一种取液量可调的疏液微阀式微量液体提取装置与方法
【专利摘要】本发明公开了一种取液量可调的疏液微阀式微量液体提取装置与方法，所述装置包括基体和形成在所述基体上的流体入口、气压入口、疏液微阀、毛细流道和喷嘴，所述毛细流道包括形成为一条环路的干路和并联连接在所述干路和所述喷嘴之间的多个支路，所述流体入口和所述气压入口连接所述干路，每个支路上设有基于疏液原理的具有设定耐压值的疏液微阀，各个支路的出口连接所述喷嘴。本发明可方便、灵活、精准地处理几十皮升至几十纳升体积的液体提取。
【专利说明】
一种取液量可调的疏液微阀式微量液体提取装置与方法
技术领域
[0001]本发明涉及微流体控制领域，更具体地说涉及一种取液量可调的疏液微阀式微量液体提取装置与方法。
【背景技术】
[0002]微流体技术是指在微观尺度下对流体进行控制、操作和检测的技术。随着生物检测、制药学、环境科学等领域的发展，需要提取的液体量不断缩小，如蛋白质结晶实验中，仅需几十纳升的液体，在DNA、基因研究中，液体量更是小至几百皮升。可以预见，在未来的研究中，液体的量将进一步减小，这对微流体控制器件的操作精度提出了更高的要求。
[0003]微流体控制器件包括微栗、微阀、微混合器、微喷头等，用于对微量流体进行驱动、引流、混合、提取、分配、阻断等操作。其中微阀是起到流道内液体的限制作用的重要器件，微阀可分为主动微阀和被动微阀两类，主要区别在于阀结构本身是否具有致动器，主动阀是靠致动器的运动实现微阀的开闭，被动阀没有致动器，靠流体本身参数的改变实现开闭。被动阀的优点体现在结构简单、易加工、占用空间小、兼容性好，适用于简单场合的微流体阀控。利用微阀对液流的限制作用，可实现微量液体的隔离和提取，通过微阀的结构设计，可精确控制提取液体的体积。疏液阀是被动微阀的一种，通过降低阀区的表面能，利用液体的表面张力阻断液体流动，增加液体压力可以使阀打开。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，解决现有液体提取装置缺乏皮升级液体处理能力的问题，提供一种取液量可调的疏液微阀式微量液体提取装置与方法，可方便、灵活、精准地处理几十皮升至几十纳升体积的液体提取。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]—种取液量可调的疏液微阀式微量液体提取装置，包括基体和形成在所述基体上的流体入口、气压入口、疏液微阀、毛细流道和喷嘴，所述毛细流道包括形成为一条环路的干路和并联连接在所述干路和所述喷嘴之间的多个支路，所述流体入口和所述气压入口连接所述干路，每个支路上设有基于疏液原理的具有设定耐压值的疏液微阀，各个支路的出口连接所述喷嘴。
[0007]进一步地:
[0008]至少部分支路上的疏液微阀的耐压值互不相同。
[0009]所述多个支路并排地与所述干路垂直相交。
[0010]优选地，所述干路设置成具有两个半圆形流道作为相对端部，通过两条直线流道相连而构成环路，所述多个支路连接在其中一条直线流道上。
[0011]所述液体入口、气压入口、毛细流道和喷嘴由光刻或热模压工艺制备，优选为MEMS光刻工艺制备。
[0012]所述毛细流道的深度为10?50微米，宽度为50?500微米。
[0013]所述疏液微阀采用单分子层自组装法制备。
[0014]所述疏液微阀与所提取液体的接触角在100°以上。
[0015]所述毛细流道上方用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、或硅薄膜键合以形成封闭流道。
[0016]还包括可调节驱动气压的气压驱动装置，所述气压驱动装置连接到所述气压入口，用于驱动流体在所述毛细流道中流动。
[0017 ] —种取液量可调的疏液微阀式微量液体提取方法，使用所述的疏液微阀式微量液体提取装置，包括以下步骤:
[0018]以小于所有疏液微阀的开启压力的气压驱动一定量的液体由所述流体入口进入所述毛细流道，在所述干路和各个支路之间的交点分流，依次填满各交点到各疏液微阀之间的支路流道，其余液体沿环路被气压推回所述液体入口处；
[0019]根据需要提取的液体量、各疏液微阀的耐压值以及各交点到各疏液微阀之间的支路流道的液容量，增大驱动气压，使耐压值小于驱动气压的疏液微阀开放，在对应支路暂存的液体流向喷嘴并喷出。
[0020]本发明的有益效果:
[0021]本发明通过疏液微阀的阻塞作用实现液体喷出前的预装填，借助疏液微阀暂存填充液体，再通过增大压力的方式使液体克服疏液微阀的阻塞作用，由喷嘴喷出，从而精确提取出疏液微阀到分流点之间流道内的微量液体。由于液体的填充量由毛细流道支路的尺寸以及参与液体提取的支路数决定，可方便、灵活、精准地处理体积为几十皮升至几十纳升的液体。
[0022]本发明的优点在于，装填体积可通过设计毛细流道的尺寸精确控制，通过对疏液微阀耐压值的差异化设计实现疏液微阀的按需开放，从而达到体积可控的目的，且多余的液体可以回到液体入口重复利用，容易实现皮升级的微小液滴，且控制方式简单。
[0023]本发明将微阀与微喷相结合实现取液量可调的皮升级液体提取，结构简单，操作简便，兼容性好，可广泛用于微流体控制领域的液体精确提取操作。
【附图说明】
[0024]图1是本发明实施例的疏液微阀式微量液体提取装置结构示意图。
[0025]图2是本发明微量液体提取装置的一个具体实施例。
[0026]图3a至图3e是本发明实施例的疏液微阀式微量液体提取方法提取液体的过程示意图。
[0027]附图标记说明:
[0028]1-液体入口及此处进入的液体，
[0029]2-气压入口及此处进入的气体，
[0030]3-毛细流道，
[0031 ]4-疏液微阀，
[0032]5-喷嘴，
[0033]6-支路，
[0034]7-基体。
【具体实施方式】
[0035]以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0036]参阅图1至图3e，在一种实施例中，一种取液量可调的疏液微阀式微量液体提取装置，包括基体7和形成在所述基体7上的流体入口 1、气压入口 2、疏液微阀4、毛细流道和喷嘴5，所述毛细流道包括形成为一条环路的干路3和并联连接在所述干路3和所述喷嘴5之间的多个支路6，所述流体入口 I和所述气压入口 2连接所述干路3，每个支路6上设有基于疏液原理的具有设定耐压值的疏液微阀4，各个支路6的出口连接所述喷嘴5。基体7可采用硅、光刻胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料制成。
[0037]工作时，液体从流体入口I进入毛细流道，在压力的作用下在毛细流道内流动，且能回到液体入口，液体进入支路6后，在疏液微阀4处由于疏液作用，流动受到阻碍，一部分液体暂存在支路6内，干路3中的液体被压力推回液体入口，此时根据需要提高驱动压力的大小，所有耐压值小于驱动压力的疏液微阀4打开，所在支路6暂存的液体喷出，通过压力大小控制疏液微阀4打开的个数，从而控制提取液体的体积。
[0038]在一些实施例中，每个支路6上的疏液微阀4的耐压值互不相同。当然，也可以设计成部分支路6的耐压值相同。由于每个支路6都可暂存一定量的液体，且每个支路6的疏液微阀4耐压值不同，驱动压力超过相应支路6的耐压值时，相应支路6内暂存的液体将通过疏液微阀4，因此，通过调节气压入口 2的驱动压力，可提取体积分级可变的微量液体。
[0039]在优选的实施例中，所述多个支路6并排地与所述干路3垂直相交。特别地，干路3可以设置成具有两个半圆形流道作为相对端部，通过两条直线流道相连而构成环路，多个支路6连接在其中一条直线流道上。
[0040]所述液体入口、气压入口2、毛细流道和喷嘴5可以由光刻或热模压工艺制备，如MEMS光刻工艺制备。
[0041 ]在优选的实施例中，所述毛细流道的深度为10?50微米，宽度为50?500微米。
[0042]所述疏液微阀4可采用单分子层自组装法制备。
[0043]在优选的实施例中，所述疏液微阀4与所提取液体的接触角在100°以上。
[0044]所述毛细流道上方可用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、或硅薄膜键合以形成封闭流道。
[0045]图2所示是本发明疏液微阀式微量液体提取装置的一个具体实施例，其中毛细流道用SU-8光刻工艺制备，疏液微阀4由IH，IH，2H，2H-全氟癸基三氯硅烷单分子层自组装工艺制备，流道上方用聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜键合，以封闭流道。本实施例中有10个支路6，每个支路6的毛细流道宽50微米，深10微米，交点到疏液微阀4的距离为50微米，因此可提取25?250皮升的液体。
[0046]在另一些实施例中，一种疏液微阀式微量液体提取装置，除了包括前述任一实施例的基体7之外，还包括可调节驱动气压的气压驱动装置(图未示)，所述气压驱动装置连接到所述气压入口 2，用于驱动流体在所述毛细流道中流动。
[0047]参阅图3a至图3e，在一种实施例中，一种取液量可调的疏液微阀式微量液体提取方法，使用所述的疏液微阀式微量液体提取装置，包括以下步骤:
[0048]以小于所有疏液微阀4的开启压力的气压驱动一定量的液体由所述流体入口I进入所述毛细流道，在所述干路3和各个支路6之间的交点分流，依次填满各交点到各疏液微阀4之间的支路6流道，其余液体沿环路被气压推回所述液体入口处；
[0049]根据需要提取的液体量、各疏液微阀4的耐压值以及各交点到各疏液微阀4之间的支路6流道的液容量，增大驱动气压，使耐压值小于驱动气压的疏液微阀4开放，在对应支路6暂存的液体流向喷嘴5并喷出。
[0050]参阅图1至图3e，根据本发明的实施例，将微阀与微喷结合，通过疏液微阀4的阻塞作用实现液体喷出前的预装填，再通过增大压力的方式克服疏液微阀4的阻塞作用，由喷嘴5喷出，各支路6的疏液微阀4耐压值都不相同，因此可通过调节驱动压力的方式控制疏液微阀4开放的数量，分级提取所需的液体量。毛细流道的尺寸决定每个支路6的装填量，并连接液体入口、气压入口 2和喷嘴5，疏液微阀4设置在支路6上，所有支路6在喷嘴5处汇聚，微阀到干路3与支路6交点之间流道内的空间为该支路6可提取的液体量。提取液体时，一定量的液体在一个小于疏液微阀4耐压值的气压驱动下由液体入口进入毛细流道，在交点处分流，依次填满各交点到微阀之间的支路6流道，其余液体被压力推回液体入口，此时按需增大驱动压力，使耐压小于驱动压力的疏液微阀4开放，所在支路6暂存的液体流向喷嘴5并喷出，完成一次液体的提取。
[0051]参阅图3a至图3e所示的疏液微阀式微量液体提取方法，液体由液体入口进入毛细流道，气体由气压入口 2进入，并推动液体到达疏液微阀4，此驱动压力应低于所有疏液微阀4的开放压力，由于疏液微阀4阻碍了液体的流动，液体在毛细流道内向流体入口 I流动，每个支路6仅有一小部分液体留在干支路交点和疏液微阀4之间的毛细流道内，此时增大驱动压力，部分液体克服疏液微阀4的阻碍，汇聚到喷嘴5喷出，一次微量液体提取完成。
[0052]以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种取液量可调的疏液微阀式微量液体提取装置，其特征在于，包括基体和形成在所述基体上的流体入口、气压入口、疏液微阀、毛细流道和喷嘴，所述毛细流道包括形成为一条环路的干路和并联连接在所述干路和所述喷嘴之间的多个支路，所述流体入口和所述气压入口连接所述干路，每个支路上设有基于疏液原理的具有设定耐压值的疏液微阀，各个支路的出口连接所述喷嘴。2.如权利要求1所述的疏液微阀式微量液体提取装置，其特征在于，至少部分支路上的疏液微阀的耐压值互不相同。3.如权利要求1所述的疏液微阀式微量液体提取装置，其特征在于，所述多个支路并排地与所述干路垂直相交;优选地，所述干路设置成具有两个半圆形流道作为相对端部，通过两条直线流道相连而构成环路，所述多个支路连接在其中一条直线流道上。4.如权利要求1至3任一项所述的疏液微阀式微量液体提取装置，其特征在于，所述液体入口、气压入口、毛细流道和喷嘴由光刻或热模压工艺制备，优选为MEMS光刻工艺制备。5.如权利要求1至3任一项所述的疏液微阀式微量液体提取装置，其特征在于，所述毛细流道的深度为10?50微米，宽度为50?500微米。6.如权利要求1至3任一项所述的疏液微阀式微量液体提取装置，其特征在于，所述疏液微阀采用单分子层自组装法制备。7.如权利要求5所述的疏液微阀式微量液体提取装置，其特征在于，所述疏液微阀与所提取液体的接触角在100°以上。8.如权利要求1至3任一项所述的疏液微阀式微量液体提取装置，其特征在于，所述毛细流道上方用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、或硅薄膜键合以形成封闭流道。9.如权利要求1至8任一项所述的疏液微阀式微量液体提取装置，其特征在于，还包括可调节驱动气压的气压驱动装置，所述气压驱动装置连接到所述气压入口，用于驱动流体在所述毛细流道中流动。10.—种取液量可调的疏液微阀式微量液体提取方法，其特征在于，使用如权利要求1至9任一项所述的疏液微阀式微量液体提取装置，包括以下步骤: 以小于所有疏液微阀的开启压力的气压驱动一定量的液体由所述流体入口进入所述毛细流道，在所述干路和各个支路之间的交点分流，依次填满各交点到各疏液微阀之间的支路流道，其余液体沿环路被气压推回所述液体入口处； 根据需要提取的液体量、各疏液微阀的耐压值以及各交点到各疏液微阀之间的支路流道的液容量，增大驱动气压，使耐压值小于驱动气压的疏液微阀开放，在对应支路暂存的液体流向喷嘴并喷出。
【文档编号】G01N1/10GK105910847SQ201610203354
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】张旻, 黄家祥
【申请人】清华大学深圳研究生院