一种基于无源单向阀门结构的微流体混合器及其控制方法与流程

本发明涉及微流体混合器技术领域，尤其涉及一种基于无源单向阀门结构的微流体混合器及其控制方法。

背景技术：

近年来，微流控芯片技术在生物医学检测、化学分析、化学传感、分子分离、核酸排序及分析、环境监测等领域得以广泛应用。微阀作为微流控芯片的重要部件之一，对微流控芯片有着重要的作用。现有的微阀结构大部分是需要额外的设备进行控制，而无源微阀是利用某些材料自身性质，达到通道开闭的作用，但是并不能实现单向阀控制流体流动方向的作用。目前，常用的单向微阀结构复杂，对仪器要求复杂，不便于加工装配及使用。微混合器的作用是将两种试剂混合，在层流中，混合只能通过分子扩散进行。增加液体之间混合的一种方法就是增强样品之间的扩散效应。为了增强样品之间的扩散效应，可以通过增加混和过程中试剂的接触面积和接触时间。

目前，利用微阀所制造的微混合器有着与微阀相同的缺点，结构复杂。制造困难，需要外部控制设备。

如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于无源单向阀门结构的微流体混合器及其控制方法。

本发明是通过如下措施实现的：一种基于无源单向阀门结构的微流体混合器，其特征在于，包括两个样品进口，一端分别与两个所述样品进口相连通的两个样品进口流道，两个所述样品进口流道的另一端相互连通，且分别连接于微流道的一端，所述微流道的另一端连接有样品出口；

在两个所述样品进口流道内各设置一个单向阀，所述单向阀由单向阀挡块和单向阀弹性膜构成；

所述微流道内设有混合器单向阀，所述混合器单向阀是由设置在所述微流道内壁的混合器挡块和设置在所述微流道内壁另一端的混合器薄膜组成；

所述单向阀弹性膜和所述混合器薄膜是由聚二甲基硅氧烷制成。

作为本发明提供的一种基于无源单向阀门结构的微流体混合器进一步优化方案，所述混合器挡块置于所述微流道的一侧，其宽度为所述微流道一半的宽度。

作为本发明提供的一种基于无源单向阀门结构的微流体混合器进一步优化方案，所述混合器薄膜置于所述微流道的另一侧，与所述混合器挡块相对设置，位于所述混合器挡块的下游，且与所述混合器挡块贴合，所述混合器薄膜的宽度为所述微流道宽度一半以上。

作为本发明提供的一种基于无源单向阀门结构的微流体混合器进一步优化方案，两个样品进口流道的进口横截面积是微流道进口横截面积的一半。

所述单向阀弹性膜和所述混合器薄膜是由聚二甲基硅氧烷制成；聚二甲基硅氧烷(pdms，polydimethylsiloxane)是具有弹性的材料，在施加外力时，会发生变形，当撤销外力时，变形恢复。

为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种基于无源单向阀门结构的微流体混合器的控制方法，包括以下步骤：

s1：将两种样品从样品进口分别进入，样品流动会对单向阀挡块和单向阀弹性膜施加力f，当样品在进口流道内达到f时，单向阀弹性膜在长度上发生变形，方向为样品流动方向，进口流道打开，样品流入微流道中；

s2：当样品从样品出口进入，样品沿微流道流动，使得单向阀弹性膜和混合器薄膜向流动方向变形，由于单向阀挡块和混合器挡块分别在单向阀弹性膜、混合器薄膜变形的下游，抵住了单向阀弹性膜、混合器薄膜的变形位移，微流道由混合器薄膜和混合器挡块完全封闭，样品无法流动；

s3：两种样品以相等的速度由样品进口分别进入不同的两个样品进口流道中，由于刚开始，样品进口流道内压力达不到单向阀的开启条件，当样品进口流道内的压力达到开启单向阀时，样品进口流道内的两单向阀同时打开，两个样品进口流道的样品流入微流道，由于样品是连续流入两样品进口流道，单向阀打开后并不能立即关闭，持续0.5个周期后关闭；

s4：微流道内的混合器单向阀开启需要1.5f，两样品进口流道内的单向阀打开时，微流道内的微混合器单向阀不能立即打开，样品在微流道内等待微流道内的微混合器单向阀打开，在等待开启的时间内，两种样品基于速度的惯性力，在微流道内快速混合，并且在微流道内的微混合器单向阀打开前，完成样品混合，当微流道内的压力达到1.5f时，微流道内的混合器单向阀打开，混合好的两种样品从样品出口流出，单向阀弹性膜不立即关闭，0.2个t后关闭；

s5：以此循环，混合后的样品以脉冲的形式流出，进入下一个微流体混合器功能区。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种无源单向阀，无需额外设备提供阀门的动力，利用单向微阀结构实现对不同样品的混合，样品在阀门等待开启时间内，以分子扩散形式及逆行混合；该种混合方式可以同时增加试剂之间的接触面积和接触时间，具有混合效率高的特点。

附图说明

图1为本发明实施例的单向阀、微混合器结构示意图。

图2为本发明实施例中单向阀的阀门打开状态示意图。

图3为本发明实施例中单向阀的阀门关闭状态示意图。

其中，附图标记为：1、样品进口；2、单向阀挡块；3、单向阀弹性膜；4、混合器挡块；5、混合器薄膜；6、微流道；7、样品出口；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

实施例1

参见图1,图2与图3，本发明提供其技术方案为，一种基于无源单向阀门结构的微流体混合器，其中，包括两个样品进口1，一端分别与两个样品进口1相连通的两个样品进口流道两个样品进口流道宽为0.1mm，长为1.5mm，两个样品进口流道的另一端相互连通，且分别连接于微流道6的一端，微流道6的宽为0.2mm，长是2mm，微流道6的另一端连接有样品出口7；

在两个样品进口流道内各设置一个单向阀，单向阀由单向阀挡块2和单向阀弹性膜3构成；单向阀挡块2宽为0.05mm,长为0.1mm，单向阀弹性膜3的宽为0.08mm，长为0.003mm。

微流道6内设有混合器单向阀，混合器单向阀是由设置在微流道6内壁的混合器挡块4和设置在微流道6内壁另一端的混合器薄膜5组成；混合器挡块4宽是0.1mm，长为0.2mm，混合器薄膜5的宽为0.16mm，长是0.006mm。

单向阀弹性膜3和混合器薄膜5是由聚二甲基硅氧烷制成；聚二甲基硅氧烷pdms，polydimethylsiloxane是具有弹性的材料，在施加外力时，会发生变形，当撤销外力时，变形恢复。

具体地，混合器挡块4置于微流道6的一侧，其宽度为微流道6一半的宽度。

具体地，混合器薄膜5置于微流道6的另一侧，与混合器挡块4相对设置，位于混合器挡块4的下游，且与混合器挡块4贴合，混合器薄膜5的宽度为微流道6宽度一半以上。

具体地，两个样品进口流道的进口横截面积是微流道6进口横截面积的一半。

为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种基于无源单向阀门结构的微流体混合器的控制方法，包括以下步骤：

s1：将无水乙醇和磷酸盐缓释溶液(pbs)两种样品从样品进口1分别进入，泵入速度为1e-4(0.0001)m/s，由于单向阀挡块2和单向阀弹性膜3之间相互贴合，样品会在进口流道内停留，样品停留0.1s左右时，流道内样品压力达到3.88pa，单向阀弹性膜3在长度上发生偏转变形，方向为样品流动方向，进口流道打开，样品流入微流道6中；

s2：当样品从样品出口7进入，样品沿微流道6流动，使得单向阀弹性膜3和混合器薄膜5向流动方向变形，由于单向阀挡块2和混合器挡块4分别在单向阀弹性膜3、混合器薄膜5变形的下游，抵住了单向阀弹性膜3、混合器薄膜5的变形位移，微流道6由混合器薄膜5和混合器挡块4完全封闭，样品无法流动；

s3：将无水乙醇和磷酸盐缓释溶液(pbs)两种样品从样品进口1分别进入，泵入速度为1e-4(0.0001)m/s，由于单向阀挡块2和单向阀弹性膜3之间没有间隙，样品会在进口流道内停留，样品大概停留0.1s时，流道内样品压力达到3.88pa，单向阀弹性膜3发生偏转变形，进口流道打开，样品流入微流道6；由于样品是连续流入两样品进口流道2，单向阀打开后并不能立即关闭，持续0.05s后关闭；

s4：微流道6内的混合器单向阀开启需要5.81pa，无水乙醇和磷酸盐缓释溶液(pbs)两样品进口流道2的单向阀打开时，微流道6内的微混合器单向阀不会立即打开，样品在微流道6内等待微流道6内的微混合器单向阀打开，在等待开启的时间内，两种样品基于速度的惯性力，在微流道6内快速混合，并且在微流道6内的微混合器单向阀打开前，完成样品混合，当微流道6内的压力达到5.81pa时，微流道6内的混合器单向阀打开，混合好的两种样品从样品出口7流出，单向阀弹性膜不立即关闭，大约0.02s后关闭；

s5：以此循环，混合后的样品以脉冲的形式流出，进入下一个微流体混合器功能区。

实施例2

在实施例1的基础上，参见图1至图3，本发明提供其技术方案为，一种基于无源单向阀门结构的微流体混合器，其中，包括两个样品进口1，一端分别与两个样品进口1相连通的两个样品进口流道，两个样品进口流道的另一端相互连通，且分别连接于微流道6的一端，微流道6的另一端连接有样品出口7；

两个样品进口流道的宽为0.1mm,长1.5mm，微流道6的宽是0.2mm，长为2mm。

在两个样品进口流道内各设置一个单向阀，单向阀由单向阀挡块2和单向阀弹性膜3构成；单向阀由单向阀挡块2的宽是0.05mm,长为0.1mm，单向阀弹性膜3的宽0.08mm，长为0.003mm。

微流道6内设有混合器单向阀，混合器单向阀是由设置在微流道6内壁的混合器挡块4和设置在微流道6内壁另一端的混合器薄膜5组成；混合器挡块4的宽为0.1mm，长是0.2mm，混合器薄膜5的宽是0.16mm，长为0.006mm。

单向阀弹性膜3和混合器薄膜5是由聚二甲基硅氧烷制成；聚二甲基硅氧烷pdms，polydimethylsiloxane是具有弹性的材料，在施加外力时，会发生变形，当撤销外力时，变形恢复。

具体地，混合器挡块4置于微流道6的一侧，其宽度为微流道6一半的宽度。

具体地，混合器薄膜5置于微流道6的另一侧，与混合器挡块4相对设置，位于混合器挡块4的下游，且与混合器挡块4之间留有间隙，混合器薄膜5宽度为微流道6宽度一半以上。

具体地，两个样品进口流道的进口横截面积是微流道6进口横截面积的一半。

为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种基于无源单向阀门结构的微流体混合器的控制方法，包括以下步骤：

s1：将无水乙醇和聚苯乙烯微球(直径：8.0-8.9微米，2.5％w/v)两种样品从样品进口1分别进入，泵入速度为1e-4(0.0001)m/s，由于单向阀挡块和单向阀弹性膜之间没有间隙，样品会在进口流道内停留，样品大概停留0.1s时，流道内样品压力达到3.88pa，单向阀弹性膜3在长度上发生偏转变形，进口流道打开，样品流入微流道6；

s2：当样品从样品出口7进入，样品沿微流道6流动，使得单向阀弹性膜3和混合器薄膜5向流动方向变形，由于单向阀挡块2和混合器挡块4分别在单向阀弹性膜3、混合器薄膜5变形的下游，抵住了单向阀弹性膜3、混合器薄膜5的变形位移，微流道6由混合器薄膜5和混合器挡块4完全封闭，样品无法流动；

s3：将无水乙醇和聚苯乙烯微球(直径：8.0-8.9微米，2.5％w/v)两种样品从样品进口1分别进入，泵入速度为1e-4(0.0001)m/s，由于单向阀挡块2和单向阀弹性膜3之间没有间隙，样品会在进口流道内停留，样品大概停留0.1s时，流道内样品压力达到3.88pa，单向阀弹性膜3发生偏转变形，进口流道打开，样品流入微流道6；由于样品是连续流入两样品进口流道，单向阀打开后并不能立即关闭，持续0.05s后关闭；

s4：微流道6内的混合器单向阀开启需要5.81pa，将无水乙醇和聚苯乙烯微球(直径：8.0-8.9微米，2.5％w/v)两样品进口流道的单向阀打开时，微流道6内的微混合器单向阀不会立即打开，样品在微流道6内等待微流道6内的微混合器单向阀打开，在等待开启的时间内，两种样品基于速度的惯性力，在微流道6内快速混合，并且在微流道6内的微混合器单向阀打开前，完成样品混合，当微流道6内的压力达到5.81pa时，微流道6内的混合器单向阀打开，混合好的两种样品从样品出口7流出，单向阀弹性膜不立即关闭，大约0.02s后关闭；

s5：以此循环，混合后的样品以脉冲的形式流出，进入下一个微流体混合器功能区。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。