專(zhuān)利名稱(chēng)：用于微流體器件的閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流體器件，特別是用于流體流動(dòng)的微流體控制的閥。
已知微流體器件是用于控制少量流體，諸如化學(xué)或生物學(xué)應(yīng)用中的試劑的裝置。這種器件包括許多用于將流體從入口輸送到反應(yīng)或測(cè)試室的通道，所述反應(yīng)或測(cè)試室是設(shè)置用于發(fā)生預(yù)定的反應(yīng)或測(cè)試，諸如分析的。在微流體器件中使用的常規(guī)流體是血液樣品、細(xì)菌細(xì)胞懸浮液、蛋白質(zhì)或抗體溶液以及各種緩沖液。微流體器件使得對(duì)于諸如分子擴(kuò)散系數(shù)、流體粘度、pH、化學(xué)結(jié)合系數(shù)以及酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的特性的測(cè)量得以進(jìn)行。
所謂的“芯片實(shí)驗(yàn)室”器件要求精確的微流體技術(shù)來(lái)控制流體流過(guò)各種微通道，以改進(jìn)芯片上的化學(xué)處理。應(yīng)用這種技術(shù)的一些例子包括改善試劑的存儲(chǔ)、通道的裝填、液體流動(dòng)的開(kāi)關(guān)以及在化學(xué)處理的敏感步驟中隔離芯片的特定區(qū)域，以防止泄漏和壓力波動(dòng)。
該領(lǐng)域的研究通常著眼于開(kāi)發(fā)在這種芯片內(nèi)使用一系列閥門(mén)調(diào)節(jié)微流體流動(dòng)的方法。控制這樣的流體流動(dòng)對(duì)于器件的高效性能是必需的。
因此，已經(jīng)研制出許多閥門(mén)以調(diào)節(jié)通道內(nèi)的流體流動(dòng)。這些閥門(mén)可以是多用途閥門(mén)或單程型的。
提供受控流體流動(dòng)的一種方法是使用常規(guī)的隔膜閥。這一般包括使用基于硅材料的MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)。但是，這種組件的使用和集成復(fù)雜且成本極高。例如，US專(zhuān)利No.6,048,734描述了一種包括皺狀隔膜的熱氣動(dòng)閥，所述皺狀隔膜構(gòu)成了硅芯片上的部分測(cè)試結(jié)構(gòu)。相似類(lèi)型的閥，諸如疏水性被動(dòng)閥在使用和集成上不很復(fù)雜，但只提供單向流體流動(dòng)。
提供所述受控流體流動(dòng)的另一種方式是使用珠形微流體閥，諸如在Ji等人(16thEuropean Confer ence on Solid-State Transducers，Sept.15-18，2002，Prague)的文中描述的那種。在這種設(shè)計(jì)中，許多二氧化硅微珠用于阻斷流體出口以形成類(lèi)止回閥。當(dāng)流體由流體入口沿出口方向流過(guò)閥門(mén)時(shí)，流體流動(dòng)導(dǎo)致珠子向出口嘴移動(dòng)并在那里聚集。如果聚集的體積足夠大，則閥門(mén)可以有效關(guān)閉，不再有流體通過(guò)出口。隨著珠子的尺寸相對(duì)于流體入口減小，其它因素諸如靜電引力和減小的表面能會(huì)影響聚集。
這種設(shè)計(jì)的一個(gè)缺點(diǎn)在于不可能像上述MEMS閥一樣實(shí)現(xiàn)流體流動(dòng)的快速阻斷，因?yàn)樾枰欢螘r(shí)間聚集以達(dá)到充分的體積來(lái)關(guān)閉流體出口嘴。
更簡(jiǎn)單的控制流體流動(dòng)的想法是凍結(jié)流體本身，使用金屬球或某種形式的壓電在流體通道中產(chǎn)生暫時(shí)的阻塞。這些方法都有缺點(diǎn)，諸如控制流動(dòng)的時(shí)間滯后—凍結(jié)液體帶來(lái)的特殊問(wèn)題。利用各種表面張力效應(yīng)的泡閥(bubble valve)也是現(xiàn)有技術(shù)已知的。通過(guò)操縱在Terray，Oakey and Marr，Science，vol.296，pp1841-1843，2002中描述的膠質(zhì)微球體，產(chǎn)生微米尺寸的泵和閥也是已知的。這是利用光學(xué)捕獲原理來(lái)調(diào)動(dòng)膠質(zhì)顆粒以控制流體流動(dòng)。
US專(zhuān)利No.6,048,734也描述了一種用于在通道內(nèi)阻斷流體流動(dòng)的器件和方法。內(nèi)有加熱元件和釬料珠的側(cè)通道與流體流過(guò)其中的主通道連通。加熱元件至少部分將釬料熔化，空氣流將熔化的釬料從側(cè)通道向主通道移動(dòng)，在那里冷卻阻斷主通道。但這種安排不適合“芯片實(shí)驗(yàn)室”應(yīng)用，因?yàn)槿刍F料需要的高溫會(huì)損壞芯片本身。同時(shí)也需要提供產(chǎn)生空氣流來(lái)將熔化的釬料移動(dòng)至所需位置的裝置，因此浪費(fèi)了芯片上的可用空間。
因此這類(lèi)閥復(fù)雜且生產(chǎn)成本高。這種閥的設(shè)計(jì)越復(fù)雜其失敗的可能性越大。我們因此認(rèn)識(shí)到需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和便于制造的閥門(mén)。
在獨(dú)立權(quán)利要求中定義了本發(fā)明，以下應(yīng)當(dāng)引用。在從屬權(quán)利要求中列出了有利特征。
下面通過(guò)實(shí)施例并參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，其中

圖1舉例說(shuō)明了本發(fā)明可以使用的一種微電化學(xué)器件；圖2舉例說(shuō)明了初始狀態(tài)的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案；圖3舉例說(shuō)明了最終狀態(tài)的優(yōu)選實(shí)施方案；圖4舉例說(shuō)明開(kāi)放狀態(tài)的本發(fā)明的可選擇實(shí)施方案；圖5舉例說(shuō)明了關(guān)閉狀態(tài)的圖4的實(shí)施方案；圖6舉例說(shuō)明了在模擬中蠟分子碳鏈長(zhǎng)度的分布；圖7舉例說(shuō)明了在測(cè)試周期晶胞中的分子排列；圖8是周期晶胞體積的溫度依賴(lài)的圖解；圖9是周期晶胞內(nèi)壓力的溫度依賴(lài)的圖解；圖10是周期晶胞中蠟密度的溫度依賴(lài)的圖解；圖11是顯示模擬的蠟的熵、熱容、焓和自由能的計(jì)算值的圖表；圖12是顯示模擬中蠟的剪切分析計(jì)算的模型結(jié)構(gòu)的說(shuō)明；圖13是顯示在兩個(gè)不同溫度下模擬中蠟的速度分布圖。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案采用了微流體器件的形式。微流體器件的特征可以在于一個(gè)或多個(gè)通道的至少一維小于1mm。但是在大多數(shù)應(yīng)用中，通道通常約50μm寬和約50μm深，并且向反應(yīng)或測(cè)試室中傳送納升體積的試劑。
下面通過(guò)實(shí)施例，參考圖1描述微流體電化學(xué)傳感器。
圖1是微流體電化學(xué)反應(yīng)裝置的示意圖。裝置1包括第一混合通道3、第二混合通道5和反應(yīng)室7。第一混合通道3，第二混合通道5和反應(yīng)室7是連接的，使流體可以依次通過(guò)第一混合通道3，通過(guò)第二混合通道5并通過(guò)反應(yīng)室入口8進(jìn)入反應(yīng)室7。第一混合通道3的上游部分與底物入口9和酶入口11相連，這兩個(gè)入口分別向第一混合通道3提供底物和酶。第二混合通道5的上游與介體入口13相連，所述介體入口13向第二混合通道5供應(yīng)介體。反應(yīng)室7與廢物出口15相連，所述廢物出口15使流體通往反應(yīng)室7外。
反應(yīng)室的一個(gè)示例性用途是作為微型生物芯片上的分析組件。
底物包括可以在反應(yīng)室7中與酶發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的分子。底物可以包括，例如，一大批異生物質(zhì)化合物(包括藥物、殺蟲(chóng)劑和環(huán)境污染物)中的任何一種。酶可以是適用于將形成底物的化合物去除毒性的任何代謝酶。所述酶的例子包括來(lái)自細(xì)胞色素P450和黃素單加氧酶族的蛋白質(zhì)。介體作為電子可以流過(guò)的介體，并且可以由任何合適的電子傳導(dǎo)性流體提供。介體的作用在于允許電子從位于反應(yīng)室7內(nèi)的電極17轉(zhuǎn)移到酶，這樣可以誘導(dǎo)酶和底物之間的電化學(xué)反應(yīng)。底物、酶和介體全部以流體形式提供，以便其可以沿混合通道3和5流動(dòng)。
在使用中，底物以第一預(yù)定流速通過(guò)底物入口9連續(xù)供應(yīng)到第一混合通道3，并且酶以第二預(yù)定流速通過(guò)酶入口11連續(xù)供應(yīng)到第一混合通道3。底物和酶在第一混合通道3中混合，例如通過(guò)擴(kuò)散混合。得到的底物/酶混合物沿第一混合通道3流至第二混合通道5。在第一混合通道3中底物和酶之間未發(fā)生反應(yīng)，因?yàn)闆](méi)有電子可以誘導(dǎo)反應(yīng)。
介體以第三預(yù)定流速通過(guò)介體入口13連續(xù)供應(yīng)到第二混合通道5中。介體在第二混合通道5中與底物/酶混合物混合，得到的底物/酶/介體混合物，以下稱(chēng)為反應(yīng)混合物，經(jīng)反應(yīng)室入口8通過(guò)第二混合通道5流向反應(yīng)室7。通過(guò)第一、第二和第三流速的相對(duì)大小決定進(jìn)入反應(yīng)室7的反應(yīng)混合物中底物、酶和介體的比例，可以調(diào)節(jié)以得到所需反應(yīng)混合物濃度。反應(yīng)混合物在反應(yīng)室7內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)，任何未反應(yīng)的反應(yīng)混合物以及反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)廢物出口15排出。
為了控制這類(lèi)反應(yīng)，有必要小心控制每一種底物、酶和介體的流速。因此，本發(fā)明提供一種在諸如上述那些的微流體裝置中控制流體流動(dòng)的閥。
下面參照?qǐng)D2，更詳細(xì)地描述本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的閥。
閥20包括設(shè)置有流體流過(guò)的主通道22。優(yōu)選在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的塑料基材24上形成該通道，這樣其深度約50μm，寬度約50μm。
閥包括通過(guò)狹窄的頸狀部分28與主通道22相連的封閉腔室或儲(chǔ)槽26。腔室的體積為0.25μl并裝有閥材料，所述閥材料優(yōu)選為固體石蠟30的粒料。布置粒料使其完全占據(jù)腔室，因此質(zhì)量約為0.00233g，假設(shè)其密度為0.93g·cm-1。儲(chǔ)槽26理想地按照與通道相同的深度形成，即50μm。但是儲(chǔ)槽可以更深，例如100μm，這取決于其有待容納的蠟含量以及儲(chǔ)槽在其中形成的芯片的深度限制。
頸狀部分28在通道壁上的孔隙32處與主通道22連接?？紫兜南掠危s頸(constriction)34在通道22中形成?？s頸由一部分通道壁組成，所述一部分通道壁逐漸縮入通道中部以提供與流體流動(dòng)反向的軸環(huán)(collar)36。在圖2中，雖然顯示出軸環(huán)具有兩個(gè)由兩個(gè)通道側(cè)壁向外突出的相對(duì)部分38，其優(yōu)選還包括一個(gè)在通道底部上升高的部分(未示出)(以及在通道頂部的類(lèi)似部分)，這樣在軸環(huán)部分，通道的寬度和深度都減小。實(shí)際上，縮頸因此優(yōu)選是一個(gè)內(nèi)徑比通道小的圓柱形軸環(huán)?？s頸的尺寸優(yōu)選為25μm寬和50μm深，或25μm×25μm。
使用氣相沉積技術(shù)或其它已知的制造技術(shù)在基材24上形成加熱元件40。加熱元件40含有加熱盤(pán)管42，設(shè)置加熱盤(pán)管42用于加熱腔室26中的蠟30的粒料。如圖2所示，腔室雖然是圓形的，但橫截面基本上平坦，加熱盤(pán)管42以向盡可能多的蠟同時(shí)傳輸熱量的方式延伸到整個(gè)腔室。因此加熱盤(pán)管與腔室及腔室中的蠟的粒料交疊。加熱盤(pán)管42包括一段載流導(dǎo)線，所述載流導(dǎo)線自身折疊以提供雙軌結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)線部分是并排布置并卷曲成G形。
下面將更詳細(xì)地描述閥的操作。圖2所示的閥處于開(kāi)放狀態(tài)，流體可以在通道中按箭頭方向流動(dòng)。如果需要關(guān)閉閥門(mén)并在通道中停止流動(dòng)，可以向控制電路施加控制信號(hào)(未顯示)，隨即在加熱元件40中引起電流流動(dòng)。加熱元件提供的熱量使石蠟粒料液化，迅速膨脹。由于腔室在除此以外的情況下是關(guān)閉的，液化蠟的膨脹導(dǎo)致部分蠟通過(guò)頸狀部分進(jìn)入主通道。液化蠟流出儲(chǔ)槽26并在較冷的通道中再次固化。軸環(huán)36的反向部分提供了一個(gè)表面，固化的蠟可以在該表面上合并并冷卻進(jìn)一步形成固體蠟的阻塞或栓塞44，如圖3所示。只要加熱元件產(chǎn)生熱量，殘留有足量蠟，并且頸狀部分的孔隙保持開(kāi)放，液化蠟就會(huì)繼續(xù)流出孔隙。因此再固化的蠟在軸環(huán)部位阻塞之后繼續(xù)堆積，直至通道22完全關(guān)閉。如圖3所示，完全阻塞的通道意味著閥隨即關(guān)閉。如圖3所示，蠟在通道中的沉積長(zhǎng)度約2mm。
在圖3中，當(dāng)蠟膨脹并流出儲(chǔ)槽26時(shí)，通過(guò)減少的相應(yīng)的量顯示出殘留在儲(chǔ)槽中的蠟量。用這種方式顯示蠟僅僅是為了說(shuō)明蠟流出儲(chǔ)槽。但實(shí)際上，當(dāng)蠟被加熱元件熔化時(shí)將液化，并膨脹和繼續(xù)占據(jù)整個(gè)儲(chǔ)槽，即使蠟流出孔隙32。
優(yōu)選的實(shí)施方案依賴(lài)于當(dāng)蠟液化時(shí)，它迅速膨脹，以便從儲(chǔ)槽中放出。如果蠟不迅速膨脹，隨著它從儲(chǔ)槽中排出而存在再固化的危險(xiǎn)，并且得到的蠟流不足以阻塞液體流動(dòng)通道。為此，主碳鏈長(zhǎng)度約24個(gè)碳原子的石蠟優(yōu)選作為活性閥材料，這是因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)其熔化時(shí)具有高的熱膨脹系數(shù)。優(yōu)選溫度上升約5℃，蠟膨脹20％。這種技術(shù)提供了一種簡(jiǎn)單可靠的單程閥機(jī)理。因此與例如在US專(zhuān)利No.6,048,734中公開(kāi)的裝置—其中需要空氣通道以確保將熔化的釬料(solder)運(yùn)送到正確的位置—不同，本發(fā)明不需要使熔化的閥材料流入通道的額外裝置。釬料不具有高的熱膨脹系數(shù)。此外，在優(yōu)選實(shí)施方案中，儲(chǔ)槽的形狀阻止蠟向流體流動(dòng)之外的其它方向膨脹。優(yōu)選石蠟是因?yàn)樗娜刍瘻囟缺肉F料所需的溫度低很多。這使它適合于所有芯片，包括塑料芯片生產(chǎn)的應(yīng)用，而不像釬料那樣僅限于玻璃或硅芯片。
通常釬料的熔點(diǎn)高于100℃，該溫度可以熔化塑料芯片，同時(shí)使送入反應(yīng)室的分析物變性。實(shí)際上，塑料芯片和分析物可能被超過(guò)50℃的溫度，甚至被人體溫度—即37℃—損壞。為此，人們認(rèn)識(shí)到閥材料的熔點(diǎn)低，優(yōu)選低于50℃，更優(yōu)選低于37℃是非常重要的。
閥材料的比熱容低也很重要，因?yàn)檫@樣它可以快速冷卻。因此優(yōu)選石蠟，因?yàn)樗旧鲜遣ＡЫY(jié)構(gòu)；因而它需要較少的能量以形成固體，因?yàn)椴粫?huì)以當(dāng)液體改變?yōu)楣腆w結(jié)晶形式時(shí)存在晶體能隙的方式在晶體能隙。因此不應(yīng)將以上說(shuō)明書(shū)中的術(shù)語(yǔ)“液化”和“熔化”理解為必定表示材料的物理狀態(tài)變化，而應(yīng)當(dāng)認(rèn)為表示在實(shí)際范圍內(nèi)材料的行為方式。
電流和通過(guò)加熱元件提供的熱量大小是通過(guò)控制器回路控制的，并取決于所需的轉(zhuǎn)換速度以及腔室中蠟的量和蠟本身的特性。假設(shè)所需轉(zhuǎn)換速度是100ms，0.00233g石蠟的所需供熱能力是780mW。
優(yōu)選的實(shí)施方案基于塑料基材，因?yàn)樗潜阋?，容易模制的材料。雖然在上述實(shí)施方案中使用了PMMA，其它材料，諸如PDMs、聚碳酸酯或聚酰胺也可以使用。器件也可以并優(yōu)選基于硅晶片。
在上述實(shí)施方案中，可以將從儲(chǔ)槽中噴射出的蠟流動(dòng)方向視為流體流動(dòng)方向的下游方向。通道中的縮頸因此位于下游，促使蠟在縮頸的特定位置固化。無(wú)論蠟是在流體下游流動(dòng)或者同時(shí)在上游和下游方向由于毛細(xì)管作用而帶出，一般膨脹驅(qū)動(dòng)力取決于具體操作，包括流體流速、粘度、蠟的加熱和冷卻速度。
因此，優(yōu)選流體流動(dòng)通道包括孔隙32上游方向和下游方向的縮頸。
雖然圖中未示出，頸狀部分28優(yōu)選包括儲(chǔ)槽邊緣的擋板，以防止蠟在閥器件的生產(chǎn)過(guò)程中排出。擋板優(yōu)選具有易碎特征，諸如疏水片。蠟在擋片后面滯留直至被加熱，此時(shí)壓力驅(qū)動(dòng)蠟通過(guò)擋片并流出儲(chǔ)槽。
參照?qǐng)D4和5，其中顯示了本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施方案。
在圖4中顯示了流體流動(dòng)通道22。但是在通道壁上提供了空腔27代替儲(chǔ)槽26，并且在空腔27中提供了閥材料，諸如石蠟。在初始狀態(tài)，石蠟沒(méi)有阻塞流體流動(dòng)通道。但是，當(dāng)采用加熱元件(未示出)加熱時(shí)，蠟30熔化并進(jìn)入通道，在那里冷卻并形成阻塞44。在圖5中顯示了該狀態(tài)。如上所述，可以在上游或下游方向提供縮頸，以及空腔中的擋片，以防止蠟在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)入通道。
按照這種布置，通過(guò)在通道的擴(kuò)大部分提供閥材料，不需要閥材料具有高的熱膨脹系數(shù)。這是因?yàn)樵谌刍瘯r(shí)，閥材料將被流體流動(dòng)推入通道，并在那里冷卻以及再固化為非多孔栓塞。
閥材料也可以是位于通道內(nèi)的多孔材料，其在熔化時(shí)形成非多孔固體阻塞通道。
如上所述，閥材料的材料特性對(duì)于優(yōu)選實(shí)施方案的操作非常關(guān)鍵。它應(yīng)當(dāng)是化學(xué)穩(wěn)定和惰性的，具有低的熔點(diǎn)和比熱容，當(dāng)是液體時(shí)容易流動(dòng)，并且在加熱時(shí)具有高的熱膨脹性。另外，閥材料優(yōu)選是粘性的，并且在通道中的流體中是不混溶的。為此，優(yōu)選石蠟作為閥材料。在優(yōu)選實(shí)施方案中為了說(shuō)明石蠟反應(yīng)，進(jìn)行了模擬。下面將更詳細(xì)地?cái)⑹觥?br> 典型的石蠟?zāi)M作為長(zhǎng)鏈烴的混合物，并隨后進(jìn)行各種熱模擬以評(píng)估該材料用于優(yōu)選實(shí)施方案中節(jié)流閥的適用性。
石蠟是不同烴的復(fù)雜混合物，主要包括(約90％)長(zhǎng)度范圍約18-30個(gè)碳原子的直鏈烷烴。其余的10％包括大小約等于直鏈分子的支鏈和稠合鏈。因?yàn)橥闊N沒(méi)有任何反應(yīng)性官能團(tuán)，所以它們是化學(xué)上非常穩(wěn)定和相對(duì)惰性的。
使用25埃的立方周期晶胞包含蠟分子。在周期晶胞模型中，晶胞一側(cè)的分子可以與對(duì)側(cè)分子算術(shù)上互相作用，使得可以使用適度少量的原子模擬“無(wú)限”疏松的3D材料并在所有三維空間中將晶胞堆疊在一起。用蠟分子填充周期晶胞，得到的最終密度約0.85-0.95g·cm-1—這是典型的石蠟的密度。為了簡(jiǎn)化計(jì)算工作，只使用直鏈化合物模擬蠟。具有略微更多的組分變化大真正的蠟預(yù)期僅顯示出與那些模型些許不同的特性。
構(gòu)造周期晶胞含26個(gè)分子，鏈長(zhǎng)度分布如圖6所示。選擇該組成以模擬鏈長(zhǎng)度范圍約18-30個(gè)碳原子的材料，根據(jù)玻爾茲曼分布集中在C24鏈周?chē)＿@種分布使材料的密度為0.930307g·cm-3，每個(gè)周期晶胞含1906個(gè)原子(618個(gè)碳原子和1288個(gè)氫原子)。平均分子質(zhì)量是334.769，略小于分子質(zhì)量是338.664的24個(gè)碳原子的烷烴鏈。
按照模擬退火過(guò)程將模型松弛，其中將初始結(jié)構(gòu)(在0K)經(jīng)25ps的周期加熱至500K，然后經(jīng)50ps的周期冷卻回到標(biāo)準(zhǔn)室溫(298.15K)。得到的模型如圖7所示，每一個(gè)分子以不同的灰影顯示。在模擬計(jì)算過(guò)程中，從立方體中擴(kuò)散出來(lái)的部分分子在算術(shù)上“卷回”對(duì)側(cè)的空白處，因此模擬成完全堆積的疏松材料。
石蠟沒(méi)有顯示出當(dāng)純化合物熔化并隨即沸騰時(shí)通常觀察到的典型相變。在室溫下，它們形成具有類(lèi)似于玻璃的假晶體態(tài)的固體。隨著蠟被加熱，它們發(fā)生相變成為更加液體的形式(俗稱(chēng)為“熔化”)，其然后可以沸騰形成氣相。沸騰不是普通的，其中小分子組分通常先于大分子組分蒸發(fā)，隨著溫度的增加，在蠟的熱和材料性質(zhì)上引起一系列的“信號(hào)”。
通過(guò)在適合“芯片實(shí)驗(yàn)室”器件的溫度范圍模擬材料的行為而預(yù)測(cè)蠟的熱特性。圖8中的表格顯示周期晶胞的體積如何作為溫度的函數(shù)而變化，因此成為疏松材料的熱膨脹特性的預(yù)示。
如上所述，石蠟的熱膨脹性是關(guān)鍵的，以確保加熱時(shí)，蠟以足夠的量膨脹，以至少部分溢出腔室并在通道內(nèi)形成阻塞物。
模擬試驗(yàn)分別重復(fù)5次，使得僅使用非常小的周期晶胞體積對(duì)于模擬疏松材料的影響減至最小，其中單個(gè)原子和分子對(duì)于作為一個(gè)整體的體系的行為具有不成比例的較大影響?！罢`差線”是體系內(nèi)熱可變性的指示，表示在適當(dāng)溫度下經(jīng)過(guò)5ps周期內(nèi)在體系中觀察到的平均值的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。每一次模擬試驗(yàn)在1個(gè)大氣壓的恒定壓力下進(jìn)行，并允許向環(huán)境中傳送/從環(huán)境獲取能量。這使蠟的熱膨脹特性得以模擬，因?yàn)樾枰淖冎芷诰О某叽缫员３趾愣▔毫Α?br> 圖9和10中顯示了壓力和密度如何隨溫度變化的曲線。壓力在整個(gè)模擬過(guò)程中基本上保持恒定，而密度與周期晶胞尺寸呈反必的關(guān)系變動(dòng)。
由其材料安全性數(shù)據(jù)表可以看到，石蠟的熔點(diǎn)是54-58℃，沸點(diǎn)是350-370℃，這取決于精確的分子組成。當(dāng)溫度接近160℃時(shí)，從石蠟表面升起白煙，表明一些小分子量組分以蒸氣形式離開(kāi)疏松材料，然后當(dāng)其冷卻時(shí)以煙粒形式重結(jié)晶。熱模擬試驗(yàn)顯示在預(yù)期的熔點(diǎn)有相變，當(dāng)溫度接近160℃時(shí)體積減少且密度隨即上升，因此可以總結(jié)出模型可靠地再現(xiàn)了真實(shí)的石蠟的行為。
通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行微擾分析，可以計(jì)算各種額外的熱力學(xué)特性，及其是如何隨溫度變化的。見(jiàn)圖11。焓是在化學(xué)結(jié)構(gòu)本身中儲(chǔ)存多少能量的量度。熵表明可以在材料中儲(chǔ)存多少“非結(jié)合”能量，諸如熱振動(dòng)/旋轉(zhuǎn)。自由能是材料化學(xué)穩(wěn)定性的指示，熱容表明將材料改變一度開(kāi)氏溫度需要多少能量。
在室溫下，預(yù)知蠟的熱容是32.032cal/mol.K，這意味著將1mol當(dāng)量的蠟(334.8g)的溫度升高1K需要32.032cal(134.02J)。在100℃下，熱容上升至39.554cal/mol.K，這意味著將334.8g蠟從室溫加熱到100℃需要2684.5cal(11.232kJ)。
假設(shè)微流體通道的尺寸約為50×50μm，通過(guò)阻塞2mm長(zhǎng)的通道而關(guān)閉閥門(mén)，需要5nl體積的蠟阻塞通道。周期晶胞體積在該溫度范圍內(nèi)增加約3％，所以需要一個(gè)0.1633ml的蠟“儲(chǔ)槽”以供應(yīng)所需體積的蠟。所以考慮到合理的安全界限，優(yōu)選0.25ml的蠟儲(chǔ)槽。
因?yàn)橄灥拿芏仁?.93g·cm-3，0.25ml的蠟重0.002325g。可以使用熱容計(jì)算確定，需要0.01864cal(0.0780J)熔化閥門(mén)中的蠟。假設(shè)閥門(mén)在100ms內(nèi)轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于需要780mW供熱能力，這在電阻性微電子加熱元件的效能范圍內(nèi)。
當(dāng)然，來(lái)自加熱元件的許多熱能將會(huì)轉(zhuǎn)移進(jìn)環(huán)繞的芯片結(jié)構(gòu)中，所以實(shí)際需要的能量可能多少會(huì)高于這個(gè)值(或者，轉(zhuǎn)換速度將會(huì)稍慢)。
但是，加熱材料引起的實(shí)際流動(dòng)并不簡(jiǎn)單地是用于模擬疏松材料的周期晶胞中的尺寸變化的函數(shù)。在蠟的粒料邊緣的周期晶胞與微流體芯片的壁和微流體通道中的液體相互作用，而蠟體內(nèi)部的周期晶胞簡(jiǎn)單地在所有方向上與其自身的等同體相互影響。所以需要模擬蠟與不同材料在每一個(gè)界面表面的相互作用，以模擬材料如何粘附在芯片基材上以及在熔化時(shí)如何流動(dòng)。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，芯片基材材料優(yōu)選是塑料。所以選擇聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為模擬的基材材料，這是因?yàn)樗哂械幕瘜W(xué)特性與其它可能被用于制造芯片的塑料(PDMS、聚碳酸酯、聚酰胺等)最相似。預(yù)計(jì)不同基材材料的特性多少有些不同，但不會(huì)導(dǎo)致結(jié)果與該模擬的結(jié)果相差太大。
模擬蠟流過(guò)單個(gè)聚合物壁是不實(shí)際的，因?yàn)檫@涉及材料離開(kāi)蠟層的周期晶胞的凈運(yùn)輸(net transport)?？梢源赃M(jìn)行剪切分析(shear analysis)來(lái)預(yù)示材料的機(jī)械特性。在剪切分析中，通過(guò)兩個(gè)聚合物壁之間的蠟薄層建立一個(gè)三明治結(jié)構(gòu)。然后每一個(gè)壁向相對(duì)方向移動(dòng)(例如頂壁以1mm·s-1向右移動(dòng)，底壁以同樣的速度向左移動(dòng))。所以沒(méi)有來(lái)自周期晶胞的材料的凈運(yùn)輸，因?yàn)椤半x開(kāi)”頂壁的原子又進(jìn)入底壁的晶胞中。在兩個(gè)壁之間剪切蠟，使得可以計(jì)算粘度、表面粘附性和膨脹性。剪切模擬在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，產(chǎn)生測(cè)試材料的性能概況。
圖12顯示了剪切分析模擬結(jié)構(gòu)。一個(gè)30埃厚的蠟層夾在兩個(gè)15埃厚的PMMA層之間。頂部PMMA層以5mm·s-1的速度向右移動(dòng)，底層以相同速度向左移動(dòng)。通過(guò)在數(shù)學(xué)模型中包含一個(gè)將其連在一起的剛性的簡(jiǎn)單諧振彈簧而保持兩個(gè)PMMA“壁”之間的距離。
可以通過(guò)在室溫(298.15K)和100℃(373.15K)下平均經(jīng)過(guò)50ps(以下1標(biāo)準(zhǔn)偏差的“誤差線”)的時(shí)間模擬體系，給出材料在這兩個(gè)溫度下的粘性流動(dòng)特性的指示，來(lái)計(jì)算出材料的速度曲線。
圖13所示的速度曲線表明，在100℃下兩個(gè)PMMA壁之間蠟具有平滑的，幾乎是線性的流動(dòng)曲線，并因此作為稍微粘性的液體發(fā)揮作用。但在室溫下，底壁和蠟之間的速度曲線有一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折，表明蠟已經(jīng)從這個(gè)壁“剝離出來(lái)”并以依然附著到頂壁上的固體形式發(fā)揮作用。
如下所示，體積粘度ηv與描述蠟層內(nèi)應(yīng)力的矩陣的對(duì)角元素的波動(dòng)衰變有關(guān)P18框，空2行其中t是時(shí)間，V是材料體積，T是溫度，k是玻爾茲曼常數(shù)，和δS＝S-<S>相當(dāng)于瞬間應(yīng)力張量的非對(duì)角元素。根據(jù)剪切模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行該計(jì)算，得出熔化的蠟粘度是5.93厘沲。根據(jù)蠟的組成，蠟材料數(shù)據(jù)表給出實(shí)驗(yàn)確定值在2.9-7.5厘沲的范圍內(nèi)。
模型顯示，碳鏈長(zhǎng)度24的石蠟是適用于微流體閥的材料。它在約55℃熔化，在65℃-100℃的溫度下可以容易流動(dòng)并迅速再固化。使用780mW能量，電阻性微電子加熱元件可以在100ms內(nèi)轉(zhuǎn)換閥門(mén)。
這樣，用于在微流體裝置中控制流體流動(dòng)的閥得以實(shí)現(xiàn)，其制造容易且廉價(jià)，操作可靠，因?yàn)橹挥幸苿?dòng)部分是進(jìn)行狀態(tài)改變的閥材料。因此，也可以更廉價(jià)且更可靠地生產(chǎn)其中需要調(diào)節(jié)流體流動(dòng)的“芯片實(shí)驗(yàn)室”器件。
雖然優(yōu)選的實(shí)施方案包括用于微流體器件的微型閥，但可以認(rèn)識(shí)到，閥的操作并不取決或局限于器件的規(guī)模。因此其它實(shí)施方案也可以制成更大規(guī)模，例如高至厘米規(guī)模，或更小的長(zhǎng)度規(guī)模，處于實(shí)際和/或制造公差所允許的情況下。
另外，雖然已經(jīng)給出了優(yōu)選實(shí)施方案的不同結(jié)構(gòu)特征的尺寸，但這些只用于解釋的目的?？梢岳斫猓S多因素，諸如儲(chǔ)槽的尺寸、閥材料的量、密度和熱容、通道的尺寸等等，都影響器件的操作，但是可以根據(jù)需要變化。但按照上述涉及石蠟的例子，通過(guò)給出的所需閥性能的信息，所有這些因素都可以按照相對(duì)直接的方式計(jì)算。
此外，盡管優(yōu)選石蠟，但其它原料也可以用作閥材料，這取決于裝置所需性能，并且條件是材料熱膨脹系數(shù)足以使其在加熱元件的加熱下從儲(chǔ)槽中排出，從而阻塞通道，或者條件是熔點(diǎn)足夠低。也可以使用其它蠟或油，諸如硅氧烷基潤(rùn)滑脂和熱膨脹性聚合物和泡沫材料。由于硅氧烷基油和潤(rùn)滑脂可以制成具有特定熔點(diǎn)的級(jí)別，所以是便利的。芯片不需要在低于50℃的溫度下操作時(shí)，則優(yōu)選熔點(diǎn)的溫度范圍在50℃-80℃之間。
除了標(biāo)準(zhǔn)石蠟—各種烴的混合物—之外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)特定純度的烴也是適合的。一個(gè)例子是hexatriacotane(CH36H72)。
液晶彈性體也是合適的，隨著熱條件改變，其可以收縮或膨脹。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)丙烯酸酯基彈性體很好，因?yàn)槠渚€性尺寸可以改變高達(dá)35％。
因此，本發(fā)明已經(jīng)描述了優(yōu)選的微流體閥，其中設(shè)置蠟的閥材料以隨著溫度變化而從腔室膨脹到閥座。因此除了提供溫度梯度的熱源之外，不需要引起閥材料移動(dòng)以阻塞閥的裝置。
權(quán)利要求
1.一種用于在微流體器件中控制流體流動(dòng)的閥，所述閥包括用于傳輸流體的通道；連接至通道的腔室；用于加熱腔室的加熱元件；和布置在腔室中的閥材料；并且其中在使用中，設(shè)置加熱元件來(lái)加熱閥材料，以使其膨脹出腔室并阻塞通道。
2.權(quán)利要求1的閥，其中腔室通過(guò)通道和腔室之間的頸狀部分與通道連通。
3.權(quán)利要求1或2的閥，其中設(shè)置加熱元件來(lái)與腔室交疊。
4.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的閥，其中通道包括閥材料下游的縮頸。
5.權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的閥，其中通道包括閥材料上游的縮頸。
6.權(quán)利要求4或5的閥，其中縮頸包括在通道中具有與流體流動(dòng)相對(duì)的表面的軸環(huán)。
7.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的閥，其中閥材料在熔化時(shí)具有高的膨脹系數(shù)，并且設(shè)置使閥材料熔化，以使其膨脹充滿(mǎn)通道。
8.權(quán)利要求7的閥，其中閥材料具有低的熔點(diǎn)，使得在被加熱時(shí)，其熔化阻塞通道，而不損害流體或通道。
9.權(quán)利要求7或8的閥，其中閥材料的熔點(diǎn)低于50℃。
10.權(quán)利要求7或8的閥，其中閥材料的熔點(diǎn)低于37℃。
11.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的閥，其中閥材料是固體蠟。
12.權(quán)利要求11的閥，其中閥材料是石蠟。
13.權(quán)利要求12的閥，其中石蠟的典型碳鏈長(zhǎng)度是24。
14.一種用于在微流體器件中控制流體流動(dòng)的閥，所述閥包括用于傳輸流體的通道；加熱元件；和與通道連接的閥材料；所述閥材料具有高的熱膨脹系數(shù)，使得在被加熱時(shí)，其膨脹阻塞通道。
15.權(quán)利要求14的閥，所述閥包括與通道連通的腔室；并且其中閥材料最初包含在腔室內(nèi)。
16.一種包含前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的閥的微流體器件。
17.一種包含權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)的閥的微電-化學(xué)反應(yīng)器件。
全文摘要
提供一種在微流體器件中控制流體流動(dòng)的閥。所述閥包括在基材(24)上形成的腔室(26)、加熱盤(pán)管(42)和包含在腔室(26)內(nèi)的閥材料(30)。當(dāng)閥關(guān)閉時(shí)，激活加熱盤(pán)管引起閥材料膨脹出腔室，通過(guò)頸狀部分(28)，進(jìn)入主通道(22)，將其阻塞。優(yōu)選閥材料是石蠟，并且通過(guò)加熱盤(pán)管(42)以引起其熔化。在熔化時(shí)，熔化的石蠟流入主通道并在那里冷卻和固化。帶有軸環(huán)(36)的縮頸(34)提供冷的表面，固化的蠟在該表面上積聚。
文檔編號(hào)B81B3/00GK1968754SQ200580020319
公開(kāi)日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月10日
發(fā)明者B·P·艾倫, R·吉爾伯特, X·周 申請(qǐng)人:E2V生物傳感器有限公司