一種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 13:47:56
專利名稱：一種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相匯處，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。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均勻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。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。被動閥效應是指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。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，液體主要用來克服管道流阻而形成的背壓不能超過該閾值。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，它包括一主微管道，一連通所述主微管道的輔微管道，其特徵在於在所述主微管道與所述輔微管道的匯合區域內設置有一阻流體。
在所述輔微管道上靠近所述匯合區域設置一旁通微管道。
所述旁通微管道的另一端在所述主微管道的下遊與其形成另一匯合區域，在所述另一匯合區域內也設置有一阻流體。
所述輔微管道為並聯設置的多個，每一所述輔微管道與所述主微管道的匯合區域設置有一阻流體。
各所述輔微管道的進口通過一公共微管道連通，所述公共微管道上設置有一液體進口。
在所述主微管道和輔微管道的匯合區域設置有反饋電路的傳感器。
所述阻流體的截面形狀為矩形或三角形。
本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明在兩微管道的匯合區域內設置了一阻流體，使自然存在的匯合區域的被動閥效應得到了有效的增強，使第一股液體到達匯合區域的阻流體，而第二股液體未到達之前，可以暫時停止流動，並通過及時撤除第一股液體的驅動力，實現第二股液體到達阻流體後兩股液體的無氣泡融合的發明目的。2、本發明在靠近匯合區域的輔微管道上設置了一旁通微管道，使第一股液體到達阻流體後，而第一股液體的驅動力沒有撤除前的瞬間，液體可以進入旁通微管道，從而可以緩解阻流體處所承受的背壓力，使被動閥的作用更加可靠。3、本發明旁通微管道的設置不但可以實現兩種液體分別從主、輔兩微管道進入並無氣泡地融合；而且還可以將主微管道作為排氣管道，通過阻流體的阻擋作用，在一條輔微管道內實現一種以上液體的無氣泡融合，更可以將被氣泡分成幾段的一種液體中的氣體排出，接合為一股連續流動的液體。4、本發明將輔微管道設置成並聯的多條，同時在每一條輔微管道與主微管道的匯合區域內均設置一阻流體，從而可以方便地實現多種液體的無氣泡融合。5、本發明將多條輔微管道的進口通過一具有進液口的公共微管道連通，並在各輔微管道與主微管道匯合處均設置一阻流體，且使最上遊的阻流體的被動閥效應設置得最小，從而可以實現一種液體的多路分配，省去重複地為每個單通道加液的繁瑣操作。6、本發明在利用被動閥效應的同時，無需對微細管道的尺寸做出任何改動和表面處理，因此最大限度地降低了微加工的複雜性和難度。同時本發明還可以有效地減少反饋控制系統中傳感器數量，並降低傳感器安裝位置的準確性和靈敏度要求。本發明可以廣泛用於各種液體在微細管路中的流動控制中。
圖1是本發明結構示意2是本發明阻流體的另一實施例圖3～7是本發明方法實施過程示意8是本發明具有旁微管道的結構示意9是本發明具有排氣接合的結構示意10是本發明具有多股液體融合的結構示意11是本發明具有液體分配的結構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，本發明的結構包括一主微管道1，一與主微管道1連通的輔微管道2，在輔微管道2與主微管道1的匯合區域設置一個阻流體3，其能夠有效地減小流路面積，阻流體3的形狀可以是長方形，也可以是三角形(如圖2所示)，還可以是其它形狀。在主微管道1和輔微管道2的進口端分別設置有提供驅動力的驅動裝置(圖中未示出)，驅動裝置可以是專門為本發明融合管道設置的，也可以是系統中其它驅動裝置產生的驅動力。如圖1所示，在匯合區域還可以設置一個傳感器4，用於監控液體的流入和流出。
上述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微管道1、2的凹槽和阻流體3，然後通過基片-玻璃或塑料蓋片的鍵合形成完整的主微管道1、輔微管道2和阻流體3。傳感器4的設置是為了自動控制液體的合併過程，當然也可以通過人眼直接透過蓋片觀察和手動切換控制液體的流動。傳感器4可以採用各種現有技術的產品，比如採用紅外傳感器，在晶片的匯合區域上、下分別設置一發射器和一接收器，當有液體通過時可以接收並傳輸信號，與傳感器4連接的反饋控制電路與現有技術相同。
本發明兩種液體的融合過程如下如圖3所示，第一股液體在輔微管道2中正被驅動力驅動流向匯合區域。
如圖4所示，第一股液體到達匯合區域時，在被動閥效應和阻流體3的作用下，暫時停滯；同時由於液體部分進入了匯合區域，傳感器4便會產生了一個相應的信號使得輔微管道2的驅動力被撤除。
如圖5所示，第二股液體進入主微管道1，併到達匯合區域與第一股液體實現液頭融合，使匯合區域完全被液體進佔，被動閥作用消失；同樣，此狀態也能被設置在匯合區域的傳感器4捕捉到。從這一時刻起，根據共同的下遊匯合流動的目的，可以有至少三種不同的驅動兩股液體的模式(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，直到其液尾到達匯合區域，然後再驅動另一股液體至下遊管道。
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6所示，這裡描繪了這樣一種情況，即假設第二股液體的尾部首先到達了匯合區域，該區域的傳感器4檢測到這一時刻，並給系統發出一個相應的信號關斷第二股液體的驅動力，此時匯合區域因為阻流體3導致流路縮小，由此產生的毛細管的作用能夠將第二股液體的液尾停留在匯合區域，從而保持與輔微管道2中第一股液體的連續。接下來的流程將會出現以下三種情況(1)如果融合的目的是為了形成一個前後流，那麼第一股液體在輔微管道2中到達阻流體3後一直處於停頓狀態，以等待圖6所示的第二股液體液尾到達匯合區域。
(2)如果融合的目的是為了形成一個混合流，那麼在如圖5和圖6所示的步驟之間，兩股液體被各自的驅動力交替切換驅動，根據圖6中假設的第二股液體液尾剛剛被傳感器4探測到，並且其驅動力被撤除，此時還未切換到驅動第一股液體，因此第一股液體仍暫時處於停頓狀態。
(3)如果融合的目的是為了形成一個並肩流，則從圖5所示的步驟開始，兩股液體一直被同時驅動，直至圖6所假設那樣，即第二股液體液尾首先剛剛到達匯合區域，並且其驅動力被撤除，此時第一股液體的液尾還未到達匯合區域，並且其驅動力也未被撤除。
前面所述的三種情況，如果是第一種和第二種，那麼此時應重新啟動對第一股液體的驅動，如果是第三種，那麼只是繼續維持對第一股液體的驅動。無論哪種情況，如圖6所示輔微管道2中的第一股液體與第二股液體的液尾形成自然連接，而不會產生氣泡。因此，如圖7所示的最後一步中，通過對第一股液體的驅動將所有剩餘的第一股液體全部推過匯合區域，以完成整個的融合過程，並形成了一個離開管道匯合區域的下遊流動。
實施例二如圖8所示，本實施例包括一主微管道1和一輔微管道2，輔微管道2在接近與主微管道1的匯合區域時，分叉形成一旁通微管道5。輔微管道2與主微管道1在a點形成一匯合區域a，在匯合區域a內設置一阻流體3；旁通微管道5與主微管道1在b點形成另一匯合區域b，在該匯合區域b內設置一阻流體3』，兩股液體在匯合區域b匯合後，繼續延伸形成一共同下遊微管道6。
本實施例的基本工作原理是驅動第一股液體進入輔微管道2，當其被第一個阻流體3阻留在第一個匯合區域a的同時，仍能在旁通微管道5內繼續流動，直到傳感器4產生的信號使輔微管道2的驅動力完全撤除。旁通微管道5的長度最好應使這股液體完全停住時並未到達與主微管道1的第二個匯合區域b，但即使液體到達了匯合區域b，設置在此處的阻流體3』也會保證液體能停住。接下來驅動主微管道1內的第二股液體進入第一個匯合區域a，這樣就和第一股液體完成了第一次的液頭合併，然後選擇驅動其中任意一股液體或同時驅動兩股液體，液體都會在主微管道1和旁通管道5中同時流動，因為被動閥效應在阻流體3被完全浸潤後已經消失。主微管道1和旁通微管道5中的任何一股液體先到達匯合區域b時，都會自動在阻流體3』的作用下暫停，待另一管道液體浸潤阻流體3』後，自動完成在匯合區域b的第二次的合併。在匯合區域b的自動融合是因為在相同背壓的情況下，被動閥和阻流體3』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，第二個阻流體3』的被動閥效應也消失了，液體可自由通過共同下遊微管道6。本實施例液體收尾時，在匯合區域a的收尾過程與實施例一完全相同，而在匯合區域b的收尾將自動完成。
本實施例是一種旁通結構的液體合併實例，其與實施例一直接利用阻流體結構實現液體合併有所不同，本實施例這種液體旁通結構中的兩個阻流體3、3』都只承受較低的旁通管道中的液體壓力，因此其可靠性比實施例一更高。
實施例三如圖9所示，本實施例包括一主微管道1、一輔微管道2和一從輔微管道2分叉的旁通微管道7，主微管道1與輔微管道2的匯合區域設置有阻流體3。本實施例中，主微管道1被作為排氣管道，旁通微管道7作為融合管道，旁通管道7的進口端十分靠近主微管道1與輔微管道2的匯合區域。
本實施例具有排氣接合功能，工作時，液體從輔微管道2進入，被阻流體3阻擋停留的同時，自動進入旁通微管道7。此時在阻流體3與旁通微管道7進口之間的一小段管道內會停留部分液體，如果這一段管道太長，那麼當液體液尾進入旁通微管道7內時，這部分液體將殘留在這段管道內；如果旁通微管道7進口離阻流體3足夠近，那麼在表面張力的作用下，進入旁通微管道7的液尾能夠將這段管道內的液體完全帶入旁通微管道7內。這樣，如果液尾後面有氣體繼續過來(比如液體驅動力還未被撤除，)那麼這些氣體將順利地從含有阻流體3的排氣管道(主微管道1)排除，而不會因為這段管道內殘留液體造成堵塞，使氣體進入旁通微管道7。由於已經進入旁通微管道7內的液尾不會被後來的氣體推離開旁通微管道7的進口處，因此，如果再有一股液體流過來，那麼新的液體的液頭將和處於旁通微管道7進口處的液尾自動接合，形成連續流動的液體。
從以上描述可以看出，本實施例的同一排氣旁通結構可被重複使用，在同一輔微管道2內可以先後注入兩股或兩股以上液體，不但可以將它們之間的氣體排除，而且可以在旁通微管道7內實現液體無氣泡的接合。本實施例還可以將一股產生了氣泡並導致分段的液體中的氣泡去除，將被分段的液體重新接合起來。
實施例四如圖10所示，本實施例包括一主微管道1，多個輔微管道2，在各輔微管道2與主微管道1的匯合區域分別設置一阻流體3。
本實施例具有將多種液體融合的功能，工作時分別從每一輔微管道2中進入一股液體，在阻流體3的作用下都暫停在輔微管道2的出口，然後驅動主微管道1中的液體，使其依次浸潤每一阻流體3，使其失去被動閥效應，進而通過上述的各種流動方式，實現多種液體的融合。
實施例五如圖11所示，本實施例包括一主微管道1，多個輔微管道2，在各輔微管道2與主微管道1的匯合區域分別設置一阻流體3，在各輔微管道2的進口連接一公共微管道8，公共微管道8上設置有一液體進口。在各匯合區域中的阻流體3，可以通過其尺寸的大小、形狀、或者離各自輔微管道2出口的遠近所產生的大小不一的被動閥效應，選擇讓液體率先突破那個阻流體3，比如圖中顯示的是最上遊的阻流體3』，與其它阻流體3相比其尺寸最小。
本實施例的應用場合是並行多通道生物試驗，如果試劑相同則可以省去依次為每一個通道加樣的繁瑣過程。工作時，進入公共微管道8的液體，自動分配進入每一輔微管道2，可以利用每個輔微管道2與主微管道1匯合區域的阻流體3實現液體自動分配，並在各匯合區域阻流體3處短暫停留。由於最上遊的阻流體3』的被動閥效果最差，因此在同樣驅動壓力下，液體最先從該阻流體3』處突破，並一路將各阻流體3浸潤，使其失去被動閥效應，進而將流過各輔微管道2的液體融合在一起，作為廢液排出流路。
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，它包括一主微管道，一連通所述主微管道的輔微管道，其特徵在於在所述主微管道與所述輔微管道的匯合區域內設置有一阻流體。
2.如權利要求1所述是一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於在所述輔微管道上靠近所述匯合區域設置一旁通微管道。
3.如權利要求2所述是一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於所述旁通微管道的另一端在所述主微管道的下遊與其形成另一匯合區域，在所述另一匯合區域內也設置有一阻流體。
4.如權利要求1所述是一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於所述輔微管道為並聯設置的多個，每一所述輔微管道與所述主微管道的匯合區域設置有一阻流體。
5.如權利要求4所述是一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於各所述輔微管道的進口通過一公共微管道連通，所述公共微管道上設置有一液體進口。
6.如權利要求1或2或3或4或5所述的一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於在所述主微管道和輔微管道的匯合區域設置有反饋電路的傳感器。
7.如權利要求1或2或3或4或5所述的一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於所述阻流體的截面形狀為矩形。
8.如權利要求6所述的一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於所述阻流體的截面形狀為矩形。
9.如權利要求1或2或3或4或5所述的一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於所述阻流體的截面形狀為三角形。
10.如權利要求6所述的一種控制液體在微管路中連續流動的流路結構，其特徵在於所述阻流體的截面形狀為三角形。
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，它包括一主微管道，一連通所述主微管道的輔微管道，其特徵在於在所述主微管道與所述輔微管道的匯合區域內設置有一阻流體。本發明在兩微管道的匯合區域內設置了一阻流體，使自然存在的匯合區域的被動閥效應得到了有效的增強，使第一股液體到達匯合區域的阻流體，而第二股液體未到達之前，可以暫時停止流動，並通過及時撤除第一股液體的驅動力，實現第二股液體到達阻流體後兩股液體的無氣泡融合。本發明在利用被動閥效應的同時，無需對微細管道的尺寸做出任何改動和表面處理，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液體在微細管路中的流動控制中。
文檔編號F17D1/20GK1834528SQ20061006595
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
發明者郭旻, 官曉勝, 周騁, 胡玉明, 程京 申請人:博奧生物有限公司, 清華大學