[发明专利]一种微阀及利用该微阀控制微流体输运的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于微流控芯片中的微流体输运结构，尤其是涉及一种微阀及利用该微阀控制微流体输运的方法。

背景技术

微流技术可以将一系列常规的实验操作诸如抽样、样品预处理、分离、反应、检测和数据分析等集成于一块基片上。微流技术因其极大地降低了微流分析的成本、缩短了微流分析的时间，而获得了快速地发展，并已广泛应用于DNA测序、蛋白质分析、单细胞分析、毒品检测和食物安全等领域。

微通道是工作于连续流形式的微流系统中不可缺少的组成部分，是微流体赖以流动的场所。微阀是决定微流体沿特定微通道输运的基本单元，是连续流形式的微流器件中不可缺少的组成部分，国内外专家对微阀的结构和制作工艺作了较为深入的研究，提出了多种形式的微阀及其控制方法。

已报道的微流器件中集成的微阀，按照是否需要激励机构，可将其分为无源微阀和有源微阀两大类。

无源微阀不需要外部的动力或控制，其利用微流体本身流向和压力的变化就可实现微阀状态的改变。已报道的无源微阀以双晶片单向阀和凝胶阀为代表。双晶片单向阀由两个晶片相接而成，在一侧入口处加工出一弹性悬臂梁，当微流体正向流动时，弹性悬臂梁受压向下变形，微阀开启；当微流体反向流动时，弹性悬臂梁受反向压力而与上晶片相接，使通道封闭。双晶片单向阀的优点是泄漏小、响应速度快，其缺点是只能单向工作，且制作工艺较为复杂。凝胶阀是采用丙烯酰胺聚合体在高、低电压下的不同性质来实现阀开关状态的切换，在低电压下，空穴密集，微通道通路堵塞；在高电压下，空穴张开，微通道通路打开。凝胶阀已成功应用于PCR(Polymerase Chain Reaction，聚合酶链式反应)芯片中，以完成PCR扩增和生化量检测，其优点是制作工艺简单、操作方便，其缺点是响应速度较慢，有待改进。

有源微阀是利用外界制动力来实现微阀的开启和关闭操作的，相比于无源微阀，有源微阀具有开关速度快、泄漏小等优点，因而对其研究更为广泛和深入，并提出了多种方法用于实现微阀开启和关闭。根据制动机理来分，有源微阀主要分为气动微阀、转矩控制微阀、相变阀和热膨胀阀等。气动微阀是以外部气体作为制动力的一类有源微阀，其一般通过在控制通道内施加一定气压来控制微阀的开启和闭合，施加气压时，中间层阀膜发生形变，向下挤压微流体通道，直到微流体通道堵塞；撤销气压时，中间层阀膜在自身弹性力的作用下恢复原状，微流体通道重新畅通，这种“下压”型气动微阀的优点是响应速度较快，缺点是深宽比较小，限制了应用范围。鉴于此，有人提出了“上推”型气动微阀，其在上层微流体通道和下层控制通道间直接夹入中间层阀膜，采用气动通过在控制腔室中施加一定气压或负压将中间层阀膜上推来完成微阀的关闭或开启，相比于“下压”型气动微阀，“上推”型气动微阀的优点是深宽比有较大幅度的增大，缺点是由于气路控制系统体积较大，价格昂贵，与微流器件的微小体积不相适应，因而使用范围受到了限制。其它几种制动类型的微阀都有其独特的优点，并适用于各自场合，但同时也有其局限性，如：转矩控制微阀难以实现自动化；相变阀由于相变物质直接位于微通道中，因此难以重复使用。如期刊《传感器与执行机构》2003年第89卷第3期315-323页(Sensors and Actuators B,Vol.89(3),2003:315-323)公开了《大规模集成于玻璃微流器件的单片膜阀和横膈膜泵》(《Monolithic membrane valves and diaphragm pumps for practical large-scale integration into glass microfluidic devices》)，其公开的单片膜阀由上下两个玻璃基片构成，在上玻璃基片上采用标准的湿法化学腐蚀技术腐蚀微通道，在下玻璃基片上腐蚀位移腔，在上、下已腐蚀的玻璃基片中间设置有PDMS薄膜，当外界气动泵在向PDMS薄膜注入空气时，PDMS薄膜在气压作用下，向位移腔内弯曲，使得微通道连通，相当于微阀开启；当外界气动泵停止时，由于没有外界气压作用，因此PDMS薄膜恢复原状，微通道不连通，相当于微阀关闭。该单片膜阀可以有效地实现微通道内微流体输运的控制，但由于需要外部气动泵，而气动泵体积较大，因此难以集成于微流器件中，与微流器件的微型化不相适应，有待改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种微阀及利用该微阀控制微流体输运的方法，该微阀结构简单、体积小，易集成于微流器件中，且响应速度快。