微流體氣泡排除裝置及其制備方法以及微流體器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微流體氣泡排除裝置及其制備方法以及采用該微流體氣泡排除裝置的微流體器件。其中，所述微流體氣泡排除裝置包括：通道底層和位于所述通道底層之上的疏水多孔層，所述通道底層和疏水多孔層之間形成微流通道；其中，通道底層位于所述微流通道的一側(cè)具有至少1個凸臺條。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)微流體排氣方法對重力的依賴，能夠提高排氣效率、并滿足微重力環(huán)境下的微流體器件排氣要求。本發(fā)明中的微流體氣泡排除裝置易于與其他微流控芯片集成，能滿足不同粘度的液體的氣泡排出。
【專利說明】微流體氣泡排除裝置及其制備方法以及微流體器件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微流控芯片、微流體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種用于微流體器件或芯片的微流體氣泡排除裝置及其制備方法，以及采用所述微流體氣泡排除裝置的微流體器件。

【背景技術(shù)】
[0002]微流控芯片、微流體器件在生物醫(yī)療檢測、制藥、環(huán)境和食品安全監(jiān)測等方面有著越來越重要的應(yīng)用。對于微流體器件或芯片來說，由于進(jìn)液過程導(dǎo)致的氣泡或者液體中本身含有氣泡等原因，使得在微流通道中輸運的液體同時伴有氣泡。氣泡的存在會直接影響微流通道中液體的輸運控制、生化反應(yīng)和檢測，因此，需要把氣泡從微流通道內(nèi)輸運的液體中排出到芯片外。
[0003]現(xiàn)有常用的用于微流通道內(nèi)液體中的氣泡排除方法有浮力法和表面能最小化法。
[0004]其中，浮力法是利用浮力將氣泡從液體內(nèi)排出的傳統(tǒng)氣泡排除方法。排氣泡的過程是，在芯片上設(shè)置排氣腔并外接排氣管道，當(dāng)液體流經(jīng)排氣腔時，液體中的氣泡在浮力的作用下自動向上漂浮，進(jìn)而從排氣管道排出，達(dá)到排除液體內(nèi)氣泡的目的(參見ZhengWj Wang Zj Zhang Wj et al.A simple PDMS—based microfluidic channel design thatremoves bubbles for long-term on-chip culture of mammalian cells[J].Lab on aChip, 2010，10(21):2906-2910)。這種方法的原理和操作比較簡單，但其需要較大且有一定高度的排氣腔，進(jìn)而導(dǎo)致了芯片的樣品和/或試劑需要量的增加，并且，該方法的應(yīng)用需要依靠重力的作用，因此無法應(yīng)用于微重力的航天領(lǐng)域。
[0005]表面能最小化法是運用表面能最小原理，通過疏水表面和特殊幾何結(jié)構(gòu)捕獲并排除微流通道內(nèi)液體中的氣泡的(參見Meng D D, Kim J, Kim C J.A degassing plate withhydrophobic bubble capture and distributed venting for microfluidic devices [J].Journal of Micromechanics and Microengineering, 2006, 16(2):419)。這種方法所使用的排氣機構(gòu)結(jié)合了疏水多孔膜和幾何學(xué)氣泡捕捉結(jié)構(gòu)，二者之間使用環(huán)氧樹脂貼合。氣泡上浮，然后被限制在凹臺形的陷阱中，并逐漸減小消失。但是該方法仍然利用重力作用使得氣泡上浮到陷阱中，當(dāng)微流道中液體的流動速度較快時，可能會出現(xiàn)氣泡還未上浮到陷阱便已流出了排氣泡區(qū)域的情況，進(jìn)而導(dǎo)致了排氣泡效率的降低，并且，由于和前述的浮力法同樣的需要依靠重力作用的原因，表面能最小化法也不能直接應(yīng)用于航天領(lǐng)域。
[0006]在專利號為200810103613.2所公開的用于微流體器件氣體排出的分布式排氣裝置中，通過將具有納米多孔結(jié)構(gòu)的高分子濾膜和微米級孔道的金屬或非金屬片引入微流體器件，實現(xiàn)了將氣泡從氣液混合體系分布式的排除。但該方案仍然沒有完全克服前兩種方法對于液體流速和排氣方向的限制。
[0007]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中，由于微流體中氣泡的排除依賴于重力的作用使得氣泡上浮，存在效率偏低的問題，同時限制了其在例如航天領(lǐng)域等微重力環(huán)境下的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明提供一種氣泡排除裝置及其制備方法以及微流體器件，以克服現(xiàn)有技術(shù)排氣效率低且難以應(yīng)用于微重力環(huán)境的問題。
[0009]本申請的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
[0010]一種微流體氣泡排除裝置，包括:
[0011]通道底層和位于所述通道底層之上的疏水多孔層，所述通道底層和疏水多孔層之間形成微流通道；其中，
[0012]所述通道底層位于所述微流通道的一側(cè)具有至少I個凸臺條。
[0013]進(jìn)一步，所述通道底層的微流通道底面和疏水多孔層之間距離為20μπι至500 μ m，所述凸臺條的高度為所述通道底層的微流通道底面和疏水多孔層之間距離的1/5
至 4/5。
[0014]進(jìn)一步，所述通道底層為親水材料或者所述通道底層為經(jīng)過親水改性處理的材料。
[0015]進(jìn)一步，所述通道底層材料為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS、聚二甲基硅氧烷PDMS或者玻璃。
[0016]進(jìn)一步，所述疏水多孔層的材料為具有納米至微米級多孔結(jié)構(gòu)的高分子疏水材料。
[0017]進(jìn)一步，所述疏水多孔層材料為聚丙烯、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚砜或者聚乙烯。
[0018]進(jìn)一步，所述疏水多孔層的厚度為20μπι至400μπι，所述疏水多孔層中孔的孔徑為 20nm 至 20 μ m。
[0019]進(jìn)一步,所述凸臺條的延伸方向與所述微流通道中液體流動方向之間的夾角大于0°且小于等于90° ;
[0020]所述凸臺條的橫截面呈半橢圓形、三角形或者長方形；
[0021]多個凸臺條之間相互平行，且相鄰?fù)古_條之間的距離為ΙΟΟμπι至2mm。
[0022]一種微流體氣泡排除裝置的制備方法，包括以下步驟:
[0023]制備通道底層，所述通道底層的表面具有至少I個凸臺條；
[0024]將疏水多孔層與所述通道底層表面的兩側(cè)進(jìn)行粘接，使得所述通道底層和疏水多孔層之間形成微流通道。
[0025]一種微流體器件，包括:
[0026]環(huán)形蠕動微泵、微流體樣品接入口、微流芯片接口以及如上任一項所述的微流體氣泡排除裝置；
[0027]所述微流體樣品接入口、環(huán)形蠕動微泵、微流體氣泡排除裝置和微流芯片接口順次連接。
[0028]從上述方案可以看出，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)微流體排氣方法對重力的依賴，能夠提高排氣效率、并滿足微重力環(huán)境下的微流體器件排氣要求。本發(fā)明中的微流體氣泡排除裝置易于與其他微流控芯片集成，能滿足不同粘度的液體的氣泡排出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明中微流體氣泡排除裝置的第一實施例示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明中微流體氣泡排除裝置的第二實施例示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明中微流體氣泡排除裝置的第三實施例示意圖；
[0032]圖4為本發(fā)明中微流體氣泡排除裝置的凸臺條的一個實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖5為本發(fā)明中微流體氣泡排除裝置的凸臺條的另一實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖6為本發(fā)明中微流體氣泡排除裝置制備方法的實施例流程圖；
[0035]圖7為本發(fā)明中微流體器件的實施例示意圖。

【具體實施方式】
[0036]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0037]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的微流體氣泡排除裝置實施例包括通道底層I和疏水多孔層3，其中所述疏水多孔層3位于所述通道底層I之上，通道底層I和疏水多孔層3之間形成微流通道4，通道底層I位于微流通道4的一側(cè)具有至少I個凸臺條2，凸臺條2不與疏水多孔層3接觸，微流體在微流通道4中流動，在凸臺條2處由于凸臺條2的阻擋而擾動(如圖1、圖2、圖3中箭頭方向所示)，進(jìn)而使得微流體中的氣泡隨著微流體的擾動而帶動到疏水多孔層3而被疏水多孔層3所捕獲，進(jìn)而被捕獲的氣泡通過疏水多孔層3而從微流體中排出。
[0038]本發(fā)明實施例中，凸臺條2的延伸方向與微流通道4中液體流動方向之間的夾角大于0°且小于等于90°，多個凸臺條2之間相互平行，且相鄰?fù)古_條2之間的距離為100 μ m(微米)至2mm(毫米)。凸臺條2的高度為通道底層I的微流通道4的底面(即圖1、圖2、圖3中通道底層I的非凸臺條2的區(qū)域)和疏水多孔層3之間距離的1/5至4/5。通道底層I的微流通道4的底面和疏水多孔層3之間距離為20 μ m至500 μ m。凸臺條2的延伸方向與微流通道4中液體流動方向之間的夾角大于0°且小于等于90°，這樣才能對微流通到中流動的液體產(chǎn)生有效的擾動。
[0039]凸臺條2的橫截面可以為圖1中所示的半橢圓形，也可以為圖2中所示的三角形，或者為圖3中所示的長方形等圖形。其中，半橢圓型截面的凸臺條2對于微流體的擾動作用較好，可使微流體在微流通道4內(nèi)往返流動，直到其中的氣泡完全排除。微流體以一定流速流過微流通道4，在微流通道4內(nèi)凸臺條2的擾動下，趨向流到相對的疏水多孔層3，微流體中的氣泡吸附于疏水多孔層3，并從疏水多孔層3排出，對于不同粘度的液體(微流體)，在不同的流速(10?200mm/s (毫米每秒))下能實現(xiàn)良好的排氣。
[0040]本發(fā)明實施例中，凸臺條2在通道底層I的微流通道4的底面延伸可呈直線型、人字形、波浪形等形狀。以人字形為例，圖4和圖5分別為凸臺條2呈兩種人字形延伸的實施例結(jié)構(gòu)示意圖。其中，如圖4所示，在通道底層I的微流通道底面，凸臺條2呈對稱的人字形延伸，微流體在微流通道內(nèi)的流動方如圖4中箭頭方向。圖4所示結(jié)構(gòu)中，人字形凸臺條2對微流體增加了側(cè)向擾動作用，可使微流體更高效的流向疏水多孔層3。如圖5所示，在通道底層I的微流通道底面，凸臺條2呈側(cè)偏的人字形(如左偏人字形21和右偏人字形22)排列，可增加微流體的左右側(cè)向的擾動。
[0041]本發(fā)明實施例中，通道底層I采用親水材料制成，或者通道底層I采用經(jīng)過親水改性處理的材料。通道底層I的材料例如PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、PC (聚碳酸酯)、PS (聚苯乙烯)、PDMS (聚二甲基硅氧烷)或者玻璃等。
[0042]本發(fā)明實施例中，疏水多孔層3的材料為具有納米至微米級多孔結(jié)構(gòu)的高分子疏水材料，例如聚丙烯、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚砜或者聚乙烯等。疏水多孔層3的厚度為20 μ m至400 μ m,疏水多孔層3中孔的孔徑為20nm (納米)至20 μ m。
[0043]本發(fā)明實施例，由于通道底層I采用親水或過經(jīng)親水改性的材料制成而疏水多孔層3為疏水材料，因此進(jìn)一步地使得微流通道4中的微流體的液體成分親近于所述通道底層I而疏遠(yuǎn)于疏水多孔層3，進(jìn)而更加有利于微流體中氣泡向疏水多孔層3的運動并被排出。
[0044]本發(fā)明實施例同時提供了一種上述微流體氣泡排除裝置的制備方法，如圖6所示，包括:
[0045]步驟1、制備通道底層，所述通道底層的表面具有至少I個凸臺條；
[0046]步驟2、對所述通道底層表面進(jìn)行親水改性處理；
[0047]步驟3、將疏水多孔層與所述通道底層表面的兩側(cè)進(jìn)行粘接，使得所述通道底層和疏水多孔層之間形成微流通道。
[0048]其中，步驟I中可采用如下幾種方法:
[0049]方法al、采用熱壓?；蛘咦⒛７椒ㄖ苽銹MMA、PC或者PS材料的通道底層。
[0050]方法a2、采用軟光刻方法制備PDMS材料的通道底層。
[0051]方法a3、采用注模方法制備玻璃材料的通道底層。
[0052]實際操作中，上述方法al至方法a3任選其中一種即可。
[0053]步驟2是一個可選的步驟，如果不采用步驟2，那么步驟I中所制成的通道底層的親水性可能不理想，經(jīng)過步驟2之后，通道底層的親水性可達(dá)到較好的效果，進(jìn)而可有利于微流體中氣泡的排除。
[0054]具體地，步驟2可采用如下幾種方法實現(xiàn):
[0055]方法bl、采用含有納米Si02( 二氧化硅)顆粒的甲醇溶液對所述通道底層表面進(jìn)行浸泡沉積。
[0056]方法b2、對所述通道底層表面進(jìn)行Si02的濺射沉積。
[0057]方法b3、對所述通道底層表面進(jìn)行等離子體處理。
[0058]方法b4、對所述通道底層表面進(jìn)行硅烷化處理。
[0059]方法b5、對所述通道底層表面進(jìn)行紫外線照射。
[0060]上述方法bl至方法b5均可實現(xiàn)通道底層表面的親水性處理，實際操作中任選其中一種即可。
[0061]上述方法bl中，可采用圖形化親水改性處理方法，即利用掩膜覆蓋住擬親水處理的微流通道以外的基片表面，使只有微流通道表面被親水處理而基片的其它部分不被處理。方法bl中也可以采用非圖形化親水改性處理方法。
[0062]步驟3中可采用如下兩種方法實現(xiàn)疏水多孔層與通道底層表面兩側(cè)的粘接:
[0063]步驟Cl、采用雙面膠將所述疏水多孔層與所述通道底層表面的兩側(cè)進(jìn)行粘接。
[0064]步驟c2、采用氧等離子將所述疏水多孔層與所述通道底層表面的兩側(cè)進(jìn)行粘接。
[0065]實際操作中，上述方法Cl和方法c2任選其中一種即可。
[0066]本發(fā)明實施例同時提供了一種微流體器件，其中采用了上述微流體氣泡排除裝置。如圖7所示，微流體器件包括環(huán)形蠕動微泵11、微流體樣品接入口 12、微流芯片接口 13以及微流體氣泡排除裝置14。所述微流體樣品接入口 12、環(huán)形蠕動微泵11、微流體氣泡排除裝置14和微流芯片接口 13順次連接。在工作時，微流體在環(huán)形蠕動微泵11的推動下，從微流體樣品接入口 12流入，經(jīng)過環(huán)形蠕動微泵11后進(jìn)入微流體氣泡排除裝置14，經(jīng)過微流體氣泡排除裝置14后，微流體中氣泡被排除，排出氣泡后的微流體送進(jìn)微流芯片接口 13進(jìn)行后續(xù)的工作。
[0067]本發(fā)明根據(jù)能量最低原理，表面能自動趨于最小化，當(dāng)氣泡在液體和固體共存的溝道內(nèi)流動時，氣泡總是趨向于向著使整個系統(tǒng)的總能量趨于最低的位置移動，并停留于該位置。只要在氣泡捕捉位置設(shè)置相應(yīng)的排氣孔，就可以將氣體從液體內(nèi)部排出。本發(fā)明的微流體氣泡排除裝置中，在微流通道4中，由于兩側(cè)的通道底層I和疏水多孔層3的親、疏水性不同，流經(jīng)微流通道4的微流體中的氣泡在液體流的帶動下趨向壁面時會粘附于疏水多孔層3表面。在疏水多孔層3的壁面有氣泡排出的氣孔，與疏水多孔層3接觸的氣泡就會從氣孔中自動排出。在有重力的情況下，在重力作用下氣泡會逐漸往上浮起與疏水多孔層3的壁面接觸，而疏水多孔層3的壁面為疏水面，氣泡會很輕易的自動排出。設(shè)置于通道底層I的凸臺條2可擾動微流通道4中的微流體，使微流體向疏水多孔層3方向流動，進(jìn)而帶動微流體中的氣泡迅速地趨向疏水多孔層3，進(jìn)而被疏水多孔層3捕獲并從疏水多孔層3排出。利用凸臺條2，可實現(xiàn)更高效的排氣，并且凸臺條2對微流體的擾動并不受到重力的影響，進(jìn)而在微重力條件下，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)理想的排氣效果。
[0068]本發(fā)明克服了傳統(tǒng)微流體排氣方法對重力的依賴，能夠提高排氣效率、并滿足微重力環(huán)境下的微流體器件排氣要求。本發(fā)明中的微流體氣泡排除裝置易于與其他微流控芯片集成，能滿足不同粘度的液體的氣泡排出。
[0069]利用上述微流體氣泡排除裝置進(jìn)行微流體氣泡排除實驗。當(dāng)微流體采用濃度為5.22mol/mL(摩爾每毫升)的碳酸氫鈉水溶液時，其內(nèi)部含有大量且分布均勻的氣泡，經(jīng)過本發(fā)明的微流體氣泡排除裝置的排氣后經(jīng)定量統(tǒng)計，流經(jīng)微流體氣泡排除裝置之后微流體CCD拍攝視場內(nèi)氣泡所占面積百分比普遍小于0.5%，排氣效果明顯，當(dāng)微流體的流速為40?50mm/s (毫米每秒)時,排氣效果最佳。
[0070]當(dāng)微流體采用日本大耳白兔采集到的血液時，其中混有氣泡，經(jīng)過本發(fā)明的微流體氣泡排除裝置的排氣后經(jīng)定量統(tǒng)計，流經(jīng)微流體氣泡排除裝置之后微流體CCD拍攝視場內(nèi)氣泡所占面積百分比普遍小于1.0%，排氣效果明顯，當(dāng)流速約為30?40mm/s，排氣效果最佳。
[0071]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微流體氣泡排除裝置，其特征在于，包括: 通道底層和位于所述通道底層之上的疏水多孔層，所述通道底層和疏水多孔層之間形成微流通道；其中， 所述通道底層位于所述微流通道的一側(cè)具有至少I個凸臺條。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體氣泡排除裝置，其特征在于:所述通道底層的微流通道底面和疏水多孔層之間距離為20 μ m至500 μ m，所述凸臺條的高度為所述通道底層的微流通道底面和疏水多孔層之間距離的1/5至4/5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體氣泡排除裝置，其特征在于:所述通道底層為親水材料或者所述通道底層為經(jīng)過親水改性處理的材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微流體氣泡排除裝置，其特征在于:所述通道底層材料為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS、聚二甲基硅氧烷PDMS或者玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體氣泡排除裝置，其特征在于:所述疏水多孔層的材料為具有納米至微米級多孔結(jié)構(gòu)的高分子疏水材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流體氣泡排除裝置，其特征在于:所述疏水多孔層材料為聚丙烯、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚砜或者聚乙烯。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流體氣泡排除裝置，其特征在于:所述疏水多孔層的厚度為20 μ m至400 μ m,所述疏水多孔層中孔的孔徑為20nm至20 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體氣泡排除裝置，其特征在于: 所述凸臺條的延伸方向與所述微流通道中液體流動方向之間的夾角大于0°且小于等于 90° ; 所述凸臺條的橫截面呈半橢圓形、三角形或者長方形； 多個凸臺條之間相互平行，且相鄰?fù)古_條之間的距離為100 μ m至2mm。
9.一種微流體氣泡排除裝置的制備方法，包括以下步驟: 制備通道底層，所述通道底層的表面具有至少I個凸臺條； 將疏水多孔層與所述通道底層表面的兩側(cè)進(jìn)行粘接，使得所述通道底層和疏水多孔層之間形成微流通道。
10.一種微流體器件，其特征在于，包括: 環(huán)形蠕動微泵、微流體樣品接入口、微流芯片接口以及如權(quán)利要求1至8任一項所述的微流體氣泡排除裝置； 所述微流體樣品接入口、環(huán)形蠕動微泵、微流體氣泡排除裝置和微流芯片接口順次連接。
【文檔編號】B01D19/00GK104225964SQ201410474836
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】葉雄英, 李子尚, 謝帥, 王春艷, 姚宇華, 譚映軍, 成一諾, 馬增帥, 劉躍, 宋晉忠 申請人:清華大學(xué), 中國航天員科研訓(xùn)練中心