控制液體在微管路中連續流動的流路結構的製作方法
2023-06-03 13:41:56
專利名稱：控制液體在微管路中連續流動的流路結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種流路結構，特別是關於一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構。
背景技術：
目前，全世界都在積極研發被稱之為「微型全分析系統」或者「晶片實驗室」的縮微集成化的分析設備。這些設備主要用於對微量的液體樣品進行各種自動化的操作，包括將多種分離的樣品分別引入系統，然後讓它們接觸並產生預期的相互作用，直到最後對結果進行檢測分析並轉換為人們可以理解的各種信號。
在微型化的系統裡，讓分別流動的液體樣品相互融合是讓它們產生相互作用的必要條件，融合的一般形式為將它們從各自的管道裡驅動到一個匯合區域，以形成一個共同的下遊流動。在實際情況中，由於它們的流阻或者驅動力不能做到完全匹配，往往是其中的一股液體比另一股稍早一點到達管道匯合處，這樣就導致被夾在這兩股液體中間的空氣被攜帶進下遊的流動中，造成下遊流動的不連續性。這對許多下遊功能的實現會產生不利的影響，因為通常希望被進一步處理的液體混合物是一連續的液相介質而不摻雜有空氣相在裡面。
為了解決這個問題，人們設計了一種疏水性通氣孔的結構。通氣孔設在緊鄰匯合區域的上遊位置，可以開在其中任何一條液體管道上，也可以在兩條液體管道上各開一個，直接和大氣相連。通氣孔的內表面作了疏水性處理，這樣在液體流向匯合區域的過程中，管道內的氣體可以從通氣孔自由排出。這種原理真正實現起來，還需要能夠及時將通氣孔關閉，否則，在許多利用氣體壓力作為液體驅動力的情況下，一旦液體完全流過通氣孔，通氣孔便成為了漏氣孔，液體就無法被繼續驅動了。因此，一般來說，疏水性通氣孔的結構還必須結合一個反饋控制系統才能使用。
另一條途徑則是利用所謂的被動閥效應，從一開始就避免在管道內形成氣泡。被動閥效應一般是通過將微細管道與匯合區域連接處的末端尺寸縮小，使得流至該處的液體必須克服一個反向的表面張力，才能進入匯合區域之內而獲得。如果能夠利用這種效應將第一種液體暫時性地停留在管道匯合區域之外，然後讓第二種液體流進匯合區域，那麼兩者的液頭就能夠完美的融合。但是，這種被動閥效應是有一定閾值的，液體的驅動壓力不能超過該閾值。為了做到這一點，第一種液體的驅動力必須及時的撤除或者被重新分配，這個動作通常可以通過一個對液體流動的反饋控制來實現；另外，當管道匯合區域完全潤溼後，該結構的被動閥效應基本消失，而要使兩股液體的液尾也能夠很好地實現融合，就必須至少為每一路液體配備一個傳感器用於實時地檢測它們的位置，並反饋到控制系統以採取相應的動作。因此，一個類似於疏水性通氣孔設計方案的反饋控制仍然是必需的，但是利用被動閥原理的優勢是省卻了真正的閥的使用，以及對表面的改性處理。
發明內容
本發明的目的是提供一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，採用本發明結構不需要對管道表面做任何改性處理，也無需內置閥或外置閥，更無需對微細管道的尺寸做任何改動。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於它包括兩微管道，所述兩微管道匯合於一處，形成一下遊微管道，且其中一所述微管道連接一旁通微管道，所述旁通管道另一端與所述下遊微管道匯合於一處，形成一共同下遊微管道，所述旁通微管道的長度大於其進口至所述兩微管道匯合處的距離。
所述一微管道作為主微管道，其與所述下遊微管道和共同下遊微管道連通為一條直管道，另一微管道作為輔微管道，所述旁通微管道的進口設置在靠近所述主、輔微管道匯合處的所述輔微管道上。
所述兩微管道對稱平行設置，所述旁通微管道和下遊微管道分別與所述兩微管道中的一條連通為一條直管道，所述兩微管道的第一匯合處為一連通二者的支微管道，該支微管道的長度小於所述旁通微管道和下遊微管道的長度，另一連接所述旁通微管道和下遊微管道的出口的支微管道的中點連接所述共同下遊微管道。
所述兩微管道對稱傾斜設置，所述旁通微管道和下遊微管道分別與所述兩微管道中的一條連通為一條直管道，所述兩微管道的第一匯合處為一連通二者的支微管道，該支微管道的長度小於所述旁通微管道和下遊微管道的長度，所述旁通管道微和下遊微管道匯合一處形成所述共同下遊微管道。
在所述主、輔微管道的匯合處，靠近所述輔微管道的出口一側設置一傳感器。
在所述主、輔微管道的匯合處的兩側分別設置一傳感器。
所述匯合處輔微管道一側的傳感器設置在所述旁通微管道進口上遊的輔微管道上。
所述匯合處輔微管道一側的傳感器設置在所述旁通微管道上，所述傳感器的位置到所述旁通微管道進口的距離大於所述旁通微管道進口到主、輔微管道匯合處的距離。
與所述輔微管道一側傳感器相對的另一傳感器設置在所述主微管道上。
與所述輔微管道一側傳感器相對的另一傳感器設置在所述下遊微管道上，且所述傳感器到主、輔微管道匯合處的距離大於所述旁通微管道進口到主、輔微管道匯合處的距離。
在所述兩微管道第一匯合處的上遊分別設置一傳感器。
本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明利用的是至少一個管道壁面在管道相交處突然斷開或折向引起的被動閥效應，通過設置旁通微管道，並結合對液體在微管道中的位置進行檢測的流動反饋控制方式，使原本十分微弱的被動閥效應變得足以有效，從而實現融合分別流動的液體樣品而不產生氣泡的發明目的。2、本發明提供了多種對稱和非對稱形式的雙匯合流路，特別是對稱形式的雙匯合流路，可以實現任何一股液體可以以任何時間上的順序到達和離開匯合區域，因此給實際操作帶來了最大的靈活性。3、本發明同時提供了多種設置一個和兩個傳感器的設置方式，特別的考慮了實際操作中的冗餘度，而設置的兩個傳感器的設置方式，使得被動閥的效應更加可靠，降低了傳感器安裝位置的準確性和靈敏度要求，使本發明的實現變得更加容易。4、本發明所利用的被動閥效應和實現方式，無需對微細管道的尺寸做出任何改動和表面處理，只需加工出尺寸各處一樣的微管道網絡，因此最大限度地降低了微加工的複雜性和難度。本發明可以廣泛用於各種微管道的控制流動中。
圖1～7是本發明結構和實施過程示意8～14是本發明另一實施例的結構和實施過程示意15～16是兩種對稱形式的雙匯合流路示意圖具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
實施例一如圖1所示，本發明的流路結構包括一主微管道1和一輔微管道2，主微管道1與輔微管道2在a點匯合，形成一下遊微管道3。在輔微管道2上接近匯合處a，分岔形成一旁通微管道4，旁通微管道4的長度大於輔微管道2分岔處到匯合處a的距離。旁通微管道4的另一端與下遊微管道3在b點匯合，形成一共同下遊微管道5。在主、輔微管道1、2的進口端分別設置有提供驅動力的驅動裝置，驅動裝置可以是專門為本發明設置的，也可以是系統中其它驅動裝置產生的驅動力。在匯合處a靠近輔微管道2出口一端可以設置一反饋電路的傳感器6，用於監控液體的流入和流出，並實現液體流動的自動控制。
上述流路結構的製作可以採用通常製作晶片的方法，先在基片上製作出形成各微管道的凹槽，然後通過基片-玻璃或塑料蓋片的鍵合形成完整的各微管道。液體通過上述流路結構的過程可以通過肉眼觀察和手動切換的方式控制。傳感器6的設置是為了自動控制液體的合併過程，傳感器6可以採用各種現有技術的產品，比如採用紅外傳感器，將一發射器和一接收器，分別設置在晶片的基片和玻璃或塑料蓋片的微管道上下。當有液體通過時可以接收並傳輸信號，與傳感器6連接的反饋控制系統與現有技術相同，不再贅述。
本實施例工作時，驅動第一股液體進入輔微管道2，併到達與主微管道1的匯合處a，由於液體表面張力產生的被動閥效應，會使第一股液體在此發生短暫停留，而沿旁通微管道4繼續前進。液體到達匯合處a的時刻，傳感器6會產生一個反饋信號使得控制系統關閉第一股液體的驅動力，這樣液體最終也會在旁通微管道4中停住。在此過程中，匯合處a僅僅承受液體在輔微管道2分岔處至匯合處a之間液體的微小壓力，而不承受在輔微管道2中整個液體上遊遠端的驅動壓力。液體具體在旁通微管道4的什麼位置最終停住，並不重要，只要該位置在匯合處b之前即可，這樣當第一股液體完全停住時，這兩個匯合處都將不承受任何壓力。顯然，旁通微管道4的長度必須至少大於輔微管道2分岔處至匯合處a的距離，並根據反饋系統的實際工作性能適當延長，才能確保進入旁通管道4的第一股液體在到達匯合處b之前完全停住。
如圖2所示，第二股液體流經匯合處a，並與第一股液體完成第一次融合，這一時刻也可以通過匯合處a的傳感器6檢測到。在完成第一次融合後，可以選擇驅動其中任意一股液體或同時驅動兩股液體，液體都會在下遊管道3和旁通管道4中任一管道中流動，因為被動閥效應在匯合處a被完全浸潤後已經消失。下遊微管道3和旁通微管道4中任何一股液體先到達匯合處b時，都會自動暫停(如圖3所示)，待另一管道液體浸潤匯合處b後，自動完成在匯合處b的第二次的合併(如圖4所示)。在匯合處於b的自動融合是因為在相同背壓的情況下，被動閥的作用會使先到的液體暫停，而自動在阻力較小的管道中繼續前進。當第二次合併過程完成後，匯合處b的被動閥效應也消失了，液體可自由通過共同下遊微管道5。所以，這種微流路結構前後兩次利用了管道相交導致的至少一個管道壁面突然中斷或折向而產生的被動閥效應。
上述在完成第一次融合後，至少可以選擇三種不同的方式驅動兩股液體(1)如果希望得到一個並流(就像在基於擴散的分析設備裡看到的那樣)，這兩股液體應該被同時驅動。
(2)如果希望得到一個混合均勻的下遊，那麼其中一個方法是以分時或時間脈動的方式驅動兩液體，也就是說，兩股液體被交替以短促的時間脈衝形式驅動，或者被連續驅動但相位相反。
(3)如果希望得到一個前後流，即一股液體正好全部緊跟在另一股的後面，先將其中一股液體驅動至下遊管道3，直到其液尾到達匯合處a，然後再驅動另一股液體。
對於並肩流和混合流，理想情況當然是希望兩股液體同時在匯合區域收尾，這樣就不會在下遊融合的流動中產生氣泡或氣體分段。但實際很難做到，這需要兩股流動在液體量、流阻以及各自的驅動力完全匹配的情況下才有可能實現，實際情況往往是其中一股的液尾先於另一股的液尾到達匯合區域。對於前後流，一定是其中一股液體的全部先於另一股的全部在匯合區域收尾，這樣才能形成前後流。
如圖5所示，假設第二股液體的液尾首先到達匯合處a，傳感器6檢測到該時刻，並產生一個相應的信號讓控制系統關斷第二股液體的驅動力。但根據前面提及的反饋控制系統的實際特性，此時第二股液體的液尾會越過a點，在下遊微管道3中的某處停住。同時，第二股液體液尾的空氣也會部分進入輔微管道2，只要在第二股液體的驅動力被關斷的同時立刻啟動第一股液體的驅動力(這種情況對應的是兩股液體被交替切換地驅動以達到形成一個下遊的混合流動的目的)，或者第一股液體的驅動力在第二股液體的液尾到達匯合處a時已經處於啟動的狀態(這種情況對應的是兩股液體被同時驅動以達到形成一個下遊的並肩流動的目的)，那麼，第二股液體液尾的空氣就不會深入到旁通微管道4的進口，這樣就能保證還未流完的第一股液體通過旁通微管道4與已經進入到下遊微管道3中的液體保持連續，而不被氣泡分段。
如圖6所示，此時匯合處a雖然已被潤溼，但它產生的被動閥效應仍然超過了旁通微管道4兩端因流動產生的壓力差，因此在輔微管道2分岔處至匯合處a這段管道內殘留的一小段液體不會被推出，下遊微管道3中的部分氣體也就不會被推入共同下遊微管道5中去，剩餘的第一股液體將沿著旁通微管道4全部進入共同下遊微管道5。這樣就保證了下遊融合液體的連續性，而不會摻雜氣泡或氣體段。
如圖7所示，當這兩股液體全部都離開了雙匯合流路結構時，會有另一段液體殘留在兩個匯合處a、b之間的下遊微管道3內，這是第二股液體的液尾在越過匯合處a而又未到達匯合處b的步驟中(如圖5所示)形成的液體段，該液體段在其後的步驟中(如圖6所示)，未能被推出下遊微管道3。通過微管路長度的優化設計，可以使殘留液體的體積小到可以忽略不計。
在上述非對稱的流路中可以看出最好是第二股液體的液尾首先到達匯合處a，這是因為如果是第一股液體的液尾首先到達匯合處a，那麼其後的空氣會很容易進入到下遊微管道3中形成一段氣泡，將剩餘在主微管道1中的第二股液體與下遊的融合液體分開成兩段，在這種情況下，為了保證這段氣泡不被推入到共同下遊微管道5中去，就只能放棄對剩餘在主微管道1中的第二股液體的驅動，而只能啟動輔微管道2的流動完成隨後的過程，因此，會有較大的液體浪費。對這種情況的改進可以通過將單傳感器設置改為雙傳感器設置的方式而達到。
實施例二如圖8～14所示，對於非對稱的雙匯合流路可以通過設置兩個傳感器的方式達到無需區分液體順序的目的。比如在靠近匯合處a的主微管道1的上遊設置一傳感器7，在靠近輔管道2分岔處的上遊設置另一傳感器8。如圖8所示，假設第一股液體沿輔微管道2流向雙匯合結構，那麼當傳感器8檢測到其液頭時，可以通過適當的延時繼續驅動液體流過分岔處，直到其先後在匯合處a和旁通微管道4中的某處停住(如圖9所示)。然後驅動主微管道1中的第二股液體，當傳感器7檢測到其液頭時，也通過適當的延時繼續驅動液體流過匯合處a，完成第一次融合(如圖10所示)。在匯合處b的第二次融合和前面描述的單傳感器設置的情形一樣，將自動完成，無需反饋控制(如圖11所示)。假設相反，第一股液體沿主微管道1流向雙匯合結構，那麼當傳感器7檢測到其液頭時，可以通過適當的延時繼續驅動液體流過匯合處a，直到其先後在輔微管道2的分岔處和下遊微管道3中的某處停住(輔微管道2的分岔處由於有一側的管壁發生突然的折向也會產生一定的被動閥效應)。然後驅動輔微管道2中的第二股液體，當傳感器8檢測到其液頭時，也通過適當的延時繼續驅動液體流過輔微管道2的分岔處進入旁通微管道4完成第一次融合。在匯合處b的第二次融合也將自動完成。由此可見，匯合處a和輔微管道2分岔處的作用正好互換了。
液體收尾時，假設第一股液體的液尾在輔微管道2中觸發了傳感器8，那麼其驅動將被關斷，通過優化傳感器8與分岔處之間的距離，可以保證液尾停止在分岔處的上遊一側(如圖12所示)。然後驅動主微管道1內的第二股液體，當其液尾通過相匯處a後，液尾被分成兩個，分別通過下遊微管道3和旁通微管道4同時流向匯合處b。當其中一個液尾掃過輔微管道2的分岔處時，分岔處上遊一側的少許第一股液體會殘留下來(如圖13所示)。通過優化傳感器2與分岔處之間的距離，可以將該處殘留減少到最小。理想情況下，第二股液體的這兩個液尾同時到達匯合處b，重新融合為一個液尾，並進入共同下遊微管道5中，這樣，第二股液體沒有任何殘留。但一般情況下，其中一個液尾會先於另一個到達匯合處b。假設沿下遊微管道3這條路徑的液尾先到達匯合處b，那麼匯合處a與匯合處b馬上處於同一個氣壓，這樣旁通微管道4內還未流完的第二股液體就立刻失去了驅動力而停止流動，殘留在旁通微管道4內(如圖14所示)，這樣共同下遊微管道5中就形成了一個不含有氣泡或氣體段的融合液體。如果是沿旁通微管道4這條路徑的液尾先到達匯合處b，那麼只是第二股液體的殘留將在下遊微管道3中形成，其他情況完全一樣。
實施例三如圖15所示，本實施例給出了一種對稱形式的雙匯合流路，該雙匯合流路包括兩對稱平行設置的微管道9、10，兩微管道9、10的中部連接一支微管道11，形成第一匯合處a，兩微管道9、10的下遊通過另一支微管道12形成第二匯合處b，共同下遊管道5連接在支微管道12中心部位，在第一匯合處a兩微管道的上遊分別設置一傳感器7、8。此實施例中，在匯合處a下遊的兩微管道9、10，從工作原理上講，相當於一下遊微管道和一旁通微管道，由於是對稱設置，因此是互為下遊微管道和旁通微管道。
這種對稱的流路安排不再區分第一股和第二股液體，只要其中任意一股流體從一微管道9(假設是微管道9)首先並經過傳感器7進入支微管道11，反饋電路就可以停止該股流體的驅動，冗餘度使該股液體停留在支微管道11與另一微管道10的匯合處a，使另一微管道10流入的液體與其完成匯合處a的第一次融合，接下來自動完成在匯合處b的第二次匯合。同理，當其中一股流體的液尾從微管道10(假設是微管道10)流過傳感器8時，也可以自動啟動另一股液體完成液尾的融合。由此可見，這種對稱形式的雙匯合流路可以實現任何一股液體以任何時間順序到達和離開第一個匯合處，因此給實際操作帶來了最大的靈活性。
實施例四如圖16所示，本實施例給出了另一種對稱形式的雙匯合流路，該雙匯合流路包括兩對稱傾斜設置的微管道9、10，兩微管道9、10的中部連接一支微管道11，形成第一匯合處a，兩微管道9、10的下遊匯合成第二匯合處b，在第一匯合處a兩微管道的上遊分別設置一傳感器7、8。此實施例的工作原理與實施例三類似，不再贅述。
上述各實施例中，當融合的目的是為了形成前後流的時候，那麼兩股液體進入和離開雙匯合流路的順序就已經固定了。在這種情況下，雙傳感器7、8的設置還有其它變化形式。比如如圖8～14所示，假設希望第一股液體沿主微管道1進入雙匯合流路後，全部先進入共同下遊微管道5中，然後全部的第二股液體沿輔微管道2緊接著也進入到共同下遊微管道5中，在它們之間不能有氣泡或氣體分段。那麼傳感器7可以在匯合處a附近一段範圍內任意設置，其上限位於靠近匯合處a的主微管道1的上遊某處，其下限在下遊微管道3中某位置，只要該位置到匯合處a的距離小於輔微管道2分岔處至匯合處a的距離即可，傳感器7隻用來探測第一股液體的液尾。傳感器8可以設置在靠近輔管道2分岔處的上遊某處，或設置在輔微管道2的末端，還可以設置在旁通微管道4上某位置，只要該位置與輔微管道2分岔處的距離大於輔微管道2分岔處至匯合處a的距離即可。傳感器8隻用來探測第二股液體的液頭。具體過程如下先驅動第二股液體沿輔微管道2流動，對於傳感器8設置在靠近輔管道2分岔處的上遊某處這種方案，需要利用前面提及的延時處理，以保證第二股液體到達並停止在匯合處a點，對於另外兩種傳感器8的設置方案，則無需延時處理，只要傳感器8探測到第二股液體的液頭，就立刻關斷其驅動力；然後持續驅動主微管道1中的第一股液體，在a點和b點的兩次融合將自動完成。一旦傳感器7探測到第一股液體的液尾時，立刻關斷其驅動力，然後驅動全部剩餘的第一股液體流到共同下遊微管道5中，就完成了前後流的融合。根據傳感器8的設置位置，第一股液體的收尾過程分別與實施例一和實施例二中所描述的收尾過程相同，在此不再贅述。
權利要求
1.一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於它包括兩微管道，所述兩微管道匯合於一處，形成一下遊微管道，且其中一所述微管道連接一旁通微管道，所述旁通管道另一端與所述下遊微管道匯合於一處，形成一共同下遊微管道，所述旁通微管道的長度大於其進口至所述兩微管道匯合處的距離。
2.如權利要求1所述的控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於所述一微管道作為主微管道，其與所述下遊微管道和共同下遊微管道連通為一條直管道，另一微管道作為輔微管道，所述旁通微管道的進口設置在靠近所述主、輔微管道匯合處的所述輔微管道上。
3.如權利要求1所述的控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於所述兩微管道對稱平行設置，所述旁通微管道和下遊微管道分別與所述兩微管道中的一條連通為一條直管道，所述兩微管道的第一匯合處為一連通二者的支微管道，該支微管道的長度小於所述旁通微管道和下遊微管道的長度，另一連接所述旁通微管道和下遊微管道的出口的支微管道的中點連接所述共同下遊微管道。
4.如權利要求1所述的控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於所述兩微管道對稱傾斜設置，所述旁通微管道和下遊微管道分別與所述兩微管道中的一條連通為一條直管道，所述兩微管道的第一匯合處為一連通二者的支微管道，該支微管道的長度小於所述旁通微管道和下遊微管道的長度，所述旁通管道微和下遊微管道匯合一處形成所述共同下遊微管道。
5.如權利要求2所述的控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於在所述主、輔微管道的匯合處，靠近所述輔微管道的出口一側設置一傳感器。
6.如權利要求2所述的控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於在所述主、輔微管道的匯合處的兩側分別設置一傳感器。
7.如權利要求6所述的控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於所述匯合處輔微管道一側的傳感器設置在所述旁通微管道進口上遊的輔微管道上。
8.如權利要求6所述的控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於所述匯合處輔微管道一側的傳感器設置在所述旁通微管道上，所述傳感器的位置到所述旁通微管道進口的距離大於所述旁通微管道進口到主、輔微管道匯合處的距離。
9.如權利要求7或8所述的控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於與所述輔微管道一側傳感器相對的另一傳感器設置在所述主微管道上。
10.如權利要求7或8所述的控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於與所述輔微管道一側傳感器相對的另一傳感器設置在所述下遊微管道上，且所述傳感器到主、輔微管道匯合處的距離大於所述旁通微管道進口到主、輔微管道匯合處的距離。
11.如權利要求3或4所述的控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於在所述兩微管道第一匯合處的上遊分別設置一傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於它包括兩微管道，所述兩微管道匯合於一處，形成一下遊微管道，且其中一所述微管道連接一旁通微管道，所述旁通管道另一端與所述下遊微管道匯合於一處，形成一共同下遊微管道，所述旁通微管道的長度大於其進口至所述兩微管道匯合處的距離。本發明通過設置旁通微管道，使原本十分微弱的被動閥效應變得足以有效，從而實現融合分別流動的液體樣品而不產生氣泡的發明目的。本發明無需對微細管道的尺寸做出任何改動和表面處理，只需加工出尺寸各處一樣的微管道網絡，因此最大限度地降低了微加工的複雜性和難度。本發明可以廣泛用於各種微管道的控制流動中。
文檔編號F17D1/20GK1834527SQ20061006595
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月27日 優先權日2006年3月27日
發明者官曉勝, 郭旻, 周騁, 胡玉明, 程京 申請人:博奧生物有限公司, 清華大學