有的流体驱动装置，本发明提供的微流体驱动系统无需精密、昂贵的气压传感器和复杂的控制设备，可大大降低流体驱动系统的体积和成本，而且由于多孔膜结构在流路系统中可以产生极低的气体流速，因而该驱动系统可以实现传统驱动系统无法实现的微量流体极低流速调控，能够应用于特殊应用场景。本发明提供的驱动系统可以对流体驱动压强和流体流速进行简便、灵活、宽范围调控，尤其是采用抛
弃式微型压缩气体瓶或微型抽气装置作为气压源，可实现便携式流体驱动，应用于微流控检测系统和芯片实验室。
附图说明
19.图1为本发明基于多孔膜调节气体流速实现流体驱动压强调控的原理示意图(p0：膜前压强；p1：膜后压强；r
fluid
：多孔膜产生的气体流阻；q：透膜气体流量；p1＝p
0-r
fluid
·
q)；
20.图2为本发明实施例所使用的有机多孔膜、无机多孔膜和孔隙微柱的横截面电镜图；其中a为pdms多孔膜典型电镜图；图b为al2o3无机多孔膜典型电镜图；图c为聚苯乙烯小球填充毛细玻璃管形成的孔隙微柱横截面典型电镜图；
21.图3为本发明一种基于多孔膜的正压驱动系统应用于微流控芯片流体驱动的组成结构示意图；
22.图4为本发明一种基于多孔膜的负压驱动系统应用于微流控芯片流体驱动的组成结构示意图；
23.图5为本发明一种基于多孔膜的正压驱动系统应用于驱动两路流体的组成结构示意图；
24.图6为本发明实施例1将一种基于多孔膜的正压驱动系统应用于液滴生成实验的示意图；其中a为驱动系统示意图；b为液滴生成芯片示意图；c为实验结果图；
25.图7为本发明实施例2将一种基于多孔膜的正压驱动系统应用于浓度梯度产生实验的示意图；其中a为驱动系统示意图；b为梯度生成芯片示意图；c为实验结果图；
26.图8为本发明实施例3将一种基于多孔膜的负压驱动系统应用于长期灌注培养实验的示意图；其中a为驱动系统示意图；b为细胞培养芯片示意图；c为实验结果图；
27.其中，1、多孔膜；2、切换阀；3、试样瓶；4、减压阀；5、微型压缩气瓶；6、微流控芯片；7、微型真空泵；8、多孔膜组件；9、废液瓶；10、阀门；11、水相试样瓶；12、油相试样瓶；13、油相进样口；14、水相进样口；15、液滴形成区；16、出样口；17、缓冲剂瓶；18、样品液进样口；19缓冲液进样口；20、浓度梯度形成区；21、微腔阵列。
具体实施方式
28.下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
29.实施例1
30.一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统，如图6所示，包括带有减压阀4的抛弃型二氧化碳微型压缩气瓶5和两组并联设置的多孔膜组件8，每组多孔膜组件8均包括三个通过切换阀2并联连接的pdms多孔膜，其中多孔膜的孔隙率从上至下分别为15.77％、25.84％、40.12％，厚度均为5mm，面积均为12mm2。
31.上述基于多孔膜的正压驱动系统应用于液滴生成实验，如图6所示(图6a、6b和6c分别是驱动系统示意图、液滴生成芯片示意图和实验结果图)，具体实施方式如下所述:
32.(1)组装：按照图6a所示，将带有减压阀4的抛弃型二氧化碳微型压缩气瓶5(95g)与两组并联的多孔膜组件8连接起来，两组多孔膜组件8另一端分别与水相试样瓶11和油相试样瓶12(加有2％span 80的石蜡油)相连，水相试样瓶11和油相试样瓶12分别与微流控芯片6的水相进样口14和油相进样口13相连；
33.(2)驱动：缓慢打开与微型压缩气瓶5相连接的减压阀4，调节减压阀4至合适的开度，水相试样瓶11和油相试样瓶12中的流体被微型压缩气瓶5中增加的气体压力驱动至液滴生成芯片中，在油相流体剪切力的作用下，水相液体被离散为液滴，产生的液滴通过出样口16收集；
34.(3)调节：通过切换不同的多孔膜组件8，可以形成不同的两相流形态，产生不同大小的液滴，如图6c所示，通过观察芯片结构液滴形成区15可见，在油相流体驱动流路上分别切换三个不同多孔膜分支管路，保持水相流体驱动流路上多孔膜孔隙率为25.84％，可以观察到两相流形态分别为squeezing、dripping、jetting三种状态，产生的染料液滴大小也随之发生变化。
35.实施例2
36.一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统，如图7所示，包括带有减压阀4的抛弃型二氧化碳微型压缩气瓶5和两组并联设置的带有切换阀2的多孔膜组件8，每组多孔膜组件8均包括三个通过切换阀2并联连接的al2o3无机多孔膜，其中多孔膜的孔隙率从上至下分别为12.18％、22.18％、41.05％，厚度均为10μm，面积均为12mm2。
37.上述基于多孔膜的正压驱动系统应用于浓度梯度生成实验，如图7所示(图7a、7b和7c分别是驱动系统示意图、梯度生成芯片示意图和实验结果图)，具体实施方式如下所述:
38.(1)组装：按照图7a所示，将带有减压阀4的抛弃型二氧化碳微型压缩气瓶5(95g)与两组并联的多孔膜组件8连接起来，两组多孔膜组件8另一端分别与样品液试样瓶3和缓冲剂瓶17(去离子水)相连，样品液试样瓶3和微流控芯片6样品液进样口18相连，缓冲剂瓶17(去离子水)和微流控芯片6缓冲液进样口19相连。
39.(2)驱动：缓慢打开与微型压缩气瓶5相连接的减压阀4，调节减压阀4至合适的开度，样品液试样瓶3和缓冲剂瓶17中的流体被微型压缩气瓶5中增加的气体压力驱动至芯片中的浓度梯度形成区20，由于微流控芯片6中低雷诺数效应，两种流体在芯片管道中形成层流，浓度差促使染料分子通过形成层流的两种液体界面进行扩散，从而在垂直于流体流动方向的横截面上形式浓度梯度。
40.(3)调节：在样品液驱动流路上分别切换三个不同多孔膜(孔隙率分别为12.18％、22.18％、41.05％)分支管路，保持缓冲液驱动流路上多孔膜孔隙率为12.18％，可以清晰地观察到随着多孔膜流路切换染料形成明显浓度梯度的变化。
41.实施例3
42.一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统，如图8所示，包括微型真空泵7(kamoer，12v)、切换阀2和聚苯乙烯小球填充毛细玻璃管形成的孔隙微柱1，其中，多孔膜1孔隙率为11.32％，厚度为3mm，面积为3mm2。
43.上述基于多孔膜的负压驱动系统应用于长期灌注细胞培养实验，如图8所示(图8a、8b和8c分别是驱动系统示意图、细胞动态培养微流控芯片6结构示意图和实验结果图)，具体实施方式如下所述:
44.(1)组装：将试样瓶3、细胞动态培养微流控芯片6、废液瓶9、多孔膜1、切换阀2和微型真空泵7(kamoer，12v)顺序组装，其中细胞动态培养微流控芯片6的出样口16与废液瓶9的入口连接在一起，废液瓶9的出口与多孔膜1和切换阀2连接在一起，切换阀2后端连接微
型真空泵7，并将切换阀2端口接通多孔膜1，将一定量mhcc97h肝癌细胞悬浮液加入细胞动态培养微流控芯片6的进样口；
45.(2)驱动：打开微型真空泵7，将芯片样品液进样口18细胞悬浮液吸入芯片管道和微腔中，待芯片管道和微腔结构充满细胞悬浮液后，关闭微型真空泵7；
46.(3)调节：将切换阀2端口切换至与大气环境相通，将芯片静置1～2h，让细胞团聚沉积至微腔底部；然后，将装载培养基的试剂瓶连接至细胞动态培养微流控芯片6的样品液进样口18，再次将切换阀2端口接通多孔膜1，打开微型真空泵7，驱动试剂瓶中培养基缓慢、持续地流经微流控芯片6管道和微腔阵列21，实现芯片内细胞培养过程中营养的有效、长期供给，持续培养7～8天后，收集微腔阵列21中培养的细胞球，实现后续应用和分析。(如图8c所示，经过7天灌注培养后，芯片中形成了形貌和活性俱佳的肿瘤细胞球，可应用于肿瘤学研究或药物筛选。)
47.实施例4
48.采用pdms多孔膜，其中多孔膜的孔隙率从上至下分别为0％、25.84％、50％，厚度依次为50μm、5mm、10mm，面积依次为5mm2、15mm2、25mm2，其余与实施例1相同。
49.实施例5
50.采用al2o3无机多孔膜，多孔膜的孔隙率从上至下分别为1％、26.32％、50％，厚度依次为5μm、250μm、500μm，面积依次为0.8mm2、15mm2、25mm2，其余与实施例2相同。
51.实施例6
52.采用聚苯乙烯小球填充毛细玻璃管形成的孔隙微柱1，多孔膜1孔隙率为45％，厚度为2mm，面积为800μm2，其余与实施例3相同。
53.实施例7
54.采用聚苯乙烯小球填充毛细玻璃管形成的孔隙微柱1，多孔膜1孔隙率为80％，厚度为5mm，面积为2mm2，其余与实施例3相同。
55.实施例8
56.采用聚苯乙烯小球填充毛细玻璃管形成的孔隙微柱1，多孔膜1孔隙率为10％，厚度为10mm，面积为5mm2，其余与实施例3相同。
57.虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。