CN102278293A - 一种基于毛细作用的微泵及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于毛细作用的微泵其使用方法，其特征在于所述微泵由毛细泵腔、分隔阀、进样微管道和储液微腔组成，其中毛细泵腔为一个微管道网络；分隔阀为一段连接毛细泵腔和进样微管道的微管道或微腔；进样微管道为一段处于进样口和储液微腔之间的微管道，储液微腔为一个培养腔或反应腔，位于进样微管道终端。微泵使用方法：1)在进样口中加入样品或试剂，使之在毛细作用力驱动下充满进样微管道，并因毛细微阀作用停止于储液微腔入口处；2)在毛细泵腔入口加入驱动液体，驱动液体将在毛细作用力下填充毛细泵腔并压缩其中空气产生驱动压强，从而分割并推动进样微管道样品或试剂进入储液微腔。提供的微泵还可双体联用实现定量的微混合、反应或细胞培养。

Description

一种基于毛细作用的微泵及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种基于毛细作用的微泵及其使用方法，可应用于微生化反应器和芯片实验室。

背景技术

近年来，微流控系统作为一种新的技术平台，在生物和化学领域受到广泛关注，这类系统通常称为微型全分析系统(Micro Total Analysis Systems)或芯片实验室(Labs-on-a-Chip)，往往需要执行进样、混合、分离、检测等过程，这些过程大多离不开微流体的控制，在微流控系统中微流体的控制主要由微泵和微阀等基本单元来实现的。微泵作为微流体控制系统的核心部件，是实现微量液体供给和精确控制的动力元件，微泵的种类很多，大致可分为机械式微泵和非机械式微泵。机械式微泵往往依靠运动部件来传输、控制流体，而非机械式微泵则是依靠各种物理作用或效应将某种非机械能转变为微流体的动能实现微流体的驱动。按驱动原理，机械式微泵主要有压电式、热气动式、静电式、电磁式、形状记忆合金式等，这类微泵通常制造工艺较复杂、成本高、消耗功率大、长期工作的可靠性较差，且难以集成。非机械式微泵主要有电渗式、电浸润式、声波式、磁流体式、蒸发式等，这类微泵在可靠性方面具有一定优势，不会出现机械式微泵长期工作情况下的膜形变疲劳等问题，但这类微泵需要复杂的驱动电路或设备，这类外加部件往往增加了系统的复杂性，降低了系统的可便携性，从而限制了微流体系统的应用范围。近年来，快速、高通量的生化筛选和检测对系统的微型化、集成化和成本提出了更高的要求，因此，迫切需要发展一种结构简单、易于集成、低成本、低能耗的微阀来适应微型生化分析系统的发展形势。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于毛细作用的微泵及其使用方法，所述的微泵具有结构简单、低成本、无能耗、易于集成的优点，可应用于微流控系统中微流体的简便控制。

本发明提供的一种基于毛细作用的微泵，其特征在于：所述微泵为一种单向和一次性的气压驱动泵，该微泵由毛细泵腔、分隔阀、进样微管道和储液微腔组成，其中毛细泵腔为一个微管道网络，该网络由一组平行的或相互交织的微管道组成，其最小特征尺寸小于分隔阀和进样微管道；所述的最小特征尺寸指圆形微管道直径或矩形微管道中高和宽两者相对较小的那一维的尺寸；分隔阀为一段连接毛细泵腔和进样微管道的微管道或微腔，其剖面横截面相对于两侧连通管道横截面至少在一个方向上发生扩张，利用横截面突变导致的水/气界面曲率变化发挥毛细微阀限流功能；进样微管道为一段处于进样口和储液微腔之间的微管道，待驱动样品液体或试剂液体与其至少一面管壁接触角小于90°，且进样管道中间某一部位通过侧向连接管道与分隔阀相连；其中，分隔阀与进样口之间的进样微管道流阻大于分隔阀与储液微腔之间的进样微管道流阻。同时，所述的储液微腔为一个培养腔或反应腔，位于进样微管道终端，其剖面横截面相对于进样微管道连接口横截面至少在一个方向上发生扩张，利用横截面突变导致的水/气界面曲率变化发挥毛细微阀限流功能。

本发明说提供的微泵的使用方法，包括：1)在进样口处中加入样品液体或试剂液体，样品液体或试剂液体在毛细作用力的驱动下充满进样微管道，并因毛细微阀限流作用，样品液体或试剂液体前进液面停止于进样微管道与分隔阀和储液微腔的连接处；2)在毛细泵腔入口加入驱动液体，利用液体在微管道网络中的毛细作用力压缩泵腔内空气产生驱动压强，分割并推动进样微管道样品液体或试剂液体克服毛细阀阻力进入储液微腔。其中驱动液体与构成毛细泵腔的微管道网络管壁的接触角小于或等于样品液体或试剂液体与进样微管道管壁的接触角。

具体而言，首先在与进样微通道相连的进样口中滴入样品液体或试剂液体，利用毛细力作用样品液体或试剂液体自动填充进样微管道，当样品液体或试剂液体前进至进样微管道与分隔阀或储液微腔连接处时，由于表面张力的作用，样品液体或试剂液体的前界面将向气相方向凸起，并且其曲率将增大，从而导致进样微管道中流体所受反向毛细压强增加，当此反向毛细压强与进样口驱动压强相等时，进样微管道中流体将处于平衡停止状态，即实现微阀关闭限流功能；然后，在向毛细泵腔中微管道网络的入口处滴入驱动液体，同样在毛细力作用下，驱动液体自动填充微管道网络，压缩毛细泵腔入口至分隔阀与进样微管道连接处微管道及腔体中的空气，随着空气体积的缩小，其压强逐渐增大，当毛细泵腔中空气压强大于样品液体或试剂液体在进样微管道中产生的最大毛细压强时，空气将通过分隔阀与进样微管道连接口推动样品液体或试剂液体反向运动，在空气的推动下，反向运动的样品液体或试剂液体将在连接管道与进样微管道的“T形”连接处被分割，即实现样品液体或试剂液体的定量分配，连接管道与储液微腔之间的进样微管道几何大小限定待分配样品液体或试剂液体的体积。随着泵腔中气体压强的进一步增大，驱动液体压强将超过进样微管道与储液微腔连接处毛细微阀的阻力，将定量分割的样品液体或试剂液体全部推入储液微腔中，以实现后续的混合、反应或细胞培养。

本发明与现有微流控系统中的微泵相比，摆脱了微泵对机械部件或外置供能部件的依赖，简化了微流控系统的复杂度，降低了微流控系统的制作成本。而且，本发明所提供的微泵结构简单，加工简便，便于操作，易于实现集成化，适用于一次性微流控芯片系统。

附图说明

图1为本发明所提供的一种基于毛细作用的微泵结构示意图。

图2为本发明实施例1毛细微泵进样微管道中加入细胞培养液(含待培养细胞)后的示意图。

图3为图2所示微泵加入驱动液体，利用毛细作用力压缩泵腔中空气分割并驱动细胞培养液(含待培养细胞)进入储液微腔的示意图。

图4为本发明实施例2两个联用毛细微泵进样微管道中分别加入蛋白液和结晶试剂后的示意图。

图5为图4所示微泵加入驱动液体，利用毛细作用力压缩泵腔中空气分割并驱动蛋白液和结晶试剂进入储液微腔的示意图。

图中：1.毛细泵腔；2.分隔阀；3.进样微管道；4.储液微腔；5.进样口；6.进样微管道中含细胞的培养液；7.通气口；8.毛细泵腔入口；9.毛细泵腔中的驱动液体；10.毛细泵腔中的空气；11.进样微管道中的蛋白液；12.进样微管道中的结晶试剂；13.储液腔中蛋白液与结晶试剂的混合液。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例1

如图1所示，本发明提出的一种基于毛细作用的微泵主体包括一个作为泵腔的微管道网络1、一个分隔阀2、一个进样微管道3和一个储液微腔4。该微泵可应用于极少量细胞或细菌的培养观测，具体工作过程如下所述：

首先，在进样口5中滴入含待培养细胞或细菌的培养液6，利用毛细力作用培养液自动填充进样微管道3，培养液填充过程中，进样管道中原有空气则通过与进样微管道和储液微腔相通的通气口7排出，当培养液前进至进样微管道3与分隔阀2或储液微腔体4连接处时，由于毛细阀的作用，液体前界面停止于连接处(如图2所示)；然后，在毛细泵腔(即微管道网络)入口8滴加驱动液体9，同样在毛细力作用下，驱动液体自动填充微管道网络，并压缩微管道网络及分隔阀腔体中的空气10，随着空气体积的缩小，其压强逐渐增大，当泵腔中空气压强大于样品液体或试剂液体在进样微管道中产生的最大毛细压强时，该段空气将通过分隔阀与进样管道连接口推动培养液反向运动，并使培养液在连接管道与进样微管道的“T形”连接处被分割，即实现培养液的定量分配(连接管道与储液微腔之间的进样微管道几何大小限定待分配培养液的体积)。随着泵腔中气体压强的进一步增大，驱动压强将超过进样微管道与储液微腔连接处毛细微阀的阻力，使连接管道至储液微腔之间的定量培养液被全部推入储液微腔中，实现后续的培养观测(如图3所示)。

实施例2

本发明提出毛细微泵亦可通过双体联用实现定量的微混合或微反应。下面结合双体联用毛细微泵应用于蛋白质结晶来说明其特点和使用方法，具体流程如下：

首先，在联体毛细微泵的两个进样口中分别滴入蛋白液体11和结晶试剂12，进样与控制方式与实施例1类似，同样利用毛细力作用和毛细阀的作用，实现两种液体的自动填充和停止(如图4所示)；然后，在双体联用毛细泵腔(即微管道网络)的两个入口同时滴加驱动液体9，驱动方式与实施例1类似，利用毛细作用分别压缩两个泵腔中的空气产生驱动压强，分别分割和推动蛋白液和结晶试剂进入储液微腔中，即实现蛋白液和结晶试剂的定量分配和混合，形成混合液滴13(如图5所示)，最后在通气口7中滴加油滴完成封堵，防止混合液滴中水分快速挥发，使得混合液滴可以缓慢达到超饱和状态，形成优质单晶。

Claims (10)

1.一种基于毛细作用的微泵，其特征在于所述微泵是一种单向的气压驱动泵，它是由毛细泵腔、分隔阀、进样微管道和储液微腔构成，其中：

①毛细泵腔的一个微管道网络；所述的微管道网络由一组平行的或相互交织的微管道构成；

②分隔阀为一段连接毛细泵腔和进样微管道的微管道或微腔；

③进样微管道为一段处于进样口和储液微腔之间的微管道，进样微管道中某一部位通过侧向连接管道与分隔阀相连接，储液微腔位于进样微管道终端。

2.按权利要求1所述的微泵，其特征在于组成毛细泵腔的微管道为圆形或矩形。

3.按权利要求2所述的微泵，其特征在于，组成毛细泵腔的微管道圆形直径或矩形的高或宽中较小的一维尺寸小于分隔阀或进样微管道。

4.根据权利要求1所述的微泵，其特征在于所述的分隔阀的剖面横截面相对于两侧连通管道横截面至少在一个方向上发生扩张。

5.根据权利要求1所述的微泵，其特征在于分隔阀与进样口之间的进样微管道流阻须大于分隔阀与储液微腔之间的进样微管道流阻。

6.根据权利要求4所述的微腔，其特征在于所述储液微腔为一个培养腔或反应腔，其剖面横截面相对于进样微管道连接口横截面至少在一个方向上发生扩张，利用横截面突变导致的水/气界面曲率变化发挥毛细微阀限流功能。

7.由权利要求1-6中任一项所述微泵的使用方法，其特征在于包括以下两步：

1)在进样口处中加入样品液体或试剂液体，样品液体或试剂液体在毛细作用力的驱动下充满进样微管道，因毛细微阀限流作用，样品液体或试剂液体前进液面停止于进样微管道与分隔阀和储液微腔的连接处；

2)在毛细泵腔入口加入驱动液体，利用液体在微管道网络中的毛细作用力压缩泵腔内空气产生驱动压强，分割并推动进样微管道样品液体或试剂液体克服毛细阀阻力进入储液微腔。

8.按权利要求7所述的使用方法，其特征在于具体包括的以下各步：

①首先在与进样微管道相连的进样口中滴入样品液体或试剂液体，利用毛细作用使样品液体或试剂液体自动填充进样微管道；②当样品液体或试剂液体前进至进样微管道与分隔阀或储液微腔连接处时，样品液体或试剂液体的前界面向气相方向凸起，并且其曲率将增大，从而导致进样微管道中流体所受反向毛细压强增加，当此反向毛细压强与进样口驱动压强相等时，进样微管道中的流体将处于平衡停止状态，即实现微阀关闭限流功能；③然后，在向毛细泵腔中的微管道网络入口处滴入驱动液体，在毛细作用下，驱动液体自动填充微管道网络，压缩毛细泵腔入口至分隔阀与进样微管道连接处微管道及腔体中的空气，随着空气体积的缩小，其压强逐渐增大，当毛细泵腔中空气压强大于样品液体或试剂液体在进样微管道中产生的最大毛细压强时，空气将通过分隔阀与进样微管道连接口推动样品液体或试剂液体反向运动，在空气的推动下，反向运动的样品液体或试剂液体将在连接管道与进样微管道的“T形”连接处被分割，即实现样品液体或试剂液体的定量分配，连接管道与储液微腔之间的进样微管道几何大小限定待分配样品液体或试剂液体的体积；④随着泵腔中气体压强进一步增大，驱动液体压强将超过进样微管道与储液微腔连接处毛细微阀的阻力，将定量分配的样品液体或试剂液体全部推入储液微腔中，以实现后续的混合、反应或细胞培养。

9.按权利要求8所述的使用方法，其特征在于①所加入的驱动液体与构成毛细泵腔的微管道网络的微管道管壁的接触角小于或等于样品液体或试剂液体与进样微管道管壁的接触角；②样品液体或试剂液体与进样微管道至少一个面管壁接触角小于90°

10.按权利要求8所述的使用方法，其特征在于通过双体联用实现定量的微混合、反应或细胞培养。

Images