CN109569748A - 一种流道内液体流速调节方法与微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流控芯片领域，本发明公开了一种流道内液体流速调节方法与微流控芯片，流道内液体流速调节方法包括以下步骤，在多孔介质基材上形成的流道内设置阻隔段，通过阻隔段调节流道内用于液体流过的截面的面积，从而实现对流道内液体流速的调节。本发明可以实现流道内液体流速的调节，填补了目前该领域的技术空白，不需要昂贵的设备和复杂的操作流程，有助于微流控芯片的推广。

Description

一种流道内液体流速调节方法与微流控芯片

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，尤其是涉及一种基于多孔介质材料的微流控芯片，具体是涉及对流道内液体流速进行调节的方法，以及实施该调节方法的微流控芯片。

背景技术

基于多孔介质材料特别是纸基的微流控芯片是一种新型的微流控分析装置，因其具有成本低、加工简单、使用方便等特点，故在即时诊断、食品质量控制和环境监测等领域有巨大的应用前景，近年来逐渐成为微流控芯片领域的研究热点。在微流控芯片(基于多孔介质材料)的实际使用过程中，经常面临需要调节流道内液体流速的需求，现有技术中尚缺少针对微流控芯片(基于多孔介质材料)的流道内液体流速调节的方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种流道内液体流速调节方法与微流控芯片，用于实现对基于多孔介质材料的微流控芯片流道内液体流速的调节。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：

一种流道内液体流速调节方法，包括以下步骤，在多孔介质基材上形成的流道内设置阻隔段，通过阻隔段调节流道内用于液体流过的截面的面积，从而实现对流道内液体流速的调节。

作为上述方案的进一步改进方式，在多孔介质基材上形成流道的方法为：将处于液体状态且可固化的第一聚合物施加在多孔介质基材上，待第一聚合物完全渗透入多孔介质基材后对第一聚合物进行固化以形成流道壁，相邻流道壁之间形成流道。

作为上述方案的进一步改进方式，在流道内设置阻隔段的方法为：将处于液体状态且可固化的第二聚合物施加在相邻流道壁之间的多孔介质基材上，待第二聚合物渗透入多孔介质基材内部至设定深度后对第二聚合物进行固化以形成阻隔段。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括调整第二聚合物渗透至多孔介质基材内部深度的步骤。

作为上述方案的进一步改进方式，调整第二聚合物的渗透深度的方法为：调整单位面积内多孔介质基材上施加的第二聚合物的体积。

作为上述方案的进一步改进方式，沿流道的宽度方向上，阻隔段分别与流道的两侧流道壁连接，或者阻隔段与流道的流道壁之间至少存在一处间隙。

作为上述方案的进一步改进方式，通过打印的方式向多孔介质基材施加第一聚合物与第二聚合物。

作为上述方案的进一步改进方式，第一聚合物为光刻胶、聚氨酯、环氧树脂、脲甲醛、不饱和聚酯树脂与聚二甲基硅氧烷中的一种，第二聚合物为光刻胶、聚氨酯、环氧树脂、脲甲醛、不饱和聚酯树脂与聚二甲基硅氧烷中的一种。

作为上述方案的进一步改进方式，沿流道的长度方向设置有多个阻隔段。

一种微流控芯片，包括多孔介质基材，多孔介质基材内具有完全渗透多孔介质基材的流道壁，相邻流道壁之间形成流道，流道内设有阻隔段，通过阻隔段调节流道内用于液体流过的截面的面积，从而实现对流道内液体流速的调节。

本发明的有益效果是：

本发明可以实现多孔介质(例如纸)基微流控芯片流道内液体流速的调节，填补了目前该领域的技术空白，不需要昂贵的设备和复杂的操作流程，有助于微流控芯片的推广。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

图1是本发明在多孔介质基材上构建流道的流程图；

图2是本发明在流道被构建阻隔段的流程图；

图3是本发明控制阻隔段渗透深度的方法示意图；

图4是本发明可调整流道内液体流速的微流控芯片示意图；

图5是不同渗透状态下液体流动距离的示意图；

图6是不同渗透状态下液体流动距离与时间的曲线示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

本发明公开了一种流道内液体流速调节方法，其适用于基于多孔介质基材(比如纸基)的微流控芯片，其主要构思是在微流控芯片的流道内设置阻隔段，通过阻隔段调节流道内用于液体流过的截面的面积，从而实现对流道内液体流速的调节。

本发明的流速调节方法需要基于微流控芯片实施，故本发明先公开一种在多孔介质基材上构建流道的方法。参照图1，示出了在多孔介质基材上构建流道的流程图，其包括以下具体步骤：

步骤一、确定打印轨迹，具体是利用绘图软件设计流道壁打印区域的平面图形，并将平面图形上传到运动平台的控制软件。平面图形的设计方法可以采用公知技术，此外，运动平台可以采用公知的两轴或者三轴运动平台，上述设计方法的详细步骤与运动平台的详细结构在本发明中不作详述。

步骤二、制备用于构建流道的液态的第一聚合物，为了使得第一聚合物能够渗透入多孔介质基材内，要求第一聚合物具有一定的流动性，本实施例中将第一聚合物制成液态。

本实施例中的第一聚合物为疏水聚合物，以在固化后形成疏水流道壁。制备流道壁的第一聚合物的固化类型可以是光固化或者热固化，第一聚合物的材料可以是光刻胶、聚氨酯、环氧树脂、脲甲醛、不饱和聚酯树脂与聚二甲基硅氧烷中的一种。

步骤三、灌装第一聚合物，具体将第一聚合物放入具有喷射口的容器中，并将容器与外部的加压设备连接，通过向容器内加压的方式迫使液态的第一聚合物从喷射口中喷出。本实施例中的加压方式可以是直接向容器内泵入压力气体，也可以是通过活塞推动液态的第一聚合物。

为了实现流道的打印，多孔介质基材与容器之间应当可以发生相对运动。本实施例将容器安装在运动平台的移动端上，通过容器相对多孔介质基材的主动运动实现第一聚合物的打印。

本实施例中，容器与运动平台的移动端之间采用可分离的连接方式，便于容器的更换。

步骤四、固定多孔介质基材，将多孔介质基材固定在运动平台的固定台面上。

步骤五、打印第一聚合物，当完成上述步骤后，调整容器距离多孔介质基材的高度，并设定加压设备的压力值与容器移动的速度值。开启加压设备与运动平台，容器便可以按照打印轨迹移动，并在移动的同时向多孔介质基材喷射液态的第一聚合物。

步骤六、固化第一聚合物，当完成打印工作且第一聚合物完全渗透多入孔介质基材后，将多孔介质基材通过加热固化装置或者UV固化装置进行固化，从而最终形成流道壁，相邻流道壁之间形成流道。

步骤一、步骤二与步骤四不分先后，可以按照实际要求调整进行的顺序。

在本发明的其他实施例中，也可以是多孔介质基材主动运动，容器固定；还可以是多孔介质基材与容器均发生主动运动。

完成对流道的制备后，便可以在流道内设置阻隔段，本实施例中设置阻隔段的方法与构建流道壁的方法类似，参照图2示出了在流道内构建阻隔段的流程图，具体包括以下步骤：

步骤一、确定打印轨迹，具体是利用绘图软件设计阻隔段打印区域的平面图形，并将平面图形上传到运动平台的控制软件。阻隔段的打印轨迹垂直于流道的长度方向。

步骤二、制备用于构建阻隔段的液态第二聚合物，为了使得第二聚合物能够渗透入多孔介质基材内，要求第二聚合物具有一定的流动性，本实施例中将第二聚合物制成液态。

本实施例中的第二聚合物为疏水聚合物，以在固化后形成疏水的阻隔段。制备阻隔段的第二聚合物的固化类型可以是光固化或者热固化，第二聚合物的材料可以是光刻胶、聚氨酯、环氧树脂、脲甲醛、不饱和聚酯树脂与聚二甲基硅氧烷中的一种。第一聚合物和第二聚合物可以是同种聚合物，在构建流道壁后可以直接通过相同的装置构建阻隔段，无需进行聚合物的切换，有助于提升生产效率。

步骤三、灌装液态的第二聚合物，具体将液态的第二聚合物放入具有喷射口的容器中，并将容器与外部的加压设备连接，通过向容器内加压的方式迫使第二聚合物溶液从喷射口中喷出。本实施例中的加压方式可以是直接向容器内泵入压力气体，也可以是通过活塞推动第二聚合物。

为了实现阻隔段的打印，多孔介质基材与容器之间应当可以发生相对运动。本实施例将容器安装在运动平台的移动端上，通过容器相对多孔介质基材的主动运动实现第二聚合物的打印。

本实施例中，容器与运动平台的移动端之间采用可分离的连接方式，便于容器的更换。

步骤四、固定多孔介质基材，将多孔介质基材固定在运动平台的固定台面上。

步骤五、打印液态的第二聚合物，当完成上述步骤后，调整容器距离多孔介质基材的高度，并设定加压设备的压力值与容器移动的速度值。开启加压设备与运动平台，容器便可以按照打印轨迹移动，并在移动的同时向多孔介质基材喷射第二聚合物。

步骤六、固化第二聚合物，当完成打印工作且第二聚合物渗透入多孔介质基材内部至设定深度后，将多孔介质基材通过加热固化装置或者UV固化装置进行固化，从而形成阻隔段。

本发明调节流速的基本原理为：阻隔段占用的流道截面积越多，流道内可供液体流过的空间则越少，液体流速越慢。而影响阻隔段占用面积的因素包括阻隔段的深度(即阻隔段沿多孔介质基材厚度方向的延伸距离)、阻隔段的长度(即阻隔段沿流道长度方向的延伸距离)，以及阻隔段的宽度(即阻隔段沿流道宽度方向的延伸距离)，基于此，本发明可以通过控制深度、长度与宽度的方式调节阻隔段的占用面积，进而控制液体的流速。

控制阻隔段深度的方式为：调整单位面积内多孔介质基材表面上打印的第二聚合物的体积，液态的第二聚合物的体积越大，单位面积的渗透深度越深，则阻隔段的深度越深。参照图3，示出了本发明控制阻隔段深度的方法示意图。如图所示，a步骤中，在多孔介质基材上打印两团液态的第二聚合物，左侧的液态的第二聚合物体积小于右侧的第二聚合物体积。b步骤中，随着聚合物的扩散，在二者渗透的投影面积相等的情况下，右侧的第二聚合物的渗透深度将大于左侧的第二聚合物的渗透深度。c步骤中，经过固化操作后，右侧阻隔段的深度也将大于左侧阻隔段的深度。

此外，也可以通过控制阻隔段宽度的方式控制阻隔段的占用面积，当阻隔段的两端分别与流道的两侧流道壁连接时，阻隔段的宽度达到最大，即为流道的宽度。当阻隔段仅有一端与流道的单侧流道壁连接(即阻隔段与流道的流道壁之间具有一处间隙)，或者阻隔段的两端均不与流道的流道壁连接(即阻隔段与流道的流道壁之间具有两处间隙)时，阻隔段的宽度将小于流道的宽度。

此外，也可以通过控制阻隔段宽度的方式控制阻隔段的占用体积，当宽度、深度一定时，阻隔段的长度越长，则阻隔段在流道内占用的体积越多，流道内液体的流速越慢。

上述深度调节、长度调节与宽度调节可以独立使用，也可以组合使用。

本发明还公开了一种实施上述方法的微流控芯片，参照图4，示出了本发明可调整流道内液体流速的微流控芯片示意图。如图所示，多孔介质基材上具有封闭形状的流道壁1，流道壁1完全渗透多孔介质基材，从而被流道壁1围绕的区域形成流道。多孔介质基材上还具有若干的阻隔段2，单个阻隔段2沿流道的宽度方向贯穿流道，若干阻隔段2沿流道的长度方向均匀分布。阻隔段2的渗透深度可以在不渗透、部分渗透和完全渗透之间调整。

参照图5、图6，图5示出了不同渗透状态下液体流动距离的示意图，图6示出了不同渗透状态下液体流动距离与时间的曲线示意图。如图5所示，试样a不存在阻隔段，故染色液体可以沿流道流动，且流动距离最长。试样b中存在阻隔段，且阻隔段部分渗透多孔介质基材，故染色液体也可以沿流道流动，流动距离短于试样a。试样c中存在阻隔段，且阻隔段完全渗透多孔介质基材，故染色液体被阻隔在第一条阻隔段处，不能沿流道流动。

如图6所示，当具有相同的流道宽度与实验时间时，染色液体在不具有阻隔段的流道内的流动距离大于染色液体在具有部分渗透阻隔段的流道内的流动距离，即染色液体在不具有阻隔段的流道内的流速大于染色液体在具有部分渗透阻隔段的流道内的流速。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种流道内液体流速调节方法，包括以下步骤，在多孔介质基材上形成的流道内设置阻隔段，通过所述阻隔段调节所述流道内用于液体流过的截面的面积，从而实现对所述流道内液体流速的调节。

2.根据权利要求1所述的流道内液体流速调节方法，其特征在于，在多孔介质基材上形成流道的方法为：将处于液体状态且可固化的第一打印物施加在所述多孔介质基材的表面，待所述第一聚合物完全渗透所述多孔介质基材后对所述第一聚合物进行固化以形成流道壁，相邻所述流道壁之间形成所述流道。

3.根据权利要求2所述的流道内液体流速调节方法，其特征在于，在所述流道内设置所述阻隔段的方法为：将处于液体状态且可固化的第二聚合物施加在相邻所述流道壁之间的所述多孔介质基材上，待所述第二聚合物渗透所述多孔介质基材至设定深度后对所述第二聚合物进行固化以形成所述阻隔段。

4.根据权利要求3所述的流道内液体流速调节方法，其特征在于，还包括调整所述第二聚合物渗透至所述多孔介质基材内深度的步骤。

5.根据权利要求4所述的流道内液体流速调节方法，其特征在于，调整所述第二聚合物的渗透深度的方法为：调整单位面积内所述多孔介质基材上施加的所述第二聚合物的体积。

6.根据权利要求3所述的流道内液体流速调节方法，其特征在于，沿所述流道的宽度方向上，所述阻隔段分别与所述流道的两侧流道壁连接，或者所述阻隔段与所述流道的流道壁之间至少存在一处间隙。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的流道内液体流速调节方法，其特征在于，通过打印的方式向所述多孔介质基材施加所述第一聚合物与所述第二聚合物。

8.根据权利要求3至6中任一项所述的流道内液体流速调节方法，其特征在于，所述第一聚合物为光刻胶、聚氨酯、环氧树脂、脲甲醛、不饱和聚酯树脂与聚二甲基硅氧烷中的一种，所述第二聚合物为光刻胶、聚氨酯、环氧树脂、脲甲醛、不饱和聚酯树脂与聚二甲基硅氧烷中的一种。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的流道内液体流速调节方法，其特征在于，沿所述流道的长度方向设置有多个所述阻隔段。

10.一种微流控芯片，其特征在于，包括多孔介质基材，所述多孔介质基材内具有完全渗透所述多孔介质基材的流道壁，相邻所述流道壁之间形成流道，所述流道内设有阻隔段，通过所述阻隔段调节所述流道内用于液体流过的截面的面积，从而实现对所述流道内液体流速的调节。