一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统及其驱动方式和应用技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统及其驱动方式和应用，包括气压源、气流管路和多孔膜组件；气流管路一端与气压源连接，另一端延伸至待驱动的微流体；多孔膜组件包括至少一个多孔膜，多孔膜集成于气流管路上。本发明专利技术提供的微流体驱动系统可以对流体驱动压强和流体流速进行简便、灵活、宽范围调控，可实现便携式流体驱动，应用于微流控检测系统和芯片实验室。和芯片实验室。和芯片实验室。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统及其驱动方式和应用


[0001]本专利技术属于液体输送
，具体涉及一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统及其应用。

技术介绍

[0002]近年来，微流控技术因其试剂消耗少、分析速度快、通量高、易集成和自动化等优势，在生物、医学和化学领域受到广泛关注并得到越来越多的应用。对于微流控技术来说，微流体驱动是其应用操作的关键，微流控分析中所涉及的进样、混合、反应、分离等过程无一不涉及微流体驱动。
[0003]在微流控技术应用中，流体驱动的方式一般可分为机械驱动方式和非机械驱动方式两类。机械驱动方式主要利用泵体系统相关部件的机械运动来达到驱动流体的目的，典型的机械驱动方式包括压电式、蠕动式、往复式、离心式等，基于这类驱动方式的泵体系统往往结构复杂、价格昂贵、功率消耗大，难以实现低成本、便携式应用。非机械驱动方式的特点是泵体系统本身没有活动的机械部件，包括电渗驱动、重力驱动等，尽管这类驱动方式较机械驱动方式有较高的可靠性，但是基于这类驱动方式的泵系统要么需要外置的驱动电路或者设备，要么需要大体积的样品量，降低了系统的可便携性，限制了其应用场景。
[0004]目前，在微流控领域，大多数科研人员选择精密注射泵或集成高精度压力传感器的气压泵来驱动微流体。注射泵技术相对简单，采用步进电机直线驱动注射器的活塞，然而，注射泵应用于微流控技术时，存在响应速度慢、流体运动具有周期脉动现象等问题。不同于注射泵，气压泵在微流控芯片的通道内可以短时间内建立无脉冲的液体流动，压力变化在流体装置内可以无延迟的进行传播，从而可以进行快速的流量切换，而且泵体系统没有运动的机械部件，不会产生因为机械部件的运动导致的流速脉冲性波动的问题，因而，具有响应速度快、流体速度平稳等优势。目前应用于微流控领域的典型的商业化气压泵，如Elveflow公司生产的OB1 MK3+系统和Fluigent公司生产的MFCSTM
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EZ系统，尽管具有较快的反应速度、较高的压力控制精度，但是，这些商业化的微流控驱动气压泵均集成了精密的压力传感器、流量传感器和复杂的控制单元，其价格远高于其它类型的微流控驱动装置，而且，现有的商业化微流控气压泵体积和注射泵差不多大小，仍然无法满足即时检验(Point
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of
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care testing)和现场快速分析等应用场景对于设备便携化的要求，另外压力控制器对电源的需求也限制了其在复杂环境下例如野外场景的使用。为了适应即时以及现场生化分析对微流控检测系统微型化、低成本化、便携化提出的高要求，促进微流控技术在即时检验和现场快速分析等领域的应用，迫切需要发展一种结构简单、成本低廉、低能耗的气压控制方法和装置。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术，本专利技术提供一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统及其驱动方式和应用，以解决现有流体驱动装置不便于携带、成本高、反应不即时等问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：提供一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统，包括气压源、气流管路和多孔膜组件；气流管路一端与气压源连接，另一端延伸至待驱动的微流体；多孔膜组件包括至少一个多孔膜，多孔膜集成于气流管路上。
[0007]本专利技术中的驱动系统中设置有多孔膜，通过调节多孔膜结构参数可以改变其对气体分子的通透性，进而实现调节泵压和流速的目的。当多孔膜两侧存在压强差时，气体分子将从压强高的一侧扩散到压强低的一侧(如图1所示)，随着气体量的增加，膜后的压强也会缓慢的增加，从而增加后端待驱动微流体的流速。膜后压强增加的快慢与多孔膜的气体通透性高低成正比，而多孔膜的气体通透速率与多孔膜的孔隙率和多孔膜的面积成正比，与多孔膜的厚度成反比。在整个流路系统中，多孔膜可以视为“流阻”器件，不同结构参数使得多孔膜对气体具有不同的“流阻值”，当气压源加载的气压值不变时，不同“流阻值”的多孔膜可使得流路中产生不同气体体积流速，从而在膜后产生不同的驱动压强。因此通过切换不同结构参数的多孔膜流路，可以实现流体驱动压强的快速、灵活调控。
[0008]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0009]进一步，气流管路包括多个支路，每个支路上均集成有多孔膜组件。
[0010]进一步，气压源为正向气压源和/或负向气压源。
[0011]进一步，正向气压源为储存有压缩二氧化碳气体、压缩氧气、压缩氢气、压缩氩气、压缩氮气或压缩空气的装置，正向气压源设置于待驱动微流体流动方向后端；负向气压源为真空容器或抽气装置；负向气压源设置于待驱动微流体流动方向前端。
[0012]进一步，多孔膜组件中的多孔膜设置有多个，多个多孔膜串联集成于气流管路上，或者是多个多孔膜通过切换阀并联集成于气流管路上。
[0013]进一步，多孔膜为有机多孔膜、无机多孔膜或微颗粒填充微管形成的孔隙微柱。
[0014]类似电路系统，为了实现不同“流阻值”需求，流路系统中可以按需进行多个多孔膜的串联或者并联组合。多孔膜的串联组合可以很方便的对泵压和流速按倍数进行调节，多孔膜的并联组合可以将同一个压力源扩展为一组相同或不同的压力源。另外，为了实现流路中流体流速的灵活调控，可以通过切换阀在并联的多个不同结构参数多孔膜流路之间切换，快速改变流路气体流速，实现驱动压强的调节和待驱动流体流速的调控。切换阀包含至少三个端口，且其中一个端口与大气环境相通；切换阀可以位于多孔膜模块前端，也可以位于多孔膜模块后端。
[0015]进一步，有机多孔膜的孔隙率为0％
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50％，厚度为50μm
‑
10mm，面积为5mm2‑
25mm2；无机多孔膜的孔隙率为1％
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50％，厚度为5μm
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500μm，面积为0.8mm2‑
25mm2；孔隙微柱的孔隙率为10％
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80％，厚度为2mm
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10mm，面积为800μm2‑
5mm2。
[0016]进一步，气压源与多孔膜组件之间设置有减压阀。
[0017]本专利技术还提供了上述基于多孔膜调控的微流体驱动系统在微流控芯片实验中的应用。
[0018]本专利技术的有益效果是：相比于现有的流体驱动装置，本专利技术提供的微流体驱动系统无需精密、昂贵的气压传感器和复杂的控制设备，可大大降低流体驱动系统的体积和成本，而且由于多孔膜结构在流路系统中可以产生极低的气体流速，因而该驱动系统可以实现传统驱动系统无法实现的微量流体极低流速调控，能够应用于特殊应用场景。本专利技术提供的驱动系统可以对流体驱动压强和流体流速进行简便、灵活、宽范围调控，尤其是采用抛
弃式微型压缩气体瓶或微型抽气装置作为气压源，可实现便携式流体驱动，应用于微流控检测系统和芯片实验室。
附图说明
[0019]图1为本专利技术基于多孔膜调节气体流速实现流体驱动压强调控的原理示意图(P0：膜前压强；P1：膜后压强；R
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多孔膜调控的微流体驱动系统，其特征在于：包括气压源、气流管路和多孔膜组件；所述气流管路一端与所述气压源连接，另一端延伸至待驱动的微流体；所述多孔膜组件包括至少一个多孔膜，所述多孔膜集成于所述气流管路上。2.根据权利要求1所述的基于多孔膜调控的微流体驱动系统，其特征在于：所述气流管路包括多个支路，每个支路上均集成有多孔膜组件。3.根据权利要求1所述的基于多孔膜调控的微流体驱动系统，其特征在于：所述气压源为正向气压源和/或负向气压源。4.根据权利要求3所述的基于多孔膜调控的微流体驱动系统，其特征在于：所述正向气压源为储存有压缩二氧化碳气体、压缩氧气、压缩氢气、压缩氩气、压缩氮气或压缩空气的装置，所述正向气压源设置于待驱动微流体流动方向后端；所述负向气压源为真空容器或抽气装置；所述负向气压源设置于待驱动微流体流动方向前端。5.根据权利要求1所述的基于多孔膜调控的微流体驱动系统，其特征在于：所述多孔膜组件中的多孔膜设置有多个，所述多个多孔膜串联集成于所述气流管路上，或者是所述多个多孔膜通过切换阀并联集成于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚，白岩松，刘可宇，赵强，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：