一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置與方法，所述裝置包括基體和形成在所述基體上的流體入口、氣壓入口、疏液微閥、毛細流道和噴嘴，所述毛細流道包括形成為一條環(huán)路的干路和并聯(lián)連接在所述干路和所述噴嘴之間的多個支路，所述流體入口和所述氣壓入口連接所述干路，每個支路上設(shè)有基于疏液原理的具有設(shè)定耐壓值的疏液微閥，各個支路的出口連接所述噴嘴。本發(fā)明可方便、靈活、精準地處理幾十皮升至幾十納升體積的液體提取。
【專利說明】
一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微流體控制領(lǐng)域，更具體地說涉及一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微流體技術(shù)是指在微觀尺度下對流體進行控制、操作和檢測的技術(shù)。隨著生物檢測、制藥學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，需要提取的液體量不斷縮小，如蛋白質(zhì)結(jié)晶實驗中，僅需幾十納升的液體，在DNA、基因研究中，液體量更是小至幾百皮升?？梢灶A(yù)見，在未來的研究中，液體的量將進一步減小，這對微流體控制器件的操作精度提出了更高的要求。
[0003]微流體控制器件包括微栗、微閥、微混合器、微噴頭等，用于對微量流體進行驅(qū)動、引流、混合、提取、分配、阻斷等操作。其中微閥是起到流道內(nèi)液體的限制作用的重要器件，微閥可分為主動微閥和被動微閥兩類，主要區(qū)別在于閥結(jié)構(gòu)本身是否具有致動器，主動閥是靠致動器的運動實現(xiàn)微閥的開閉，被動閥沒有致動器，靠流體本身參數(shù)的改變實現(xiàn)開閉。被動閥的優(yōu)點體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡單、易加工、占用空間小、兼容性好，適用于簡單場合的微流體閥控。利用微閥對液流的限制作用，可實現(xiàn)微量液體的隔離和提取，通過微閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可精確控制提取液體的體積。疏液閥是被動微閥的一種，通過降低閥區(qū)的表面能，利用液體的表面張力阻斷液體流動，增加液體壓力可以使閥打開。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決現(xiàn)有液體提取裝置缺乏皮升級液體處理能力的問題，提供一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置與方法，可方便、靈活、精準地處理幾十皮升至幾十納升體積的液體提取。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]—種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置，包括基體和形成在所述基體上的流體入口、氣壓入口、疏液微閥、毛細流道和噴嘴，所述毛細流道包括形成為一條環(huán)路的干路和并聯(lián)連接在所述干路和所述噴嘴之間的多個支路，所述流體入口和所述氣壓入口連接所述干路，每個支路上設(shè)有基于疏液原理的具有設(shè)定耐壓值的疏液微閥，各個支路的出口連接所述噴嘴。
[0007]進一步地:
[0008]至少部分支路上的疏液微閥的耐壓值互不相同。
[0009]所述多個支路并排地與所述干路垂直相交。
[0010]優(yōu)選地，所述干路設(shè)置成具有兩個半圓形流道作為相對端部，通過兩條直線流道相連而構(gòu)成環(huán)路，所述多個支路連接在其中一條直線流道上。
[0011]所述液體入口、氣壓入口、毛細流道和噴嘴由光刻或熱模壓工藝制備，優(yōu)選為MEMS光刻工藝制備。
[0012]所述毛細流道的深度為10?50微米，寬度為50?500微米。
[0013]所述疏液微閥采用單分子層自組裝法制備。
[0014]所述疏液微閥與所提取液體的接觸角在100°以上。
[0015]所述毛細流道上方用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、或硅薄膜鍵合以形成封閉流道。
[0016]還包括可調(diào)節(jié)驅(qū)動氣壓的氣壓驅(qū)動裝置，所述氣壓驅(qū)動裝置連接到所述氣壓入口，用于驅(qū)動流體在所述毛細流道中流動。
[0017 ] —種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取方法，使用所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，包括以下步驟:
[0018]以小于所有疏液微閥的開啟壓力的氣壓驅(qū)動一定量的液體由所述流體入口進入所述毛細流道，在所述干路和各個支路之間的交點分流，依次填滿各交點到各疏液微閥之間的支路流道，其余液體沿環(huán)路被氣壓推回所述液體入口處；
[0019]根據(jù)需要提取的液體量、各疏液微閥的耐壓值以及各交點到各疏液微閥之間的支路流道的液容量，增大驅(qū)動氣壓，使耐壓值小于驅(qū)動氣壓的疏液微閥開放，在對應(yīng)支路暫存的液體流向噴嘴并噴出。
[0020]本發(fā)明的有益效果:
[0021]本發(fā)明通過疏液微閥的阻塞作用實現(xiàn)液體噴出前的預(yù)裝填，借助疏液微閥暫存填充液體，再通過增大壓力的方式使液體克服疏液微閥的阻塞作用，由噴嘴噴出，從而精確提取出疏液微閥到分流點之間流道內(nèi)的微量液體。由于液體的填充量由毛細流道支路的尺寸以及參與液體提取的支路數(shù)決定，可方便、靈活、精準地處理體積為幾十皮升至幾十納升的液體。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點在于，裝填體積可通過設(shè)計毛細流道的尺寸精確控制，通過對疏液微閥耐壓值的差異化設(shè)計實現(xiàn)疏液微閥的按需開放，從而達到體積可控的目的，且多余的液體可以回到液體入口重復(fù)利用，容易實現(xiàn)皮升級的微小液滴，且控制方式簡單。
[0023]本發(fā)明將微閥與微噴相結(jié)合實現(xiàn)取液量可調(diào)的皮升級液體提取，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，兼容性好，可廣泛用于微流體控制領(lǐng)域的液體精確提取操作。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明實施例的疏液微閥式微量液體提取裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2是本發(fā)明微量液體提取裝置的一個具體實施例。
[0026]圖3a至圖3e是本發(fā)明實施例的疏液微閥式微量液體提取方法提取液體的過程示意圖。
[0027]附圖標記說明:
[0028]1-液體入口及此處進入的液體，
[0029]2-氣壓入口及此處進入的氣體，
[0030]3-毛細流道，
[0031 ]4-疏液微閥，
[0032]5-噴嘴，
[0033]6-支路，
[0034]7-基體。
【具體實施方式】
[0035]以下對本發(fā)明的實施方式作詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0036]參閱圖1至圖3e，在一種實施例中，一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置，包括基體7和形成在所述基體7上的流體入口 1、氣壓入口 2、疏液微閥4、毛細流道和噴嘴5，所述毛細流道包括形成為一條環(huán)路的干路3和并聯(lián)連接在所述干路3和所述噴嘴5之間的多個支路6，所述流體入口 I和所述氣壓入口 2連接所述干路3，每個支路6上設(shè)有基于疏液原理的具有設(shè)定耐壓值的疏液微閥4，各個支路6的出口連接所述噴嘴5?；w7可采用硅、光刻膠、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料制成。
[0037]工作時，液體從流體入口I進入毛細流道，在壓力的作用下在毛細流道內(nèi)流動，且能回到液體入口，液體進入支路6后，在疏液微閥4處由于疏液作用，流動受到阻礙，一部分液體暫存在支路6內(nèi)，干路3中的液體被壓力推回液體入口，此時根據(jù)需要提高驅(qū)動壓力的大小，所有耐壓值小于驅(qū)動壓力的疏液微閥4打開，所在支路6暫存的液體噴出，通過壓力大小控制疏液微閥4打開的個數(shù)，從而控制提取液體的體積。
[0038]在一些實施例中，每個支路6上的疏液微閥4的耐壓值互不相同。當(dāng)然，也可以設(shè)計成部分支路6的耐壓值相同。由于每個支路6都可暫存一定量的液體，且每個支路6的疏液微閥4耐壓值不同，驅(qū)動壓力超過相應(yīng)支路6的耐壓值時，相應(yīng)支路6內(nèi)暫存的液體將通過疏液微閥4，因此，通過調(diào)節(jié)氣壓入口 2的驅(qū)動壓力，可提取體積分級可變的微量液體。
[0039]在優(yōu)選的實施例中，所述多個支路6并排地與所述干路3垂直相交。特別地，干路3可以設(shè)置成具有兩個半圓形流道作為相對端部，通過兩條直線流道相連而構(gòu)成環(huán)路，多個支路6連接在其中一條直線流道上。
[0040]所述液體入口、氣壓入口2、毛細流道和噴嘴5可以由光刻或熱模壓工藝制備，如MEMS光刻工藝制備。
[0041 ]在優(yōu)選的實施例中，所述毛細流道的深度為10?50微米，寬度為50?500微米。
[0042]所述疏液微閥4可采用單分子層自組裝法制備。
[0043]在優(yōu)選的實施例中，所述疏液微閥4與所提取液體的接觸角在100°以上。
[0044]所述毛細流道上方可用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、或硅薄膜鍵合以形成封閉流道。
[0045]圖2所示是本發(fā)明疏液微閥式微量液體提取裝置的一個具體實施例，其中毛細流道用SU-8光刻工藝制備，疏液微閥4由IH，IH，2H，2H-全氟癸基三氯硅烷單分子層自組裝工藝制備，流道上方用聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜鍵合，以封閉流道。本實施例中有10個支路6，每個支路6的毛細流道寬50微米，深10微米，交點到疏液微閥4的距離為50微米，因此可提取25?250皮升的液體。
[0046]在另一些實施例中，一種疏液微閥式微量液體提取裝置，除了包括前述任一實施例的基體7之外，還包括可調(diào)節(jié)驅(qū)動氣壓的氣壓驅(qū)動裝置(圖未示)，所述氣壓驅(qū)動裝置連接到所述氣壓入口 2，用于驅(qū)動流體在所述毛細流道中流動。
[0047]參閱圖3a至圖3e，在一種實施例中，一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取方法，使用所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，包括以下步驟:
[0048]以小于所有疏液微閥4的開啟壓力的氣壓驅(qū)動一定量的液體由所述流體入口I進入所述毛細流道，在所述干路3和各個支路6之間的交點分流，依次填滿各交點到各疏液微閥4之間的支路6流道，其余液體沿環(huán)路被氣壓推回所述液體入口處；
[0049]根據(jù)需要提取的液體量、各疏液微閥4的耐壓值以及各交點到各疏液微閥4之間的支路6流道的液容量，增大驅(qū)動氣壓，使耐壓值小于驅(qū)動氣壓的疏液微閥4開放，在對應(yīng)支路6暫存的液體流向噴嘴5并噴出。
[0050]參閱圖1至圖3e，根據(jù)本發(fā)明的實施例，將微閥與微噴結(jié)合，通過疏液微閥4的阻塞作用實現(xiàn)液體噴出前的預(yù)裝填，再通過增大壓力的方式克服疏液微閥4的阻塞作用，由噴嘴5噴出，各支路6的疏液微閥4耐壓值都不相同，因此可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動壓力的方式控制疏液微閥4開放的數(shù)量，分級提取所需的液體量。毛細流道的尺寸決定每個支路6的裝填量，并連接液體入口、氣壓入口 2和噴嘴5，疏液微閥4設(shè)置在支路6上，所有支路6在噴嘴5處匯聚，微閥到干路3與支路6交點之間流道內(nèi)的空間為該支路6可提取的液體量。提取液體時，一定量的液體在一個小于疏液微閥4耐壓值的氣壓驅(qū)動下由液體入口進入毛細流道，在交點處分流，依次填滿各交點到微閥之間的支路6流道，其余液體被壓力推回液體入口，此時按需增大驅(qū)動壓力，使耐壓小于驅(qū)動壓力的疏液微閥4開放，所在支路6暫存的液體流向噴嘴5并噴出，完成一次液體的提取。
[0051]參閱圖3a至圖3e所示的疏液微閥式微量液體提取方法，液體由液體入口進入毛細流道，氣體由氣壓入口 2進入，并推動液體到達疏液微閥4，此驅(qū)動壓力應(yīng)低于所有疏液微閥4的開放壓力，由于疏液微閥4阻礙了液體的流動，液體在毛細流道內(nèi)向流體入口 I流動，每個支路6僅有一小部分液體留在干支路交點和疏液微閥4之間的毛細流道內(nèi)，此時增大驅(qū)動壓力，部分液體克服疏液微閥4的阻礙，匯聚到噴嘴5噴出，一次微量液體提取完成。
[0052]以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，包括基體和形成在所述基體上的流體入口、氣壓入口、疏液微閥、毛細流道和噴嘴，所述毛細流道包括形成為一條環(huán)路的干路和并聯(lián)連接在所述干路和所述噴嘴之間的多個支路，所述流體入口和所述氣壓入口連接所述干路，每個支路上設(shè)有基于疏液原理的具有設(shè)定耐壓值的疏液微閥，各個支路的出口連接所述噴嘴。2.如權(quán)利要求1所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，至少部分支路上的疏液微閥的耐壓值互不相同。3.如權(quán)利要求1所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，所述多個支路并排地與所述干路垂直相交;優(yōu)選地，所述干路設(shè)置成具有兩個半圓形流道作為相對端部，通過兩條直線流道相連而構(gòu)成環(huán)路，所述多個支路連接在其中一條直線流道上。4.如權(quán)利要求1至3任一項所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，所述液體入口、氣壓入口、毛細流道和噴嘴由光刻或熱模壓工藝制備，優(yōu)選為MEMS光刻工藝制備。5.如權(quán)利要求1至3任一項所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，所述毛細流道的深度為10?50微米，寬度為50?500微米。6.如權(quán)利要求1至3任一項所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，所述疏液微閥采用單分子層自組裝法制備。7.如權(quán)利要求5所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，所述疏液微閥與所提取液體的接觸角在100°以上。8.如權(quán)利要求1至3任一項所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，所述毛細流道上方用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、或硅薄膜鍵合以形成封閉流道。9.如權(quán)利要求1至8任一項所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，其特征在于，還包括可調(diào)節(jié)驅(qū)動氣壓的氣壓驅(qū)動裝置，所述氣壓驅(qū)動裝置連接到所述氣壓入口，用于驅(qū)動流體在所述毛細流道中流動。10.—種取液量可調(diào)的疏液微閥式微量液體提取方法，其特征在于，使用如權(quán)利要求1至9任一項所述的疏液微閥式微量液體提取裝置，包括以下步驟: 以小于所有疏液微閥的開啟壓力的氣壓驅(qū)動一定量的液體由所述流體入口進入所述毛細流道，在所述干路和各個支路之間的交點分流，依次填滿各交點到各疏液微閥之間的支路流道，其余液體沿環(huán)路被氣壓推回所述液體入口處； 根據(jù)需要提取的液體量、各疏液微閥的耐壓值以及各交點到各疏液微閥之間的支路流道的液容量，增大驅(qū)動氣壓，使耐壓值小于驅(qū)動氣壓的疏液微閥開放，在對應(yīng)支路暫存的液體流向噴嘴并噴出。
【文檔編號】G01N1/10GK105910847SQ201610203354
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】張旻, 黃家祥
【申請人】清華大學(xué)深圳研究生院