一種模塊化組裝式微泵、使用方法及應用的製作方法
2023-05-29 21:46:16 2
專利名稱：一種模塊化組裝式微泵、使用方法及應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種模塊化組裝式微泵、使用方法及應用，可應用於微流控系統和晶片實驗室。
背景技術：
近年來，微流控系統作為一種新的技術平臺，在生物和化學領域受到廣泛關注， 這類系統通常稱為微型全分析系統(Micro Total Analysis Systems)或晶片實驗室 (Labs-on-a-Chip)，往往需要執行進樣、混合、分離、檢測等過程，這些過程大多離不開微流體的控制，在微流控系統中微流體的控制主要由微泵和微閥等基本單元來實現的。微泵作為微流體控制系統的核心部件，是實現微量液體供給和精確控制的動力元件，微泵的種類很多，大致可分為機械式微泵和非機械式微泵。機械式微泵往往依靠運動部件來傳輸、 控制流體，而非機械式微泵則是依靠各種物理作用或物理效應將某種非機械能轉變為微流體的動能實現微流體的驅動。按驅動原理，機械式微泵主要有壓電式、熱氣動式、靜電式、電磁式、形狀記憶合金式等，這類微泵通常製造工藝較複雜、成本高、消耗功率大、長期工作的可靠性較差，且難以集成。非機械式微泵主要有電滲式、電浸潤式、聲波式、磁流體式、蒸髮式、毛細式等，這類微泵在可靠性方面具有一定優勢，不會出現機械式微泵長期工作情況下的膜形變疲勞等問題，但這類微泵除了毛細式微泵以外大多需要複雜的驅動電路或設備，這類外加部件往往增加了系統的複雜性，降低了系統的可便攜性，從而限制了微流體系統的應用範圍，而毛細式微泵雖然簡單、無需外接能源設備、易集成，但是這種微泵因為利用毛細作用(實際可歸結為表面張力作用)實現微流體的自發驅動，對微流體管道表面性質很敏感，且可控性較差。近年來，Hosokawa等人提出了一種可應用於PDMS微流體晶片的自動化微流體驅動方式[Hosokawa K, Sato K, Ichikawa N, Maeda M. Power-free poly(dimethylsiloxane)microfluidic devices for gold nanoparticle-based DNA analysis. Lab Chip, 2004，4 (3) 181-185.]，他們將PDMS微流體晶片預先進行脫氣處理， 利用脫氣後PDMS材料對氣體的高溶解特性，使經脫氣處理後的PDMS微流體晶片微管道壁和微腔體壁不斷吸收管道或腔體中的空氣，從而在封閉的微流體晶片管道或腔體中形成負壓，驅動微流體晶片中的液體流動。雖然這種革新性的驅動方式簡便、無需外接能源和接口，但是他們提出的這種驅動方式為集成式微泵，僅適用於PDMS材質的微流體晶片，且因為管道汙染問題，晶片往往無法重複使用；另外，對某一微流體晶片來說，由於其幾何設計是確定的，微泵的驅動能力和壓強範圍也基本固定，無法根據不同液體樣品和驅動體積靈活調節驅動壓強。為了適應快速、可攜式生化篩選和檢測對系統的微型化、複雜樣品條件和低成本提出的高要求，迫切需要發展一種結構簡單、易於操作、低成本、低能耗、高靈活性的微泵來適應微型生化分析系統的發展形勢。
發明內容
本發明的目的是提供一種模塊化組裝式微泵、使用方法及應用，所述的微泵具有
4結構簡單、低成本、無能耗、易於組裝操作的優點，且可通過組合和更換靈活調控驅動壓強， 可應用於微流控系統中微流體的驅動控制。本發明提供的一種模塊化組裝式微泵，其特徵在於所述微泵為一種單向、一次性、氣壓驅動泵，該微泵泵體由集成微管道網絡或微孔結構的脫氣PDMS塊體構成。該微泵不同於一般可攜式微流控系統中所採用的集成式微泵，獨立於待驅動的微流體晶片，可通過簡單貼附於待驅動微流體晶片出口處完成組裝，實現微流體晶片中的進樣和液體泵運。 所述微泵的工作原理是利用脫氣PDMS塊體對氣體的高溶解特性，吸收所貼附微流體晶片微管道中的空氣，使封閉的微管道中氣壓降低，形成負壓，從而產生可實現微流體晶片中的進樣和液體泵運的驅動力。為了使所述微泵產生吸收空氣的能力，PDMS塊體必須預先經過脫氣處理，即利用真空器皿或真空包裝機完成PDMS塊體的脫氣，然後密封於真空包裝袋中待用；使用後的微泵泵體經重新脫氣處理後，可重複循環使用。根據不同應用需求和場合，所述微泵可以為集成一個微管道網絡或微孔結構的PDMS塊體，也可以為集成多個微管道網絡或微孔結構的PDMS塊體，其中泵體上集成的微管道網絡或微孔結構位於泵體與微流體晶片貼附的一面，且該貼附面除微管道網絡或微孔結構外其餘整體為平整光滑平面， 以保證貼附的氣密性；集成多個微管道網絡或微孔結構的泵體應設計使微管道網絡或微孔結構位置與待驅動微流體晶片各出口一一對應。另外，為了適應緊湊型微流體晶片的有限空間，同時又保證足夠大的驅動壓強，所述微泵泵體也可以由多個脫氣PDMS塊體疊加組合而成，組合式微泵泵體應使各相鄰PDMS塊體的集成微管道網絡或微孔結構之間有連通的管道或通孔結構。本發明提供的模塊化組裝式微泵可用於驅動不同類型微流體晶片，包括 PDMS、PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、SU-8、COC (環烯烴共聚合物)、石英玻璃、硼矽酸鹽玻璃或鈉鈣玻璃等不同材質製作的微流體晶片，同時也可以是上述材質組合製作的雜交型微流體晶片；為了保證微泵泵體與待驅動微流體晶片貼附的氣密性，上述待驅動微流體晶片擬貼附微泵的出口周圍應為平整光滑平面。本發明提供的一種模塊化組裝式微泵的使用方法，包括1)將集成微管道網絡或微孔結構的PDMS塊體置於包裝袋中，並通過真空器皿或真空包裝機抽真空完成脫氣處理並封裝保存，真空袋中真空度應小於20kpa。2)撕開真空包裝袋，取出PDMS微泵塊體，將其貼附面的集成微管道網絡或微孔結構對準並貼附於微流體晶片待施負壓出口處；同時，以膠帶或石蠟密封微流體晶片其他所有出口。幻在微流體晶片進樣口加入液樣，使液樣封閉整個進樣口，進樣口液體在負壓驅動下進入微流體晶片管道或腔體。具體而言，首先將集成微管道網絡或微孔結構的PDMS塊體置於包裝袋中，通過真空器皿或真空包裝機進行抽真空脫氣處理並封裝保存。由於PDMS為多孔材料，常壓下，塊體中溶解有大量空氣，經真空脫氣處理後，其中溶解的空氣被抽出，空氣含量降到極低的程度。若將此脫氣處理後的PDMS塊體放回常壓環境中，由於塊體內氣壓大大低於塊體外氣壓，塊體周圍的空氣會在此壓強差的作用下，擴散進入PDMS塊體中。對於經脫氣處理的 PDMS微泵來說，若將其緊密貼附於微流體晶片出口，並在微流體晶片進樣口滴加液樣封閉其進樣口，則封閉於微流體晶片管道中的空氣會因擴散吸收進入PDMS微泵塊體中，造成微流體晶片管道中的氣壓降低，形成負壓，此負壓可用於驅動進樣口液體進入微流體晶片管道，並泵運管道中的液體實現混合和反應。為了達到較好的脫氣效果以形成較大的驅動壓強，用於實現脫氣處理和封裝保存的真空袋中真空度應小於20kpa。同時，由於擴散進入PDMS塊體的空氣量除了受塊體內外壓強差影響以外，還與擴散面積相關，因此，為了產生足夠的驅動壓強，用於實行微流體驅動的PDMS微泵塊體需要集成微管道網絡或微孔結構，以增加PDMS微泵擴散吸收空氣的面積，從而增強其形成負壓的能力。此外，根據PDMS微泵泵運能力與擴散面積的相關性，可以設計使用集成不同大小微管道網絡或微孔結構的PDMS微泵，以適應不同微流體驅動的壓強需求。而且，對於需要多步微流體操控以完成分析和檢測的微流體晶片來說，還可以根據不同操控步驟對驅動壓強的需求差異，靈活更換不同大小的PDMS微泵來有效實現進樣、 定容、混合等不同操作。對於需要進行高通量、並行處理的微流體晶片來說，可以設計使用同時集成多個微管道網絡或微孔結構的PDMS微泵，使微泵的每個微管道網絡或微孔結構與待驅動的微流體晶片各個出口一一對應，同時實現多個微流體管道或單元的獨立並行操控。對於貼附面積有限的微流體晶片來說，為了實現較強的驅動效果，可以將多個小面積的 PDMS微泵疊加組合，組裝形成泵運能力更強的驅動微泵。本發明與現有微流控系統中的微泵相比，擺脫了微泵對機械部件或外置供能部件的依賴，無需繁雜的各類接口，簡化了微流控系統的複雜度，降低了微流控系統的製作成本。同時，本發明所提供的微泵結構簡單，操控靈活，適用範圍廣，而且，可以重複循環使用， 大大降低了微流控系統的使用成本。與背景技術提及的在原理上雖相同，但結構上是有本質不同的。由於Hosokawa等人提供的「脫氣PDMS微泵」是集成式的，對某一特定微流體晶片來說，其泵壓能力受微管道或出口等結構幾何尺度限制，基本固定，靈活性較差，而且只能應用於PDMS材質的微流體晶片。本發明提出的PDMS微泵是「分體式」的(即模塊化)， 使用時，只需將一塊脫氣處理後的PDMS塊體(含微細網格或多孔結構，以增強塊體「吸收」 微管道中空氣的速度和能力，且不同面積的微細結構具有不同的泵壓能力)直接貼合在待驅動的微流體晶片出口處即可，組裝非常簡單。由於本發明微泵為「分體式」的，獨立於微流體晶片本體，因此不僅可應用於PDMS材質的微流體晶片，也可應用於其他任何材質的微流體晶片。而且根據不同驅動需求可靈活更換集成不同面積微細結構的PDMS塊體，實現不同驅動效果。總之，本發明與Hosokawa等人提出的「脫氣PDMS微泵」在原理上基本相同， 在結構上、設計商、應用方面則由本質區別，且「模塊化」是指該泵為「分體式」，該限定是針對微流控晶片中「集成式」微泵提出的；而「組裝式」有兩個方面的含義，一方面是指該泵通過與微流體晶片貼合組裝來發揮作用，另一方面是指該泵可以通過多個微泵組合來發揮作用。
圖1為本發明所提供的一種模塊化組裝式微泵結構示意圖。a.集成單個微管道網絡或微孔結構；b.集成多個微管道網絡或微孔結構；c.組合式。圖2為本發明所提供的一種模塊化組裝式微泵封裝儲存於真空包裝袋中的照片。圖3為本發明實施例1將模塊化組裝式微泵應用於微混合反應晶片流體驅動的示意圖。a.透視效果示意圖；b.俯視效果示意圖。圖4為本發明實施例2將模塊化組裝式微泵應用於蛋白質結晶條件篩選晶片進樣和定容操作的示意圖。a.透視效果示意圖；b.俯視效果示意圖；c.進樣示意圖；d.定容示意圖。
圖5為本發明實施例2將模塊化組裝式微泵應用於蛋白質結晶條件篩選晶片混合操作的示意圖。a.透視效果示意圖；b.俯視效果示意圖；c.混合示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例進一步說明本發明的實質性特點和顯著的進步。如圖Ia所示，本發明提出的一種模塊化組裝式微泵由集成微管道網絡或微孔結構1的PDMS塊體2構成。根據不同應用場合，模塊化組裝式微泵可以為集成多個微管道網絡或微孔結構的PDMS塊體(如圖Ib所示)，也可以為多個集成微管道網絡或微孔結構的 PDMS塊體的疊加組合(如圖Ic所示)，組合式微泵應使各相鄰塊體的集成微管道網絡或微孔結構通過通孔3相連通，且各微泵的貼附面應具有很好的平整度，以保證組合後微泵各貼合處的氣密性。如圖2所示，本發明提出的一種模塊化組裝式微泵在使用前應預先置於真空包裝袋4中進行脫氣處理，並密封保存，成為可隨時開封應用的模塊化組裝式微泵5。實施例1將本發明提出的一種模塊化組裝式微泵應用於微混合反應，具體實施方式
如下所述如圖3所示(圖3a和北分別為透視效果示意圖和俯視效果示意圖)，首先，將脫氣處理後的模塊化組裝式微泵2從真空包裝袋中取出，直接貼附於微混合反應晶片6上，貼附時，應保證微泵集成的微管道網絡或微孔結構1覆蓋微混合反應晶片出口 7。然後，在微混合反應晶片第一進樣口 8和第二進樣口 9分別滴加樣品和反應試劑，應使所滴加的液體完全封閉進樣口。最後，滴加在第一進樣口 8和第二進樣口 9的樣品和反應試劑在微泵產生的負壓作用下一起吸入微流體晶片管道，並在混合管道中10中兩者發生混合，形成反應產物。實施例2將本發明提出的一種模塊化組裝式微泵應用於蛋白質結晶條件篩選，具體實施方式
如下所述如圖4所示(圖如和4b分別為透視效果示意圖和俯視效果示意圖，圖如和4d 為圖4b虛線方框區域19局部放大圖，分別對應進樣和定容操作)，首先，將脫氣處理後的集成多個微管道網絡或微孔結構的模塊化組裝式微泵11從真空包裝袋中取出，直接貼附於蛋白質結晶條件篩選晶片12上，貼附時，應保證微泵集成的各個微管道網絡或微孔結構分別對準覆蓋蛋白質結晶條件篩選晶片主管道出口 13和混合管道出口 14。同時，以膠帶15 密封晶片通氣口 16。然後，在晶片進樣口 17和18分別滴加蛋白質樣品和結晶試劑，應保證所滴加的液體完全封閉進樣口。由於模塊化組裝式微泵在晶片管道中形成負壓，因此滴加在第三進樣口 17和第四進樣口 18的蛋白質樣品和結晶試劑在此負壓作用下自動充滿微流體晶片主管道20和各分支管道21，完成晶片的進樣步驟(如圖如所示，)。由於晶片的各分支管道21在與結晶反應腔22連接的出口處設計了幾何收縮形狀，從而形成毛細微閥結構23，當驅動壓強較小時，液樣將停止在毛細微閥處，暫時無法進入結晶反應腔22和混合管道M中。但是由於微泵11與主管道兩個出口 13對應的集成微管道網絡或微孔結構具有較大的幾何擴散面積，因而可持續驅動主管道中液體向出口處流動，直至進樣口液滴全部進入微流體晶片並最終流至出口，使主管道中液體被空氣所替代，從而在各分支管道形成獨立的液柱，完成晶片的定容步驟(如圖4d所示)。如圖5所示(圖如和恥分別為透視效果示意圖和俯視效果示意圖，圖5c為圖恥虛線方框區域19局部放大圖，對應混合操作)，定容操作完成以後，再將微泵11從晶片上剝離下來，換上可形成更大驅動壓強的組合式微泵25貼附於晶片混合通道出口處，同時利用膠帶密封兩個主管道出口。由於組合式微泵25可產生足夠大的壓強使各分支管道中的液體克服毛細微閥的阻力進入結晶反應腔， 因此可完成各對分支管道中已定容蛋白質樣品和結晶試劑的定量混合，從而實現蛋白質結晶條件的篩選。
權利要求
1.一種模塊化組裝式微泵，其特徵在於所述的微泵為一種單向、一次性、氣壓驅動泵， 該微泵泵體由集成微管道網絡或微孔結構的脫氣PDMS塊體構成，獨立於待驅動的微流體晶片，可通過簡單貼附於待驅動微流體晶片出口處完成組裝，實現微流體晶片中的進樣和液體泵運。
2.根據權利要求1所述的微泵，其特徵在於所述微泵泵體集成一個微管道網絡或微孔結構或集成多個微管道網絡或微孔結構，其中微管道網絡或微孔結構位於泵體與微流體晶片貼附的一面，且該貼附面除微管道網絡或微孔結構外其餘整體為平整光滑平面；集成多個微管道網絡或微孔結構的泵體應使微管道網絡或微孔結構位置與待驅動微流體晶片各出口——對應。
3.根據權利要求1所述的微泵，其特徵在於所述微泵是由單個脫氣PDMS塊體構成或由多個脫氣PDMS塊體疊加組合而成；由多個脫氣PDMS塊體疊加組合而成的泵體應使各相鄰 PDMS塊體的微管道網絡或微孔結構之間有連通的管道或通孔結構。
4.根據權利要求1所述的微泵，其特徵在於所述脫氣PDMS塊體的處理是利用真空器皿或真空包裝機完成，並密封於真空包裝袋中；使用後的微泵泵體經重新脫氣處理後，可重複循環使用。
5.使用如權利要求1-4中任一項所述微泵的方法，其特徵在於步驟包括1)將集成微管道網絡或微孔結構的PDMS塊體置於包裝袋中，並通過真空器皿或真空包裝機抽真空完成脫氣處理並封裝保存在真空袋中，真空袋中真空度應小於20kpa ；2)撕開真空包裝袋，取出經脫氣處理的PDMS微泵塊體，將其貼附面的集成微管道網絡或微孔結構對準並貼附於微流體晶片待施負壓出口處；同時，以膠帶或石蠟密封微流體晶片其他所有出口；3)在微流體晶片進樣口加入液樣，使液樣封閉整個進樣口，進樣口液體在負壓驅動下進入微流體晶片管道或腔體。
6.根據權利要求5所述的微泵的使用方法，其特徵在於步驟2)中所述微流體晶片為 PDMS, PMMA、SU-8、C0C、石英玻璃、硼矽酸鹽玻璃或鈉鈣玻璃材質製作的微流體晶片或是上述材質組合製作的雜交型微流體晶片；所述待驅動微流體晶片擬貼附微泵的出口周圍應為平整光滑平面。
7.根據權利要求1-4中任一項所述的微泵的應用，其特徵在於所述的微泵用於微混合反應或蛋白質結晶條件篩選。
8.根據權利要求7所述的應用，其特徵在於微混合反應的應用步驟是首先將脫氣處理後的PDMS塊體(2)從真空包裝袋中取出，直接貼附於微混合反應晶片(6)上，貼附時，應保證微泵集成的為管道網絡或微孔結構(1)覆蓋微混合反應晶片出口(7)；然後，在微混合反應晶片第一進樣口(8)和第二進樣口(9)分別滴加樣品和反應試劑，應使所滴加的液體完全封閉進樣口 ；最後，滴加在第一進樣口(8)和第二進樣口(9)的樣品和反應試劑在微泵產生的負壓作用下一起吸入微流體晶片管道，並在混合管道中(10)中兩者發生混合，形成反應產物。
9.按權利要求7所述的應用，其特徵在於應用於蛋白質結晶條件篩選，具體步驟是a)首先，將脫氣處理後的集成多個微管道網絡或微孔結構的模塊化組裝式微泵(11)從真空包裝袋中取出，直接貼附於蛋白質結晶條件篩選晶片(12)上，貼附時，應保證微泵集成的各個微管道網絡或微孔結構分別對準覆蓋蛋白質結晶條件篩選晶片主管道出口 (13)和混合管道出口(14)，同時，以膠帶(15)密封晶片通氣口(16)；b)然後，在晶片第三進樣口(17)和第四進樣口(18)分別滴加蛋白質樣品和結晶試劑， 保證所滴加的液體完全封閉進樣口，由於模塊化組裝式微泵在晶片管道中形成負壓，因此滴加在進樣口(17)和(18)的蛋白質樣品和結晶試劑在負壓的作用下自動充滿微流體晶片主管道00)和各分支管道(21)，完成晶片的進樣步驟；c)晶片的各分支管道在與結晶反應腔02)連接的出口處設計了幾何收縮形狀， 從而形成毛細微閥結構，當驅動壓強較小時，液樣將停止在毛細微閥處，暫時無法進入結晶反應腔02)和混合管道04)中；由於微泵(11)與主管道兩個出口(13)對應的集成微管道網絡或微孔結構具有較大的幾何擴散面積，因而可持續驅動主管道中液體向出口處流動，直至進樣口液滴全部進入微流體晶片並最終流至出口，使主管道中液體被空氣所替代，從而在各分支管道形成獨立的液柱，完成晶片的定容步驟；d)定容操作完成以後，再將微泵(11)從晶片上剝離下來，換上可形成更大驅動壓強的組合式微泵05)貼附於晶片混合通道出口處，同時利用膠帶密封兩個主管道出口，由於組合式微泵05)產生足夠大的壓強使各分支管道中的液體克服毛細微閥的阻力進入結晶反應腔，可完成各對分支管道中已定容蛋白質樣品和結晶試劑的定量混合，從而實現蛋白質結晶條件的篩選。
全文摘要
本發明涉及一種模塊化組裝式微泵、使用方法及應用，所述的微泵為一種單向、一次性、氣壓驅動泵，它是由集成微管道網絡或微孔結構的脫氣PDMS(聚二甲基矽氧烷)塊體組成。該微泵利用脫氣後PDMS材料對氣體的高溶解特性，將脫氣的PDMS泵體貼附於微流體晶片出口，同時在微流體晶片進樣口滴加液樣，使微流體晶片管道形成封閉空間，由於脫氣的PDMS塊體吸收此封閉空間中的空氣，導致微管道中，形成負壓，從而驅動進樣口液樣進入微流體晶片管道。該微泵無需外接能源和特殊接口，無機械運動部件，同時可根據微流體驅動的壓強需求靈活組裝和更換，適用於可攜式微生化反應器和晶片實驗室。
文檔編號F04B19/00GK102418684SQ20111023866
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月19日 優先權日2011年8月19日
發明者李剛, 羅婭慧, 趙建龍, 陳強 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所