專利名稱：一種基于相替換觸發(fā)的毛細微閥及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于相替換觸發(fā)的毛細微閥及其應(yīng)用，可應(yīng)用于微生化反應(yīng)器和 芯片實驗室。屬于微流控領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，微流控系統(tǒng)作為一種新的技術(shù)平臺，在生物和化學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注， 這類系統(tǒng)通常稱為微型全分析系統(tǒng)(Micro Total Analysis Systems)或芯片實驗室 (Labs-on-a-Chip)，往往需要執(zhí)行進樣、混合、分離、檢測等過程，這些過程大多離不開微流 體的控制，在微流控系統(tǒng)中微流體的控制主要由微泵和微閥等基本單元來實現(xiàn)的。但是，目 前微流控系統(tǒng)中微閥和微泵這類基本功能單元發(fā)展的還很不完善，極大地限制了其實際應(yīng) 用。微閥是微流控系統(tǒng)中起控制限流的重要組成器件，長期以來，各國研究人員一直 在努力研制一種低成本、低死體積[Al]、低耗能的微閥。至今，研究人員已研制了多種不同 原理、不同形式的微閥，這些微閥主要分為有源微閥和無源微閥。其中有源微閥需要在某 種驅(qū)動能的作用下實現(xiàn)對微流體的控制，包括氣壓、壓電、磁、電、熱、相變等，這類閥往往結(jié) 構(gòu)復(fù)雜、制作工藝難度大、成本高、消耗功率大，且難以集成；無源微閥則無需從外部輸入能 量來實現(xiàn)阻流控制，往往通過微通道網(wǎng)絡(luò)中局部區(qū)域表面性質(zhì)的改變[H. Andersson, W. van der Wijngaart, P. Griss,F. iklaus, G. Stemme.Hydrophobicvalves of plasma deposited octafluorocyclobutane in DRIE channels.Sensors Mctuators B :Chemical,2001, 75:136-141.]或管道形狀的突變[A. Gliere, C. Delattre. Modeling and fabrication of capillary stop valves for planar microfluidicsystems. -Sensors & Actuators A. Physical, 2006,130 =601-608.]來調(diào)控表面張力，實現(xiàn)阻流作用，這種微閥沒有運動部 件，結(jié)構(gòu)簡單、易于集成、加工成本低，適用于一次性應(yīng)用。不過，現(xiàn)有的無源微閥雖然在阻 流過程中不需要從外部輸入能量，但是其開啟仍然需要借助外部有源部件才能實現(xiàn)，比如 氣壓泵驅(qū)動或離心機驅(qū)動等，這類外加部件往往增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可便 攜性，從而限制了微流體系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。近年來，快速、高通量的生化篩選和檢測對系統(tǒng) 的微型化、集成化和成本提出了更高的要求，因此，迫切需要發(fā)展一種結(jié)構(gòu)簡單、易于集成、 低成本、低能耗的微閥來適應(yīng)微型生化分析系統(tǒng)的發(fā)展形勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于相替換觸發(fā)的毛細微閥及其應(yīng)用，所述的微閥具有 結(jié)構(gòu)簡單、易于集成、低成本、低能耗的優(yōu)點，可應(yīng)用于微流控系統(tǒng)中微流體的簡便控制。本發(fā)明提供的一種基于相替換觸發(fā)的毛細微閥，其特征在于所述微閥為一種單 向被動閥，由進樣微管道上一段橫截面突變的微管道或微腔體和與其相連的一條油相填充 微管道和一條通氣管道構(gòu)成；橫截面突變的微管道或微腔體利用橫截面突變導(dǎo)致的水/氣 界面曲率變化發(fā)揮微閥限流功能；油相填充微管道通過在橫截面突變的微管道或微腔體中
3充入油相替換氣相，降低水相流體界面張力，實現(xiàn)微閥開啟功能。所述橫截面突變的微管道 或微腔體至少與一條進樣微管道、一條油相填充微管道和一條通氣微管道相連，其中，通氣 微管道可以為單獨的一條管道，也可以與流體出口管道共一條管道；橫截面突變的微管道 或微腔體的橫截面面積大于進樣微管道的橫截面面積，且其與進樣微管道在連接處的交接 角大于或等于90°，以保證連接處水相界面曲率變化足夠大，實現(xiàn)較好的限流作用；橫截 面突變的微管道或微腔體以及進樣微管道橫截面均可以為圓形、矩形和梯形。所述油相填 充微管道橫截面面積小于水相樣品進樣微管道橫截面面積，以防止油相替換氣相觸發(fā)水相 樣品進入橫截面突變的微管道或微腔體后，水相樣品泄漏進入油相填充微管道中，油相填 充微管道橫截面可以為圓形、矩形和梯形。具體而言，首先在與進樣微通道相連的進樣口中充入水相樣品，利用重力、毛細力 或者外置氣壓泵驅(qū)動此水相樣品進入并填充進樣微管道，當水相樣品前進至進樣微管道與 橫截面突變的微管道或微腔體連接處時，由于表面張力的作用，水相樣品的前界面將向氣 相方向凸起，并且其曲率將增大，從而導(dǎo)致進樣微管道中流體所受反向毛細壓強增加，當此 反向毛細壓強與進樣口驅(qū)動壓強相等時，進樣微管道中水相流體將處于平衡停止狀態(tài)，即 實現(xiàn)微閥關(guān)閉限流功能；當水相流體在進樣微管道與橫截面突變的微管道或微腔體連接處 處于平衡停止狀態(tài)時，通過油相填充微管道在橫截面突變的微管道或微腔體中充入油相流 體，排除微管道或微腔體中原有的空氣，以油相流體替代空氣，則此“相替換”將降低水相樣 品前界面的界面張力，因為通常情況下水相/油相表面張力系數(shù)比水相/氣相表面張力系 數(shù)小1 3倍，所以油相替換氣相將降低進樣微管道中水相樣品所受反向毛細壓強，打破水 相前界面原有壓強平衡，使水相樣品突破毛細微閥的限流而進入橫截面突變的微管道或微 腔體中，從而實現(xiàn)微閥的開啟功能。需指出的是，集成所述的微流網(wǎng)的微流控芯片在制作方法上與傳統(tǒng)芯片俄制作方 法并無區(qū)別。所述的制作方法，包括①利用光刻工藝制作含橫截面突變微線條結(jié)構(gòu)的SU-8雙層模具；②配制PDMS預(yù)聚體，澆注于步驟1的SU-8模具上，并加熱固化；③從模具上剝離固化后的PDMS基片，并與一清洗后的玻片鍵合，形成集成有“基 于相替換觸發(fā)毛細微閥”的微流控芯片。本發(fā)明與現(xiàn)有微流控系統(tǒng)中的微閥相比，擺脫了微閥對外置部件的依賴，簡化了 微流控系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了微流控系統(tǒng)的制作成本。而且，本發(fā)明所提供的微閥結(jié)構(gòu)簡 單，加工簡便，便于操作，易于實現(xiàn)集成化，適用于一次性微流控芯片系統(tǒng)。


圖1(a)為本發(fā)明所提供的基于相替換觸發(fā)的毛細微閥一種結(jié)構(gòu)示意圖，該微閥 由進樣管道連接橫截面突變的微腔體和一條油相填充微管道以及一條通氣微管道構(gòu)成。圖1(b)為本發(fā)明所提供的基于相替換觸發(fā)的毛細微閥一種結(jié)構(gòu)示意圖，該微閥 由進樣管道連接橫截面突變的微管道和一條油相填充微管道以及一條通氣微管道構(gòu)成。圖2(a)為本發(fā)明所提供的基于相替換觸發(fā)的一種毛細微閥處于關(guān)閉限流狀態(tài)的 示意圖，該微閥由進樣管道連接橫截面突變的微腔體和一條油相填充微管道以及一條通氣 微管道構(gòu)成。
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圖2(b)為本發(fā)明所提供的基于相替換觸發(fā)的一種毛細微閥處于關(guān)閉限流狀態(tài)的 示意圖，該微閥由進樣管道連接橫截面突變的微管道和一條油相填充微管道以及一條通氣 微管道構(gòu)成。圖3(a)為本發(fā)明所提供的基于相替換觸發(fā)的一種毛細微閥因油相替換氣相觸發(fā) 微閥開啟流通的示意圖，該微閥由進樣管道連接橫截面突變的微腔體和一條油相填充微管 道以及一條通氣微管道構(gòu)成。圖3(b)為本發(fā)明所提供的基于相替換觸發(fā)的一種毛細微閥因油相替換氣相觸發(fā) 微閥開啟流通的示意圖，該微閥由進樣管道連接橫截面突變的微管道和一條油相填充微管 道以及一條通氣微管道構(gòu)成。圖4為本發(fā)明實施例2毛細微閥應(yīng)用于微反應(yīng)時，各種待反應(yīng)樣品被微閥限流控 制的示意5為本發(fā)明實施例2毛細微閥應(yīng)用于微反應(yīng)時，各種待反應(yīng)樣品因微閥觸發(fā)開 通自動進入反應(yīng)通道實現(xiàn)混合反應(yīng)的示意6為本發(fā)明實施例3毛細微閥應(yīng)用于蛋白質(zhì)逆向擴散結(jié)晶時，蛋白質(zhì)液和結(jié)晶 劑被微閥限流控制的示意7為本發(fā)明實施例3毛細微閥應(yīng)用于蛋白質(zhì)逆向擴散結(jié)晶時，蛋白質(zhì)液和結(jié)晶 劑因微閥觸發(fā)開通自動進入微腔體實現(xiàn)混合擴散的示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的進步。實施例1如圖1所示，本發(fā)明的基于相替換觸發(fā)的毛細微閥包括一個進樣微管道1、一個橫 截面突變的微管道或微腔體2、一個油相填充微管道3、一個通氣微管道4和一個流體出口 5。微閥工作過程，如下所述首先，將待操控的水相樣品液體6通過重力、毛細力或氣壓泵驅(qū)動充入進樣微管 道1中，當水相流體到達進樣微管道1與橫截面突變的微管道或微腔體2的連接處7時(如 圖2所示)，水相樣品的前界面8將在表面張力的作用下向氣相方向凸起，并且其曲率將增 大，導(dǎo)致進樣微管道中流體所受反向毛細壓強增加，當此反向毛細壓強與進樣口驅(qū)動壓強 相等時，進樣微管道中水相流體將處于平衡停止狀態(tài)，即實現(xiàn)微閥關(guān)閉限流功能；若要開啟 微閥，則通過油相填充微管道3導(dǎo)入油相流體9進入橫截面突變的微管道或微腔體2中，以 油相替換微管道或微腔體中原來的空氣，由于水相/油相表面張力系數(shù)比水相/氣相表面 張力系數(shù)小，所以油相替換氣相將降低水相樣品的前界面8的界面張力，從而減小進樣微 管道中水相樣品所受反向毛細壓強，打破水相前界面原有壓強平衡，導(dǎo)致水相樣品突破毛 細微閥的限流而進入橫截面突變的微管道或微腔體2中，從而實現(xiàn)微閥的開啟功能(如圖 3所示)。實施例2將基于相替換觸發(fā)的毛細微閥應(yīng)用于混合反應(yīng)微反應(yīng)器，其方式為毛細微閥采 用兩條平行進樣微管道共同連接一個橫截面突變微管道的設(shè)計，首先將兩種待反應(yīng)的水相 試劑或樣品分別導(dǎo)入兩條進樣微管道1中，并通過微閥限流作用使兩者均停止在進樣微管道與橫截面突變的微管道連接處(如圖4所示)；然后，通過兩側(cè)油相填充管道3向橫截面 突變的微管道中同時充入油相流體，觸發(fā)兩種水相流體突破反向毛細壓強的限流作用，同 時進入橫截面突變的微管道中實現(xiàn)混合，形成反應(yīng)區(qū)域10(如圖5所示)。實施例3將基于相替換觸發(fā)的毛細微閥應(yīng)用于蛋白質(zhì)逆向擴散結(jié)晶，其方式為毛細微閥 采用兩條相對排布的進樣微管道共同連接一個橫截面突變微腔體的設(shè)計，首先將蛋白質(zhì)樣 品和結(jié)晶劑分別導(dǎo)入兩條相對排布的進樣微管道1中，并通過微閥限流作用使兩者均停止 在進樣微管道與橫截面突變的微腔體連接處(如圖6所示)，同時保持兩個相對排布的進 樣微管道入口處驅(qū)動壓的一致性，以防止驅(qū)動壓對擴散過程的影響；然后，通過油相填充管 道3向橫截面突變的微腔體中充入油相流體9，觸發(fā)蛋白質(zhì)液和結(jié)晶劑兩種水相流體突破 反向毛細壓強的限流作用，同時進入橫截面突變的微腔體中實現(xiàn)界面混合，并形成逆向擴 散區(qū)域11 (如圖7所示)。本發(fā)明與現(xiàn)有的微閥相比，結(jié)構(gòu)簡單，無需復(fù)雜驅(qū)動設(shè)備和外置部件，簡化了微流 控系統(tǒng)的制作，提高了微流控系統(tǒng)的集成度，有利于微流控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。
權(quán)利要求
一種基于相替換觸發(fā)的毛細微閥，其特征在于所述微閥為一種單向被動閥，由進樣微管道上一段橫截面突變的微管道或微腔體和至少一條與其相連的油相填充微管道和一條通氣微管道構(gòu)成。
2.按權(quán)利要求1所述的毛細微閥，其特征在于①通氣微管道為單獨的一條管道或與流體出口管道共一條管道；②橫截面突變的微管道或微腔體的橫截面面積大于進樣微管道的橫截面面積，且其與 進樣微管道在連接處的交接角大于或等于90°C。
3.按權(quán)利要求1所述的毛細微閥，其特征在于進樣微管道為一條或兩條，兩條時為平 行排列或相對排布。
4.按權(quán)利要求2所述的毛細微閥，其特征在于所述的油相填充微管道的橫截面面積小 于進樣微管道橫截面面積。
5.按權(quán)利要求2所述的毛細微閥，其特征在于所述的橫截面突變的微管道或微腔體和 進樣微管道的截面為圓形、矩形或梯形。
6.按權(quán)利要求4所述的毛細微閥，其特征在于所述的油相填充微管道的截面為圓形、 矩形或梯形。
7.權(quán)利要求1-6中任一項所述的微閥的應(yīng)用，其特征在于用作混合反應(yīng)微反應(yīng)器或蛋 白質(zhì)逆向擴散結(jié)晶。
8.按權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于用作混合反應(yīng)微反應(yīng)器的方法是①設(shè)計進樣微管道為兩條平行的進樣微管道共同連接一個橫截面突變的微管道；②然后將兩種待反應(yīng)的水相試劑或樣品分別導(dǎo)入兩條進樣微管道(1)中，并通過微閥 限流作用使兩者均停止在進樣微管道與橫截面突變的微管道連接處；③通過兩側(cè)油相填充微管道(3)向橫截面突變的微管道中同時充入油相流體，觸發(fā)兩 種水相流體突破反向毛細壓強的限流作用，同時進入橫截面突變的微管道中實現(xiàn)混合，形 成反應(yīng)區(qū)域(10)。
9.按權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于用作蛋白質(zhì)逆向擴算結(jié)晶的方法是①進樣微管道設(shè)計為兩條相對排布的進樣微管道，共同連接一個橫截面突變微腔體；②首先將蛋白質(zhì)樣品和結(jié)晶劑分別導(dǎo)入兩條相對排布的進樣微管道(1)中，并通過微 閥限流作用使兩者均停止在進樣微管道與橫截面突變的微腔體連接處，同時保持兩個相對 排布的進樣微管道入口處驅(qū)動壓的一致性；③然后，通過油相填充管道(3)向橫截面的微腔體中充入油相流體，觸發(fā)蛋白質(zhì)液和 結(jié)晶劑兩種水相流體突破反向毛細壓強的限流作用，同時鍵入橫截面突變的微腔體中實現(xiàn) 界面混合，并形成逆向擴散區(qū)域(11)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于相替換觸發(fā)的毛細微閥及其應(yīng)用，所述微閥為一種單向被動閥，由進樣微管道上一段橫截面突變的微管道或微腔體和一條與其相連的油相填充微管道構(gòu)成。當水相樣品流經(jīng)管道橫截面突變處時，表面張力作用其前端水相/氣相界面的曲率發(fā)生變化，導(dǎo)致水相流體所受反向壓強增加，當此反向壓強與水相樣品驅(qū)動壓達到平衡時，即可實現(xiàn)對水相樣品的控制限流作用，發(fā)揮閥的關(guān)閉功能；若通過油相填充管道導(dǎo)入油樣，以油相替代處于限流平衡狀態(tài)水相樣品前界面的氣相，則水相前界面的表面張力將降低，從而降低水相前界面所受反向壓力，實現(xiàn)閥的開啟功能。提供的毛細微閥，可應(yīng)用于微生化反應(yīng)器和芯片實驗室。
文檔編號F16K31/12GK101968131SQ20101028962
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者李剛, 趙建龍, 陳強 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所