[发明专利]一种可片上集成的微流控制方法及微阀装置

说明书

本发明公开了一种可片上集成的微流控制方法及微阀装置。该方法为在PDMS基片上方设置滑条，当滑条移动到PDMS微通道上方时，滑条挤压PDMS微通道，使PDMS微通道形变，阻碍微流体通过，微阀关闭，当滑条移开到PDMS微通道外侧时，微通道恢复原状，微流体正常流通，微阀开启。本发明可以对微流器件不进行任何改变和破坏操作，完全可以实现在片集成，也无需复杂的微阀单元设计，成本极低，操作简单，适合微流系统应用。本发明为微分析系统提供可控可集成于PCB板上的微阀装置，大大缩减检测系统空间，非常适用于微流系统检测，为微分析系统提供一种关键的微流操作部件。

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片中控制微流体输运的微阀装置及方法，尤其是涉及一种可完全片上集成的微阀装置及微流控制方法，属于微流控技术领域。

背景技术

相对传统的实验室分析方法，片上微流分析具有试剂消耗量少、体积小、分析速度快、可以减少人为操作引入的误差等优点，广泛应用于在DNA分析、蛋白质分析、单细胞分析、药物筛选、食品安全、毒品检测和环境监测等领域，并逐渐深入人们社会生活方方面面。微阀是微流分析系统中不可或缺的组成单元，它决定了微流分析系统中微流输运方向和微流体积的分配，因此，研究用于微流分析系统的微阀具有现实的社会价值和学术意义。

近年来，国内外专家、学者投入了大量的精力和财力，研制了用于微流分析的微阀，其中，尤以主动微阀的研究更为深入、透彻。

瑞士的Andreas Manz研究团队是从事微通道内微阀研究的先驱，他们最早实现了微通道内电渗微阀，使毛细电泳系统中电渗流快速地从一个通道转向另一通道。随后，美国田纳西州橡树岭国家实验室的J.Michael Ramsey研究小组对电渗微阀进行了改进，仅用一个电压源和三个样品池实现了样品流和缓冲液的微流路控制。在此基础上，美国森地亚国家实验室微流体研究室发明了电压可寻址的电动微阀，可编程控制微阀的开关动作，极大地提高了微流路可控制性和微流操作的简便性。电动微阀的优点是开关响应速度较快，但它也存在一些缺陷:电动微阀受微通道表面特性影响极大；受缓冲液离子成分影响严重；需要高达数百伏特电压源，增加了微流分析成本，并给操作人员带来安全隐患。因此，电动微阀仅适用于如毛细电泳等特定场合。

为降低电动微阀电源电压值，提出了静电微阀方法，将微阀所需电源电压降低到数十伏特，成功地应用于低压气流控制。但静电微阀大多使用刚性硅膜，微阀制作工艺较为复杂，且微阀所需电压仍然较高。

磁微阀可以解决电动微阀上述提及的缺点，它是一种以外加磁场为驱动源的有源微阀，其典型结构是在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中掺入铁粉，将各向异性刻蚀后的V型腔作为阀塞及阀塞支架，在外加磁场时，阀塞和支架被抬起，阀被打开。为提高电磁微阀的电磁力，往往将电磁线圈等永磁材料嵌入电磁微阀中，使电磁微阀的关闭力在0.25mA情况下达到0.8mN,从而可靠地倾斜阀座上隔膜，关闭电磁阀。由于电磁微阀需要移动外加电磁场，操作集成性上不如电动微阀方便。同时，由于嵌入永磁材料，微阀的可集成性也相应地下降，磁路也较复杂，成本较高，不适宜在片完全集成。其他主动微阀如热气膨胀驱动微阀、双金属驱动微阀和形状记忆微阀为代表的热驱动微阀，采用加热驱动受热材料发生形变，带动隔膜倾斜，实现微阀动作。该类微阀大多采用机械部件，增加了在微流芯片上应用的难度,且功耗较大。

为解决上述微阀缺点，有报道不需要外接动力源的微阀装置，可实现片上完全集成。如，期刊《传感器和执行器》2017年第265卷第9期224-230页公开了将聚乳酸棒一端采用打孔机穿孔，将一端穿孔的聚乳酸棒插入聚二甲基硅氧烷微流芯片上，穿孔的空口高度与聚二甲基硅氧烷微流芯片上微通道高度一致，微流芯片固定在玻璃基片上，当聚乳酸棒转动到两个口与微流通道的两口相一致时微通道两端通过聚乳酸棒接合，实现微流通过，实现微阀导通；转动聚乳酸棒使得其通孔与微通道口不相一致时，聚乳酸棒两侧微通道不导通，实现微阀关闭。该方法可有效实现微阀片上集成问题，但由于通过转动带空乳酸棒实现微流输运和截止，需要对微通道进行穿孔，破坏了微流芯片结构，增加了工艺步骤，且微阀漏压较低，耐用性也有待提高。

发明内容