[发明专利]一种基于相替换触发的毛细微阀及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于相替换触发的毛细微阀及其应用，可应用于微生化反应器和芯片实验室。属于微流控领域。

背景技术

近年来，微流控系统作为一种新的技术平台，在生物和化学领域受到广泛关注，这类系统通常称为微型全分析系统(Micro Total Analysis Systems)或芯片实验室(Labs-on-a-Chip)，往往需要执行进样、混合、分离、检测等过程，这些过程大多离不开微流体的控制，在微流控系统中微流体的控制主要由微泵和微阀等基本单元来实现的。但是，目前微流控系统中微阀和微泵这类基本功能单元发展的还很不完善，极大地限制了其实际应用。

微阀是微流控系统中起控制限流的重要组成器件，长期以来，各国研究人员一直在努力研制一种低成本、低死体积[A1]、低耗能的微阀。至今，研究人员已研制了多种不同原理、不同形式的微阀，这些微阀主要分为有源微阀和无源微阀。其中有源微阀需要在某种驱动能的作用下实现对微流体的控制，包括气压、压电、磁、电、热、相变等，这类阀往往结构复杂、制作工艺难度大、成本高、消耗功率大，且难以集成；无源微阀则无需从外部输入能量来实现阻流控制，往往通过微通道网络中局部区域表面性质的改变[H.Andersson，W.van der Wijngaart，P.Griss，F.iklaus，G.Stemme.Hydrophobicvalves of plasma deposited octafluorocyclobutane in DRIE channels.Sensors &Actuators B：Chemical，2001，75：136-141.]或管道形状的突变[A.Glière，C.Delattre.Modeling and fabrication of capillary stop valves for planar microfluidicsystems.-Sensors & Actuators：A.Physical，2006，130：601-608.]来调控表面张力，实现阻流作用，这种微阀没有运动部件，结构简单、易于集成、加工成本低，适用于一次性应用。不过，现有的无源微阀虽然在阻流过程中不需要从外部输入能量，但是其开启仍然需要借助外部有源部件才能实现，比如气压泵驱动或离心机驱动等，这类外加部件往往增加了系统的复杂性，降低了系统的可便携性，从而限制了微流体系统的应用范围。近年来，快速、高通量的生化筛选和检测对系统的微型化、集成化和成本提出了更高的要求，因此，迫切需要发展一种结构简单、易于集成、低成本、低能耗的微阀来适应微型生化分析系统的发展形势。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相替换触发的毛细微阀及其应用，所述的微阀具有结构简单、易于集成、低成本、低能耗的优点，可应用于微流控系统中微流体的简便控制。

本发明提供的一种基于相替换触发的毛细微阀，其特征在于：所述微阀为一种单向被动阀，由进样微管道上一段横截面突变的微管道或微腔体和与其相连的一条油相填充微管道和一条通气管道构成；横截面突变的微管道或微腔体利用横截面突变导致的水/气界面曲率变化发挥微阀限流功能；油相填充微管道通过在横截面突变的微管道或微腔体中充入油相替换气相，降低水相流体界面张力，实现微阀开启功能。所述横截面突变的微管道或微腔体至少与一条进样微管道、一条油相填充微管道和一条通气微管道相连，其中，通气微管道可以为单独的一条管道，也可以与流体出口管道共一条管道；横截面突变的微管道或微腔体的横截面面积大于进样微管道的横截面面积，且其与进样微管道在连接处的交接角大于或等于90°，以保证连接处水相界面曲率变化足够大，实现较好的限流作用；横截面突变的微管道或微腔体以及进样微管道横截面均可以为圆形、矩形和梯形。所述油相填充微管道横截面面积小于水相样品进样微管道横截面面积，以防止油相替换气相触发水相样品进入横截面突变的微管道或微腔体后，水相样品泄漏进入油相填充微管道中，油相填充微管道横截面可以为圆形、矩形和梯形。