一种可编程微阀装置及使用其控制微流体输运的方法与流程

本发明涉及一种微流控芯片中控制微流体输运的技术，尤其是涉及一种可编程微阀装置及使用其控制微流体输运的方法。

背景技术：

由于微流分析系统具有体积小、分析速度快，分析所消耗的试剂量少等优点，因此其已经为多领域专家、学者所青睐，并日益成为生化分析领域的研究热点，已在dna分析、细胞分析、蛋白质分析、毒品检测、环境监测以及食品安全等领域得到了广泛应用，并不断有新结构微流器件的发明及应用。

在微流分析系统中进行微流分析的过程中，微流体流向的控制是微流生化分析的前提基础。微流体流向的控制依靠微流分析系统内的微阀来实现，微阀是工作于连续流模式的微流分析系统不可缺少的组成单元。根据微阀的控制方式是否需要外部动力源来分，微阀可分为有源微阀和无源微阀两大类。有源微阀需要外部动力源驱动微阀动作，以改变微流体在微通道内流动方向，从而控制微流体在微通道内输运。无源微阀不需要外部动力源，只需改变微通道表面特性或者在微通道内设计特殊的微通道几何结构来控制微流体流向。相比于有源微阀，无源微阀往往具有几何尺寸小、易集成的优点，但无源微阀往往结构比较复杂，存在需要对微通道内部进行表面处理等缺点，且难以操作微流体逆向输运，因此，无源微阀对微流体控制的可操控性较弱，同时，无源微阀的开启和关闭操作时间相对较长，有一定局限性。

为解决无源微阀的缺点，有源微阀应运而生，并派生出不同外部动力源的有源微阀结构。应用较多且相对常见的用于有源微阀的外部动力源主要有气动、电动、电化学势、静电、电磁、相变、热膨胀阀及上述几种外部动力源的混合源等。上述外部动力源构建的微阀，在微流分析系统中控制微流体的方式各有其特色和优点，同时，也存在一些由其特定的驱动特点所带来的控制微流体性能上的缺点。例如，以气动为外部动力源构建的气动微阀，它的优点是微阀制作工艺较为简单，微阀本身的结构也简单，但它的最大缺点是需要外加气泵以及控制气泵的控制电路，因此，气动微阀体积较大，气泵也无法与微通道集成于一个微流分析系统内，与微流分析发展目标不匹配，从而极大抵消了微流分析系统的小尺寸优点。又如，以静电为外部动力源构建的静电微阀，它在微流基片上淀积、光刻出两个电极，在电极上施加电压产生静电场，由静电场变化控制微流体流动及方向，因此，它的优点是微阀易于集成，但它也有自身特点所带来的缺点，即电极加电后，很容易电解微通道中的工作流体，影响微流分析，因而应用受到了一定的限制。再如，加热使物体(如气体或石蜡等材料)体积膨胀，从而改变物体体积，驱动微阀腔模运动，根据这一原理构建的热膨胀微阀来控制微流体流向，它的优点是结构简单，也无需外接大体积的气泵，所以热膨胀微阀总体尺寸相对较小，它的缺点是需要根据热膨胀材料的温度上升和降低来实现微阀开关动作，因此，微阀开关时间较长，往往需要若干分钟。其它几种外部动力源构建的微阀，也各有优、缺点，并应用于相应的特定场合。

可编程微阀可根据微流分析要求，由操作者根据分析现场的需要，决定微阀开、关时间，对现场低分析成本的微流分析具有现实意义。如期刊《sensorsandactuatorsa:physical》(传感器与执行器)2017年第265卷第9期224-230页公开了《aversatileplugmicrovalveformicrofluidicapplications》(一种用于微流应用的多功能塞微阀)，其提出了一种现场可编程微阀，在圆柱形聚乳酸棒内采用200℃热汽枪钻一个孔，将带孔的圆柱形聚乳酸棒插入聚二甲基硅氧烷微通道内，插入的圆柱形聚乳酸棒与微通道在同一水平上，人工转动圆柱形聚乳酸棒，使得圆柱形聚乳酸棒内的孔与微通道在同一方向时，微流体能够通过微通道，微阀开启；转动圆柱形聚乳酸棒90度，圆柱形聚乳酸棒内的孔无法与微通道相连，微流体无法在该微通道内输运，微阀关闭。相对于上述提及的有源微阀，该可编程微阀的优点是制作工艺简单，仅需要热汽枪和钻孔设备，即可实现微阀制作，同时，该可编程微阀无需额外气泵、热源等片外装置，易于微流分析系统集成，但是，该可编程微阀制作时需要确保圆柱形聚乳酸棒内的孔与微通道孔严格地在同一高度，以便在微阀开启时，微通道内的微流体能经过圆柱形聚乳酸棒内的孔，到达微通道的另一侧，因此，存在微阀开启时微流体泄漏的风险，有待改进。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可编程微阀装置及使用其控制微流体输运的方法，该可编程微阀装置结构简单，易于集成，且微阀开启时不存在微流体泄漏的现象。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种可编程微阀装置，其特征在于：包括下pcb板、上pcb板、自锁按钮、微流体输运部分，所述的下pcb板的中央区域贯穿上下表面挖空形成有下镂空区域，所述的上pcb板的中央区域贯穿上下表面挖空形成有上镂空区域，所述的自锁按钮的活动部件位于所述的下镂空区域内，所述的自锁按钮的固定脚安装于所述的下pcb板上，所述的微流体输运部分由平整填设于所述的上镂空区域内的pdms聚合体和开设于所述的pdms聚合体内的微通道组成，所述的pdms聚合体的上表面上开设有与所述的微通道连通的入口和出口，所述的上pcb板平整紧贴叠放于所述的下pcb板上后所述的自锁按钮的活动部件在自锁状态下与所述的pdms聚合体的下表面紧贴；所述的自锁按钮的活动部件在打开状态下向上顶所述的pdms聚合体，使所述的pdms聚合体向上产生形变，进而使所述的微通道被阻断，实现该可编程微阀装置关闭；所述的自锁按钮的活动部件在自锁状态下所述的pdms聚合体处于平整状态，所述的微通道畅通，实现该可编程微阀装置开启。

所述的上pcb板的上表面上横跨所述的pdms聚合体平行设置有两块载波片，在空间上所述的自锁按钮的活动部件位于两块所述的载波片的正中间，所述的载波片的端部与所述的上pcb板的上表面固定连接，所述的载波片的中间部分与所述的pdms聚合体的上表面接触。通过设置两块载波片，使得自锁按钮的活动部件在打开状态下只向上顶位于两块载波片之间的部分pdms聚合体，从而使得微通道能够更好地被阻断；且由于两块载波片的端部与上pcb板的上表面固定连接，因此也保护了pdms聚合体。

所述的载波片的端部与所述的上pcb板的上表面粘接。

所述的自锁按钮的活动部件与所述的载波片之间的距离为2～3毫米。在此限定的距离是通过大量实验确定的。

所述的上镂空区域为长方体镂空区域。

一种使用上述的可编程微阀装置控制微流体输运的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将微流体通过微通道的入口进样；

步骤二：可编程微阀初始状态下，自锁按钮的活动部件处于自锁状态，pdms聚合体处于平整状态且微通道畅通，微流体通过微通道正常输运；若需关闭可编程微阀，则按压一次自锁按钮的活动部件，使自锁按钮的活动部件处于打开状态，此时自锁按钮的活动部件向上顶pdms聚合体，使pdms聚合体向上产生形变，进而使微通道被阻断，微流体无法通过微通道正常输运；若需开启可编程微阀，则再按压一次自锁按钮的活动部件，使自锁按钮的活动部件处于自锁状态，此时pdms聚合体恢复至平整状态且微通道畅通，微流体通过微通道正常输运。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)通过设置下pcb板和上pcb板，且在下pcb板的镂空区域中设置自锁按钮的活动部件，在上pcb板的镂空区域中设置带微通道的pdms聚合体，这样利用自锁按钮的活动部件打开时向上顶pdms聚合体使微通道被阻断可实现该可编程微阀装置的关闭，不仅结构简单，而且易于集成。

2)该可编程微阀装置在满足现场操作的前提下，无需对接微通道，只需改变微通道的形变，避免了微阀操作部件破坏微通道的整体性，从而从根本上解决了微阀操作时可能使微流体泄漏的问题。

3)在由多个可编程微阀装置构成的微流分析系统中，该可编程微阀装置可根据微流分析进行编程微阀的状态，完成微流体流向控制，实现微流分析。

附图说明

图1为本发明的可编程微阀装置的分解结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种可编程微阀装置，如图所示，其包括下pcb板1、上pcb板2、自锁按钮3、微流体输运部分4，下pcb板1的中央区域贯穿上下表面挖空形成有下镂空区域11，上pcb板2的中央区域贯穿上下表面挖空形成有上镂空区域21，上镂空区域21为长方体镂空区域，自锁按钮3的活动部件31位于下镂空区域11内，自锁按钮3的固定脚32通过焊接方式安装于下pcb板1上，微流体输运部分4由平整填设于上镂空区域21内的pdms(聚二甲基硅氧烷)聚合体41和开设于pdms聚合体41内的微通道42组成，pdms聚合体41的上表面上开设有与微通道42连通的入口421和出口422，上pcb板2平整紧贴叠放于下pcb板1上后自锁按钮3的活动部件31在自锁状态下与pdms聚合体41的下表面紧贴；自锁按钮3的活动部件31在打开状态下向上顶pdms聚合体41，使pdms聚合体41向上产生形变，进而使微通道42被阻断，实现该可编程微阀装置关闭；自锁按钮3的活动部件31在自锁状态下pdms聚合体41处于平整状态，微通道42畅通，实现该可编程微阀装置开启。

在本实施例中，上pcb板2的上表面上横跨pdms聚合体41平行设置有两块载波片5，在空间上自锁按钮3的活动部件31位于两块载波片5的正中间，自锁按钮3的活动部件31与载波片5之间的距离为2～3毫米，载波片5的端部与上pcb板2的上表面通过粘接方式固定连接，载波片5的中间部分与pdms聚合体41的上表面接触。通过设置两块载波片5，使得自锁按钮3的活动部件31在打开状态下只向上顶位于两块载波片5之间的部分pdms聚合体41，从而使得微通道42能够更好地被阻断；且由于两块载波片5的端部与上pcb板2的上表面固定连接，因此也保护了pdms聚合体41。

在本实施例中，自锁按钮3采用市售的具有活动部件和固定脚的自锁按钮。

实施例二：

本实施例提出了一种使用实施例一的可编程微阀装置控制微流体输运的方法，其包括以下步骤：

步骤一：将微流体通过微通道42的入口421进样。

步骤二：可编程微阀初始状态下，自锁按钮3的活动部件31处于自锁状态，pdms聚合体41处于平整状态且微通道42畅通，微流体通过微通道42正常输运；若需关闭可编程微阀，则按压一次自锁按钮3的活动部件31，使自锁按钮3的活动部件31处于打开状态(在自锁按钮3的活动部件31中的弹簧的恢复力作用下自锁按钮3的活动部件31向上伸长)，此时自锁按钮3的活动部件31向上顶pdms聚合体41，使pdms聚合体41向上产生形变，进而使微通道42被阻断，微流体无法通过微通道42正常输运；若需开启可编程微阀，则再按压一次自锁按钮3的活动部件31，使自锁按钮3的活动部件31处于自锁状态(自锁按钮3的活动部件31中的弹簧收缩)，此时pdms聚合体41恢复至平整状态且微通道42畅通，微流体通过微通道42正常输运。