[发明专利]一种微流结构及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种微流结构，特别涉及一种单向导通阀以及基于该单向导通阀的微流系统。

背景技术

微流芯片(Microfluidic chip)是用微小管路(一般10-1000微米)控制微量液体的芯片系统。其基本的组成部分有微管路(microchannel，也称微流通道)，以及由微管路构成的微阀门(valve)，微混合器(micromixer)等构成。

微流芯片的微控制阀是能控制微流芯片管路关闭或开启的部件。微阀是微流芯片微流体控制的基础单位，微流芯片用的微阀分为有源阀和无源阀两类；无源阀不需要外部动力的控制，利用流体本身的压力的变化来控制阀状态的改变。有源阀是利用外界的动力控制阀门的开关。有源阀不但需要消耗能源，而且需要庞大而复杂的外部控制系统。无源阀不需要额外的动力控制，发展无源阀技术可以简化微流芯片的控制系统，增强微流芯片的应用性。

最初的微流芯片是由玻璃制作的，需要复杂的微加工设备和高清洁度的工作环境，制备周期长。软光刻技术的出现和PDMS等高分子材料的使用，使得微流芯片从设计到制备只需要两天的时间就可以完成。PDMS芯片具有以下优点：透明，有弹性，具有良好的生物相容性。

传统的软光刻技术制作微流芯片主要分为两个步骤：制备模板和制作芯片。以制作一个十字形的电泳芯片为例说明单层微流芯片的制作步骤：首先在计算机上面用AutoCAD制作需要的图形，然后通过高分辨率的打印机将图片打印到透明的胶片上面，以此作为接触光刻的时候用的掩膜。再然后在作为基底的硅片上面旋涂一层光刻胶，利用掩膜对光刻胶的选择性透过的性质对光刻胶局部光照，从而使得光刻胶选择性的聚合或分解，也就得到了芯片制备需要的模板。制作芯片的步骤：在制备好的掩膜上浇灌未聚合的PDMS，加热使之聚合，当PDMS聚合之后模板上面突出的图形就会复制到PDMS上面形成凹陷的管路。将整个PDMS揭下来后，打孔封装在平整的玻璃或者另外一块PDMS上，就得到了完整的微流芯片。

上下两层PDMS中的两条管路，在空间中交错，便形成了阀结构。当在上层管路中(控制层)通入空气，中间的PDMS薄膜就会向下挤压，如果通入空气的气压足够大，下层管路(流体层)就会被关闭。即可以通过控制气压的大小，调节气动微阀的开闭。

根据2005年的数据，全世界的60多亿人口中，有30亿人缺乏最基本的卫生设施，其中有10亿人缺乏最基本的医疗设施和干净的饮用水。所以发展简便、易携、便宜、准确的医疗检测设备具有很重要的意义。PDMS微流芯片具有很多优点，比如透明，用光学显微镜可以很容易的观察PDMS芯片；便宜，生物相容性好等等。PDMS芯片制作医疗检测器件，具有很好的应用前景。

Quake在软光刻技术的基础上，应用多层软光刻技术，发明了微流芯片上的气动微阀门。Quake利用PDMS具有弹性的特点，用一条微管路挤压薄膜PDMS变形，达到控制微管路里面液体流动的目的。上层PDMS直接浇灌到一块模板上，PDMS较厚(约4毫米)；下层PDMS用匀胶机旋涂到另一块模板上，PDMS很薄(约40微米厚)。分别加热两层，使之固化。然后上层PDMS从模板上揭下，垂直放到下层的PDMS上面。使两层PDMS对齐地叠在一起。由于两层PDMS尚未完全聚合，两层的交界面仍有可以交联的活性分子；因此，加热两层PDMS，可以进一步固化，使得两层PDMS不可逆的结合在一起。最终，便得到具有三维结构的硅橡胶芯片。

微阀分为很多种类，芯片用的微阀主要分为有源阀和无源阀两种。Quake valve就是一种很成熟的有源阀。相对而言，无源阀的发展比较缓慢，主要受限制于芯片的制作工艺等。

无源阀比较常见主要有下面几种：

1.双晶片单向阀

双晶片单向阀是以硅为材料制作的，由两个晶片相接而成，在一侧的入口有一薄晶片，液体正向流动的时候，薄晶片受压向上变形，阀门开启；液体反向流动，晶片受反向压力而与下晶片相接，管道封闭。

2.PDMS基单向导通阀

主要原理和双晶片单向阀是一样的，已有的单向导通阀是利用PDMS薄膜受压变形的性质，当施加正向压力的时候，薄膜和不可变形的障碍物(stopper)之间的间隙受压变的更大，液体可以通过；当施加反向压力的时候，薄膜和障碍物之间的间隙变小，液体不能通过。

在两个同向的单向阀中间，加一个大孔(一个较大的空间，可以暂时储存较多的液体或气体，可称其为储液池)，用来盛液体，大孔的上面用PDMS封闭，这样，在大孔的上面施加正压和放松的时候施加负压，液体会向一个方向流动，就组成了一个微泵结构。