專利名稱:篩網(wǎng)電滲流泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明提供了一種在管道、引導(dǎo)件、管或等效物中的溶液內(nèi)產(chǎn)生電滲流(EOF)的泵。電滲流通過(guò)施加電場(chǎng)而產(chǎn)生,該電場(chǎng)穿過(guò)由絕緣壁確定的管道中的溶液。特別是,本發(fā)明提供了一種基于多孔膜(篩網(wǎng))的EOF泵設(shè)計(jì),該多孔膜在管道中,同時(shí)其兩側(cè)有電極。該EOF泵可以很容易地集成在小系統(tǒng)例如微系統(tǒng)、微機(jī)器、微結(jié)構(gòu)等中,并能夠在該系統(tǒng)中產(chǎn)生高效和容易控制的液體流。
根據(jù)本發(fā)明,可以利用電場(chǎng)在管道內(nèi)的離子溶液中產(chǎn)生電滲流。為了產(chǎn)生電滲流,必須仔細(xì)選擇管道的幾何尺寸和材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是,它提供了用于在較小流動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生和控制液體流的泵。而且,本發(fā)明的泵可以利用通常用于制造小型系統(tǒng)和裝置(例如芯片、微系統(tǒng)、微機(jī)器、微結(jié)構(gòu)、微流體系統(tǒng)等)的材料和處理技術(shù)來(lái)制造。因此,本發(fā)明的泵可以集成在該小型系統(tǒng)和裝置中,并提供高效和靈活的液體控制。
根據(jù)第一方面,本發(fā)明提供了一種電滲流泵,用于在離子溶液中產(chǎn)生從管道的進(jìn)口至出口的流動(dòng)。優(yōu)選是,泵包括殼體,該殼體有管道,用于保持離子溶液;膜,該膜將管道分成與進(jìn)口接觸的第一部分以及與出口接觸的第二部分,該膜包括多個(gè)孔;一個(gè)或多個(gè)第一電極,該第一電極與保持在管道的第一部分中的離子溶液進(jìn)行電接觸;一個(gè)或多個(gè)第二電極,該第二電極與保持在管道的第二部分中的離子溶液進(jìn)行電接觸;以及用于在第一和第二電極之間施加電勢(shì)差的裝置。優(yōu)選是,在膜中的孔具有內(nèi)表面部分,該內(nèi)表面部分在130-160mM的、pH值為7-7.5的鹽水溶液中的ζ電勢(shì)為ζ>10mVζ>10mV。
優(yōu)選是,膜的厚度在0.1-2μm的區(qū)間內(nèi)。還有,優(yōu)選是,在膜中的孔的數(shù)目在5-500的區(qū)間內(nèi)。為了保證良好的泵送效率,優(yōu)選是孔的內(nèi)徑在0.1-5μm的區(qū)間內(nèi)。而且,在任意孔和它的最靠近孔之間的平均距離在2-100μm的區(qū)間內(nèi)。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
圖1是表示在管道中的電滲流的原理的視圖。
圖2A和2B表示了本發(fā)明的篩網(wǎng)EOF泵的實(shí)施例的剖視圖和俯視圖。所示實(shí)施例用于電生理學(xué)測(cè)量系統(tǒng),用于產(chǎn)生用于定位細(xì)胞的流動(dòng)。
圖3是表示流導(dǎo)(fluid conductance)與在通道的上部和底部之間的通道孔徑的關(guān)系的曲線圖。這舉例說(shuō)明了用于圖2A和B的電生理學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中的電滲泵的所需性能。
詳細(xì)說(shuō)明當(dāng)在管道中的離子液體通過(guò)使用電場(chǎng)而進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí),該現(xiàn)象稱為電滲。電滲流通過(guò)施加電場(chǎng)而產(chǎn)生,該電場(chǎng)穿過(guò)在由絕緣壁確定的管道中的溶液,圖1中示意表示了管道1。該管道1由壁2形成,在各端有電極4和6。保持在該管道1中的液體是具有正離子7和負(fù)離子8的離子溶液。
由于在壁2的表面上的負(fù)電部位9的電離作用,因此,為了電中性,在溶液中有過(guò)量活動(dòng)電荷,主要位于壁附近,并在由界面的Debye長(zhǎng)度λD≈1-10nm給出的較薄的屏蔽層內(nèi)。施加在溶液上的電場(chǎng)作用在屏蔽層中的過(guò)量電荷上,從而使流體流動(dòng)。過(guò)量電荷在溶液中的量和分布取決于表面材料(可離子化部位的密度)以及溶液成分,尤其是pH值和離子濃度。電荷和分布涉及參數(shù)ζ電勢(shì),它與電滲流相關(guān)。不過(guò),盡管ζ電勢(shì)測(cè)量和表示為材料/溶液的組合,但是它實(shí)際上并不是容易控制的參數(shù),且因?yàn)樗从诒砻娌课坏碾婋x作用,因此ζ和EOF很容易受到表面狀態(tài)和組合的變化的影響。在關(guān)于二氧化硅表面的文獻(xiàn)中給出的ζ值為75mV。對(duì)于玻璃,該值可以是二氧化硅的值的兩倍,但是由于pH值和吸附物質(zhì)的影響,該值實(shí)際上可以明顯減小。這樣的ζ值可以用于設(shè)計(jì)計(jì)算中,但是應(yīng)當(dāng)知道,實(shí)際上,保證充分性能并不取決于獲得的該值。EOF的方向由通過(guò)表面部位的離子化而在溶液中產(chǎn)生的過(guò)量活動(dòng)電荷來(lái)確定。當(dāng)在二氧化硅或硅酸鹽玻璃上的離子化組的pKa為-2時(shí),那么在中性pH值時(shí),表面為負(fù)電荷,且EOF使活動(dòng)正電荷朝著負(fù)極性電極運(yùn)動(dòng)。下面給出容積流速I(mǎi)voleof與長(zhǎng)度為L(zhǎng)的流動(dòng)管道的電滲流以及恒定橫截面面積A的關(guān)系Ivoleof=AϵζLηU,----(1)]]>其中,ε是介電常數(shù),η是液體的粘度,而ζ是在液體和管道邊界之間的界面的ζ電勢(shì)。U是跨過(guò)管道的端部施加的驅(qū)動(dòng)電壓,該管道的長(zhǎng)度為L(zhǎng),恒定橫截面面積為A。等式1確定了最大可能流量,EOF泵可以在無(wú)連接負(fù)載的情況下進(jìn)行輸送。在管道中的流體微粒的平均速度總體由u=Ivol/A表示,而電場(chǎng)強(qiáng)度由E=U/L表示,從而可以使電滲活動(dòng)性的定義μeof=u/E=εζ/η與包含EOF泵的流體管道的任何特殊幾何特征無(wú)關(guān),而只是與液體和壁之間的界面的特征有關(guān)。對(duì)于與泵相連的負(fù)載,EOF驅(qū)動(dòng)力將伴隨有壓力被動(dòng)流(Poiseuille流)。與層流Poiseuille流相關(guān)的容積流速由IvolPoiseuille=KchannelΔp給出,其中,Δp是跨過(guò)流動(dòng)管道的兩端的壓力差,而Kchannel是管道的流動(dòng)傳導(dǎo)性??偭髁坑上旅娴牡仁浇o出Ivol=KchannelΔP+AμeofUL.----(2)]]>泵的壓力一致通過(guò)使Ivol=0而形成,并解出ΔpΔpmax=IvoleofKchannel.----(3)]]>任何特殊EOF泵的總性能可以通過(guò)由乘積ΔpmaxIvoleof給出的性能功率來(lái)量化,它是表示為單位瓦特(W)的量。功率越高,泵的總體性能越好。當(dāng)泵在一端負(fù)載有流導(dǎo)Kload,且在另一端為參考?jí)毫r(shí),相對(duì)參考?jí)毫邕^(guò)負(fù)載的壓力差由下面的等式給出Δpload=-ImaxKload+Kchannel,----(4)]]>其中,通過(guò)負(fù)載的容積流量由下面的等式給出
Ivolload=KloadΔpload.----(5)]]>特別選擇的泵結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生泵管道的導(dǎo)電率Gcanal。根據(jù)EOF驅(qū)動(dòng)電壓,泵管道內(nèi)部的電解質(zhì)將傳送電流Iq。對(duì)于EOF泵的設(shè)計(jì)考慮因素包括散熱,因?yàn)楸么嬖诠β屎纳ⅰ6?,也?yīng)當(dāng)考慮電極的位置和設(shè)計(jì)。在電生理學(xué)裝置中,電極材料自然選擇AgCl,因此,還應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)泵工作時(shí)該電極的消耗量。以單位時(shí)間容積為單位表示的、電極材料的消耗率由下面的等式給出ΔVΔt=IqmAgCleNAρAgCl,----(6)]]>其中,mAgCl=143.321g/mol和ρAgCl=5.589g/cm是AgCl的分子質(zhì)量和質(zhì)量密度,而e=1.602×10-19C和N=6.02×1023mol-1是電荷的基本單位和Avogadro常數(shù)。
還提出了代替可消耗電極的可選方案,它涉及提供外部電極,該外部電極通過(guò)具有高電阻的電解質(zhì)橋與腔室連接,以便產(chǎn)生流體動(dòng)力流。這可以是薄管道,類似于提供EOF泵送的管道,但是表面具有低密度的帶電部位(低ζ電勢(shì)),或者表面具有與EOF泵送管道相反極性的電荷。在后一種情況中,通向相反電極的低流導(dǎo)管道有助于EOF泵送。大部分壁材料(例如玻璃或二氧化硅)在與中性pH值溶液接觸時(shí)將帶負(fù)電荷。不過(guò),也可以識(shí)別帶正電荷的材料。基于氧化鋁的陶瓷也合適,特別是當(dāng)溶液在中性的低pH值側(cè)時(shí)。也可選擇,聚合物或凝膠材料(例如瓊脂糖、聚丙烯酰胺、Nafion、醋酸纖維或其它透析膜型材料)可以產(chǎn)生具有高電阻的橋,以便形成流體動(dòng)力流。優(yōu)選是,應(yīng)當(dāng)有低表面電荷密度或與EOF泵送管道的極性相反的極性。
圖2A和B表示了本發(fā)明的篩網(wǎng)EOF泵的優(yōu)選實(shí)施例。所示實(shí)施例用于電生理學(xué)測(cè)量系統(tǒng),該電生理學(xué)測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生用于定位細(xì)胞的流動(dòng)。圖2A表示了裝置的側(cè)視圖,而圖2B表示了俯視圖。殼體10裝有微結(jié)構(gòu)單元14,該微結(jié)構(gòu)單元14有在它的頂表面上的薄膜15。該微結(jié)構(gòu)利用密封膠19固定在殼體中。該膜具有包括二氧化硅或玻璃的表面。一組尺寸小于一微米的孔16透過(guò)在微結(jié)構(gòu)中心的自由標(biāo)準(zhǔn)膜。當(dāng)在電極4和6之間引起電離子流時(shí),在緊靠近孔處產(chǎn)生泵送作用。箭頭表示液體流通路。
在本發(fā)明的EOF泵設(shè)計(jì)中,泵的流動(dòng)管道確定為在膜中的一組N個(gè)小孔。通過(guò)流過(guò)與液體形成ζ電勢(shì)的多孔材料,也可以獲得類似操作。該泵可以通過(guò)在氮化硅膜中蝕刻多個(gè)平行孔而制造。為了計(jì)算該泵結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù),人們必須依靠實(shí)驗(yàn)確定單個(gè)通道的流導(dǎo)Kpassage以及考慮有效管道長(zhǎng)度的幾何因素Fgeometry。當(dāng)孔的直徑d與膜厚度tm相當(dāng)時(shí),有效管道應(yīng)當(dāng)比實(shí)際膜厚度稍微更長(zhǎng)。當(dāng)空間非常小且需要緊湊的泵時(shí),篩網(wǎng)幾何形狀特別合適。下面列出關(guān)鍵參數(shù)。
下面給出對(duì)于實(shí)際選擇的泵尺寸的關(guān)鍵參數(shù)。用于電生理學(xué)裝置中的微流體的合適泵尺寸是tm=1μm,d=1μm,N=10,且Fgeometry=2。該計(jì)算結(jié)果基于電生理學(xué)裝置相關(guān)狀況,其中,所用液體是生理緩沖溶液。不過(guò),對(duì)于大部分情況,表示與150mM NaCl溶液相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。要求的導(dǎo)電率為σ=0.014Scm-1,而粘度η=8.94×10-4kg m-1s-1。該計(jì)算基于驅(qū)動(dòng)電壓U=100V,ζ電勢(shì)的保守選擇為ζ=15mV。對(duì)于多個(gè)孔徑,通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定細(xì)胞接收器通道(它是EOF泵的最重要負(fù)載)的流導(dǎo)(見(jiàn)圖3)。
在計(jì)算結(jié)果中,認(rèn)為流動(dòng)傳導(dǎo)性Kpassage=3pls-1m bar-1近似對(duì)應(yīng)于1μm直徑的孔。
本發(fā)明的EOF泵設(shè)計(jì)可以通過(guò)形成包含一組孔的蝕刻Si膜來(lái)制造。該膜可以安裝在層疊聚合物保持器上。該保持器將確定用于使該膜與管道和流體儲(chǔ)存器連接的部分,它們都使用在多種材料(例如硅或SU-8光環(huán)氧樹(shù)脂)中公知的蝕刻和光刻技術(shù)來(lái)形成。該結(jié)構(gòu)適于集成在用于添加流體的吸液管壁中。
圖2A和B中所示的優(yōu)選實(shí)施例可以用于電生理學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中,用于產(chǎn)生和控制流動(dòng)。該流動(dòng)用于將細(xì)胞定位在合適的測(cè)量結(jié)構(gòu)中。下面將介紹關(guān)于本發(fā)明的EOF泵以及很多其它用途的多種觀點(diǎn)。
首先需要處理是在操作之前根據(jù)需要用液體充滿所述裝置。電滲驅(qū)動(dòng)力需要使兩個(gè)電極在獲得流動(dòng)之前都浸沒(méi)在液體中。所提出的不同EOF泵結(jié)構(gòu)可能在不同程度上通過(guò)在狹窄流動(dòng)管道中的毛細(xì)作用力自發(fā)充裝。不過(guò),它也可以不能只通過(guò)毛細(xì)作用力來(lái)充裝包含兩個(gè)電極的整個(gè)泵腔室??紤]到AgCl電極的消耗速率,沉積在玻璃板之間的薄膜電極不可能承受裝置的整個(gè)工作循環(huán)。用于篩網(wǎng)結(jié)構(gòu),這種情況甚至可能更糟。盡管所述裝置考慮為一次性的,但是優(yōu)選是使用大量電極。解決該問(wèn)題的可行方案可以是將薄膜電極充分定位成只能充裝包含大量電極的泵腔室。該大量電極可以在充裝步驟之后進(jìn)行驗(yàn)收。另一可能方案是通過(guò)氣體壓力驅(qū)動(dòng)器來(lái)充裝整個(gè)裝置,在合適工作之前,該氣體壓力驅(qū)動(dòng)器施加在泵和吸液孔上。即使對(duì)于具有很多平行測(cè)量部位的裝置,通過(guò)將氣體壓力同時(shí)施加在所有部位來(lái)將液體吸到所有部位上并進(jìn)行充裝,從而使充裝也很容易地對(duì)于所用部位平行進(jìn)行。
在一種可能的細(xì)胞定位處理中,在具有通道的膜的前側(cè)和后側(cè)的流動(dòng)管道包含在裝置中。前側(cè)是指裝載細(xì)胞的一側(cè),且用于電滲測(cè)量的外部細(xì)胞參考電極布置在該側(cè),而后側(cè)是指施加吸力以便將細(xì)胞吸到通道開(kāi)口上的一側(cè),且內(nèi)部細(xì)胞電極布置在該側(cè)。前側(cè)流動(dòng)管道經(jīng)過(guò)該通道,并在一端與泵(EOF泵或具有類似性能的其它任何泵)連接,且在另一端與吸液井連接。前側(cè)流動(dòng)管道的容積應(yīng)當(dāng)足夠低,以便保證一旦細(xì)胞進(jìn)入管道,由后側(cè)泵保持的、通向通道的流動(dòng)能夠在短時(shí)間內(nèi)將細(xì)胞拖曳到通道位置,從而形成千兆(giga)密封。狹窄的前側(cè)流動(dòng)管道能夠利用與庫(kù)耳特(Coulter)顆粒計(jì)數(shù)器相同的原理來(lái)檢測(cè)通過(guò)管道的細(xì)胞。檢測(cè)可以通過(guò)用兩個(gè)電極對(duì)管道電阻進(jìn)行電測(cè)量而實(shí)現(xiàn),每個(gè)電極在管道的一端。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入流動(dòng)管道時(shí),它排出一定容積的緩沖溶液,因此它不利于傳導(dǎo)性。因此,電阻的相對(duì)變化由細(xì)胞容積與管道容積的比例而給出。此外,還預(yù)計(jì)擴(kuò)散電阻的作用。不過(guò),當(dāng)細(xì)胞的橫截面積與流動(dòng)管道的橫截面積相比很小時(shí),該擴(kuò)散電阻也很小。管道電阻的變化通過(guò)下面的等式計(jì)算ΔR=RcVcellVcFs,----(7)]]>其中,Vcells和Vc分別是細(xì)胞和管道的容積。Rc是管道的電阻,而Fs是考慮與管道內(nèi)部的細(xì)胞相關(guān)的擴(kuò)散電阻的幾何因素。Fs是稍微大于1的數(shù),取決于細(xì)胞和流動(dòng)管道的相對(duì)橫截面積。不過(guò),當(dāng)管道寬度與細(xì)胞尺寸相當(dāng)時(shí),幾何因素可能相當(dāng)大,對(duì)應(yīng)于當(dāng)擴(kuò)散電阻支配緩沖容積交換效果時(shí)的情況。后側(cè)流動(dòng)管道不需要非常窄,且應(yīng)當(dāng)在一端裝備有一個(gè)泵孔,并在另一端直接與通道連接,或者也可選擇裝備有兩個(gè)泵孔,每個(gè)泵孔在一端,同時(shí)通道布置在管道的中部。當(dāng)在裝置的工作過(guò)程中希望更換內(nèi)部細(xì)胞緩沖劑時(shí),可以選擇使兩個(gè)泵孔轉(zhuǎn)換??梢圆捎媒y(tǒng)計(jì)學(xué)方法,以便估計(jì)在裝入與前側(cè)流動(dòng)管道相連的吸液壁中的細(xì)胞以某一概率經(jīng)過(guò)管道之前的所需等候時(shí)間。該概率將主要取決于細(xì)胞在懸浮液中的濃度Cc、在前側(cè)流動(dòng)管道中的平均流動(dòng)速度uc以及流動(dòng)管道的橫截面積Af。在時(shí)間t中經(jīng)過(guò)管道的細(xì)胞平均數(shù)可以由下面的等式得出
β(t)=CcAfuct.(8)在時(shí)間t中至少一個(gè)細(xì)胞經(jīng)過(guò)的概率p(t)由泊松(Poisson)分布給出p(t)=Σn=1∞β(t)nexp(-β(t))n!----(9)]]>為了演示該定位方案,人們可以簡(jiǎn)化計(jì)算假設(shè)前側(cè)流動(dòng)管道的圓形橫截面半徑rc=25μm,長(zhǎng)度Lc=0.25mm。該流動(dòng)管道的容積和流動(dòng)傳導(dǎo)性分別由Vc=0.5nl和Kc=πrc4/8ηLc=69nl s-1m bar-1。壓力驅(qū)動(dòng)Poiseuille流的平均流速將為35mm s-1每mbar的驅(qū)動(dòng)壓差。對(duì)于普通細(xì)胞半徑rcell=6μm,通過(guò)等式7給出的電阻變化為偏離總管道電阻90.9kΩ大約177Ω,即相對(duì)變化為0.19%。其中,考慮到擴(kuò)散電阻,假定幾何因素為1.06。在前側(cè)驅(qū)動(dòng)壓差只有1mbar的情況下,平均在2秒內(nèi)4.1個(gè)細(xì)胞將經(jīng)過(guò)管道,且至少一個(gè)細(xì)胞經(jīng)過(guò)的概率為98.4%。該定位方案取決于當(dāng)細(xì)胞一進(jìn)入管道就使前側(cè)流停止的能力。這需要快速電子元件,避免該需要的方法是向前側(cè)流動(dòng)管道連續(xù)施加小壓力脈沖,直到通過(guò)Coulter計(jì)數(shù)器原理檢測(cè)到在管道內(nèi)部存在細(xì)胞。考慮到前側(cè)流動(dòng)管道的微小容積,安裝在流動(dòng)管道后側(cè)的、任意類型的所述EOF泵都將可以在不到一秒的時(shí)間內(nèi)將細(xì)胞吸入通道上的位置處。Coulter計(jì)數(shù)器的細(xì)胞檢測(cè)電子元件可以制成為類型與離子槽道響應(yīng)的電生理學(xué)測(cè)量中所需相同。
本發(fā)明的篩網(wǎng)EOF泵基于通用設(shè)計(jì),并能夠用于多種小型系統(tǒng)和裝置,例如芯片、微系統(tǒng)、微機(jī)器、微結(jié)構(gòu)、微流體系統(tǒng)等。上述電生理學(xué)測(cè)量系統(tǒng)只是特別表示的實(shí)例,并不是限定本發(fā)明的范圍或可使用的范圍。
權(quán)利要求
1.一種電滲流泵,用于產(chǎn)生離子溶液從管道的進(jìn)口至出口的流動(dòng),該電滲流泵包括殼體,該殼體有管道,用于保持離子溶液;膜,該膜將管道分成與進(jìn)口接觸的第一部分以及與出口接觸的第二部分,該膜包括多個(gè)孔,該孔具有內(nèi)表面部分,該內(nèi)表面部分在130-160mM的、pH值為7-7.5的鹽水溶液中的ζ電勢(shì)為ζ>10mVζ>10mV;一個(gè)或多個(gè)第一電極,該第一電極與保持在管道的第一部分中的離子溶液進(jìn)行電接觸;一個(gè)或多個(gè)第二電極,該第二電極與保持在管道的第二部分中的離子溶液進(jìn)行電接觸;以及用于在第一和第二電極之間施加電勢(shì)差的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電滲流泵,其中膜的厚度在0.1-2μm的區(qū)間內(nèi)。
3.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的電滲流泵,其中在膜中的孔的數(shù)目在5-500的區(qū)間內(nèi)。
4.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的電滲流泵,其中孔的內(nèi)徑在0.1-5μm的區(qū)間內(nèi)。
5.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的電滲流泵,其中在任意孔和它的最靠近孔之間的平均距離在2-100μm的區(qū)間內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在管道、引導(dǎo)件、管或等效物中的溶液內(nèi)產(chǎn)生電滲流(EOF)的泵。電滲流通過(guò)施加電場(chǎng)而產(chǎn)生,該電場(chǎng)穿過(guò)由絕緣壁確定的管道中的溶液。該現(xiàn)象取決于在表面的離子化部位,因此,為了電中性,在溶液中有過(guò)量活動(dòng)電荷。電場(chǎng)作用在溶液中的過(guò)量電荷上,從而使流體流動(dòng)。在溶液中的過(guò)量電荷的量和分布取決于溶液和表面材料,并涉及參數(shù)ζ電勢(shì),該ζ電勢(shì)的特征是材料/溶液的組合。
文檔編號(hào)F04B17/00GK1585667SQ02822702
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2002年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月2日
發(fā)明者約納坦·庫(kù)特欽斯基, 拉斐爾·塔波里斯基, 莫滕·比奇 申請(qǐng)人:索菲昂生物科學(xué)有限公司