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基于單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的微流控芯片及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2023-12-29 09:07:50石進(jìn)水
機(jī)械工程師 2023年12期
關(guān)鍵詞:微流柱塞泵閥門

石進(jìn)水

(山東交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系,山東 濰坊 261206)

0 引言

微流控是一種精確控制和操控微尺度流體技術(shù)。微流控檢測芯片具有樣品消耗少、檢測速度快、操作簡便、多功能集成、體積小和便于攜帶等優(yōu)點(diǎn),可以廣泛地應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化工等技術(shù)領(lǐng)域。在現(xiàn)有技術(shù)中,微流控芯片的結(jié)構(gòu)和功能單一,不具備自動(dòng)檢測、分選等功能,導(dǎo)致應(yīng)用范圍受限,制約了其發(fā)展,特別是微流驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)多采用國外進(jìn)口設(shè)備,缺少自主研發(fā)的微流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。因此,本文提出了一種微流控系統(tǒng),以解決微流聚焦、微流驅(qū)動(dòng)和微流檢測等技術(shù)問題,設(shè)計(jì)的分選系統(tǒng)能夠針對不同檢測物實(shí)現(xiàn)自動(dòng)歸類,設(shè)計(jì)的液流控制裝置能夠替代現(xiàn)有多個(gè)微流驅(qū)動(dòng)泵,該方案推進(jìn)了微流控芯片和微流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究[1]。

1 微流控芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該微流控芯片如圖1所示,包括控制層、PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜層、流體通道層和玻璃基底等4層,并通過現(xiàn)有玻璃雕刻技術(shù)與聚合物轉(zhuǎn)移粘合技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行制作??刂茖訛椴AР牧?,PDMS薄膜層獨(dú)立設(shè)置在控制層與玻璃基底之間,流體通道層與玻璃基底層融為一體,流體通道層就是玻璃基底的刻槽[2]。

圖1 微流控芯片結(jié)構(gòu)圖

流體通道層內(nèi)設(shè)置有1個(gè)主通道,其輸入端連通樣品池,主通道的中部設(shè)置有觀測段,主通道的輸出端分別連接3個(gè)分選通道,控制層內(nèi)設(shè)置有3個(gè)用于開、閉流體通道的熱膨脹微閥門。

為了控制檢測物單行排列和運(yùn)動(dòng),在輸入端和觀測段之間對稱設(shè)置有聚焦鞘流組,且包含2個(gè)通道,分別為第一鞘流通道和第二鞘流通道,這2個(gè)鞘流通道與主通道的夾角設(shè)計(jì)為72°,且鞘流通道兩側(cè)匯入斜邊與主通道的夾角為16°。這兩個(gè)鞘流通道中流體速度設(shè)定為8~12 m/s,檢測物在其推動(dòng)下能夠依次進(jìn)入觀測段。用戶觀測完成后,為驅(qū)動(dòng)檢測物繼續(xù)前進(jìn),在觀測段和分選通道之間對稱設(shè)置有驅(qū)動(dòng)鞘流組,且包含2個(gè)通道,分別為第三鞘流通道和第四鞘流通道,這2個(gè)通道中的液體流速設(shè)定為6~10 m/s,檢測物在其推動(dòng)下按照設(shè)定進(jìn)入不同的分選通道,進(jìn)而進(jìn)入不同的分選池。

2 分選通道微閥門的設(shè)計(jì)

在每個(gè)分選通道的上方設(shè)置了微閥門,微閥門的縮小或膨脹能夠驅(qū)動(dòng)PDMS薄膜層形變,以實(shí)現(xiàn)分選通道的導(dǎo)通或關(guān)閉。

該薄膜微閥結(jié)構(gòu)是一種常用的微閥門,采用聚二甲基硅氧烷制作,具體分上、中、下3層結(jié)構(gòu):上層為控制層,中層為PDMS薄膜層,下層為流體流動(dòng)通道。該微閥門采用結(jié)構(gòu)簡單的熱膨脹方式驅(qū)動(dòng),通過對置于腔體內(nèi)部的加熱器加熱,使封閉的腔體膨脹,從而產(chǎn)生PDMS薄膜的彎曲形變,進(jìn)而堵塞通道,完成圖2中分選通道的通斷控制。其中加熱器為金屬加熱片,用金屬鉑制成,采用相互盤繞且非交錯(cuò)的雙螺旋曲線型結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可有效提升閥門的反應(yīng)速度。圖3所示為微閥門打開分選通道狀態(tài),圖4所示為微閥門關(guān)閉分選通道狀態(tài)[3]。

圖2 微流控芯片的流體通道層結(jié)構(gòu)圖

圖3 PDMS熱控微閥的打開結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 PDMS熱控微閥的關(guān)閉結(jié)構(gòu)示意圖

3 液流控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的液流控制裝置如圖5、圖6所示,包括箱體、樣品柱塞泵、第一鞘流柱塞泵、第二鞘流柱塞泵和傳動(dòng)組等組成[4-6]。

圖5 液流控制裝置柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 液流控制裝置傳動(dòng)組結(jié)構(gòu)示意圖

箱體內(nèi)部設(shè)置有電源及控制板、電動(dòng)機(jī)、安裝電動(dòng)機(jī)用的固定座、多個(gè)固定軸承座、2組滑動(dòng)軸承座、安裝滑動(dòng)軸承座用的滑槽,以及驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)軸承座運(yùn)動(dòng)的電磁鐵和復(fù)位彈簧。電源及控制板可以直接與PLC、單片機(jī)等上位機(jī)連接,也可以通過外部按鈕接收用戶手動(dòng)控制,其作用是:一方面為電動(dòng)機(jī)供電,另一方面用于控制電磁鐵和復(fù)位彈簧,使滑動(dòng)軸承座在滑槽內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)。在電磁鐵未通電時(shí),復(fù)位彈簧(壓簧)驅(qū)動(dòng)第一鞘離合錐輪或第二鞘離合錐輪遠(yuǎn)離傳動(dòng)錐輪組,當(dāng)電磁鐵通電時(shí),電磁鐵產(chǎn)生的磁場與設(shè)置在滑動(dòng)軸承座的永磁鐵磁場相同,產(chǎn)生斥力,推動(dòng)第一鞘離合錐輪或第二鞘離合錐輪嚙合傳動(dòng)錐輪組。

樣品柱塞泵包括樣品管、樣品推桿、樣品塞頭、樣品齒條、樣品進(jìn)液管和樣品出液管。樣品管用于容放樣品。樣品推桿的一端可移動(dòng)且安裝在箱體上,另一端安裝在樣品管內(nèi),樣品塞頭用于密封樣品管且安裝在樣品推桿的另一端。樣品塞頭和樣品管內(nèi)壁形成樣品腔,樣品進(jìn)液管和樣品出液管分別連通樣品腔,樣品進(jìn)液管通過軟管連通樣品池,樣品出液管通過軟管連通主通道。樣品齒條設(shè)置在樣品推桿上,樣品齒條由傳動(dòng)組驅(qū)動(dòng)。

第一鞘流柱塞泵包括第一鞘流管、推桿、第一鞘流塞頭、第一鞘流齒條、第一鞘流進(jìn)液管和第一鞘流出液管。第一鞘流管用于容放鞘流液,第一鞘流推桿的一端可移動(dòng)且安裝在箱體上,第一鞘流推桿的另一端安裝在第一鞘流管內(nèi),第一鞘流塞頭用于密封第一鞘流管且安裝在第一鞘流推桿的另一端,第一鞘流塞頭和第一鞘流管內(nèi)壁形成第一鞘流腔,第一鞘流進(jìn)液管和第一鞘流出液管分別連通第一鞘流腔,第一鞘流進(jìn)液管連通鞘液池,第一鞘流出液管通過軟管一分為二,分別連通第一鞘流通道和第二鞘流通道,第一鞘流齒條設(shè)置在第一鞘流推桿上,第一鞘流齒條由傳動(dòng)組驅(qū)動(dòng)。第二鞘流柱塞泵結(jié)構(gòu)與樣品柱塞泵和第一鞘流柱塞泵結(jié)構(gòu)相似。

傳動(dòng)組用于驅(qū)動(dòng)第一鞘流柱塞泵,第二鞘流柱塞泵和樣品柱塞泵工作。如圖6所示,傳動(dòng)組主要包括電動(dòng)機(jī)齒輪、樣品減速齒輪、鞘流減速齒輪、第一(二)鞘流傳動(dòng)錐輪、第一(二)鞘流離合錐輪、第一(二)鞘流驅(qū)動(dòng)錐輪、第一(二)鞘流驅(qū)動(dòng)齒輪等部分。其中,電動(dòng)機(jī)齒輪套設(shè)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上;樣品減速齒輪的一側(cè)嚙合電動(dòng)機(jī)齒輪,另一側(cè)嚙合樣品齒條;鞘流減速齒輪、第一鞘流傳動(dòng)錐輪和第二鞘流傳動(dòng)錐輪同軸布置,鞘流減速齒輪嚙合電動(dòng)機(jī)齒輪,第一鞘流傳動(dòng)錐輪和第二鞘流傳動(dòng)錐輪布置在鞘流減速齒輪的兩側(cè);第一鞘流離合錐輪安裝在滑動(dòng)軸承座上,第一鞘流驅(qū)動(dòng)錐輪安裝在第一鞘離合錐輪一側(cè);通過移動(dòng)滑動(dòng)軸承座能夠?qū)崿F(xiàn)第一鞘流傳動(dòng)錐輪、第一鞘離合錐輪和第一鞘流驅(qū)動(dòng)錐輪之間的嚙合或分離;第一鞘流驅(qū)動(dòng)齒輪與第一鞘流驅(qū)動(dòng)錐輪同軸設(shè)置,第一鞘流驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合第一鞘流齒條。第二鞘流離合錐輪、第二鞘流驅(qū)動(dòng)齒輪的安裝分別與第一鞘離合錐輪、第一鞘流驅(qū)動(dòng)齒輪相似[7-8]。

工作時(shí),電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過電動(dòng)機(jī)齒輪一分為二,一部分傳遞給樣品減速齒輪,另一部分傳遞給鞘流減速齒輪。樣品減速齒輪通過樣品齒條帶動(dòng)樣品推桿移動(dòng),實(shí)現(xiàn)樣品柱塞泵工作;鞘流減速齒輪帶動(dòng)同軸設(shè)置的第一鞘流傳動(dòng)錐輪和第二鞘流傳動(dòng)錐輪,如果第一鞘離合錐輪和第二鞘離合錐輪沒有介入傳動(dòng)組,第一鞘流傳動(dòng)錐輪和第二鞘流傳動(dòng)錐輪在空轉(zhuǎn),當(dāng)?shù)谝磺孰x合錐輪或第二鞘離合錐輪介入傳動(dòng)組時(shí),對應(yīng)的第一鞘流驅(qū)動(dòng)錐輪或第二鞘流驅(qū)動(dòng)錐輪開始工作,以驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的齒輪齒條工作。

因此,只需要控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)及電磁閥的通斷,即可實(shí)現(xiàn)樣品柱塞泵、第一鞘流柱塞泵、第二鞘流柱塞泵的自動(dòng)吸液和推液,從而完成自動(dòng)上液功能。

4 微流控芯片的工作步驟

步驟1:芯片安裝。微流控芯片的主通道輸入端通過樣品柱塞泵42(如圖5)連通樣品池,3個(gè)分選通道分別連通3個(gè)分選池,聚焦鞘流通道通過軟管連接第一鞘流柱塞泵43(如圖5),驅(qū)動(dòng)鞘流通道通過軟管連通第二鞘流柱塞泵44(如圖5),3個(gè)微閥門內(nèi)部的加熱片通過線路連接電源控制器411(如圖6)。

步驟2:檢測物聚焦。聚焦鞘流組通過第一鞘流柱塞泵控制,以8~12 m/s的液體流速開始工作,聚焦鞘流組工作5~10 s后,樣品柱塞泵開始工作并帶動(dòng)樣品池中的檢測物(可以是細(xì)胞、蛋白質(zhì)、化工微物質(zhì)、帶熒光標(biāo)記的化學(xué)物質(zhì)等)進(jìn)入主通道,檢測物在聚焦鞘流組的作用下逐步聚焦成單行排列,直到檢測物進(jìn)入觀測段,聚焦鞘流組停止工作。

步驟3:檢測物分析。聚焦鞘流組停止工作后,檢測物停止在觀測段內(nèi),檢測分析裝置(高清CCD、高清攝像機(jī)、拉曼光譜檢測裝置或熒光檢測裝置)獲取檢測物的物理形態(tài)或光譜信息,并基于這些信息確定檢測物的分類。

步驟4:檢測物分選準(zhǔn)備。檢測分析裝置確定檢測物的分類信息后,聚焦鞘流組以8~12 m/s的液體流速開始工作,驅(qū)動(dòng)鞘流組以8~12 m/s的液體流速開始工作。同時(shí),對應(yīng)的微閥門處于未加熱狀態(tài)且閥腔未膨脹,使對應(yīng)的分選通道打開;另外2個(gè)微閥門的加熱片5加熱,使其對應(yīng)通道關(guān)閉。分選觀測裝置采集驅(qū)動(dòng)鞘流組和微閥門及分選通道的工作狀態(tài),確定正確的分選通道打開。

步驟5:檢測物分選。檢測物在驅(qū)動(dòng)鞘流組的推動(dòng)下進(jìn)入確定的分選通道,分選觀測裝置確定檢測物通過對應(yīng)的微閥門后,微閥門的加熱片開始工作,閥腔開始膨脹并關(guān)閉對應(yīng)閥門,通過微閥門后的檢測物在間隙微流的推動(dòng)下進(jìn)入確定的分選池。間隙微流是由微閥門和分選通道之間的間隙產(chǎn)生的,在設(shè)計(jì)時(shí),微閥門即使完全膨脹,也會(huì)在微閥門和對應(yīng)分選通道之間留一部分間隙,以便產(chǎn)生間隙微流并推動(dòng)檢測物落入分選池。

步驟6:循環(huán)執(zhí)行步驟2~步驟5。整個(gè)控制過程既可以基于人工操作,也可以結(jié)合計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。微閥門、微流泵和柱塞泵的控制均由人工操作,檢測分析裝置和分選觀測裝置的采集放大結(jié)果由人工判斷,也可以與數(shù)據(jù)庫中的檢測物信息對比實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制。

5 本文設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)

1)該微流控芯片的主通道和鞘流通道采用了新穎的聚焦角度和交口設(shè)計(jì),鞘流通道與主通道存在一定的夾角,同時(shí),鞘流通道匯入主通道時(shí)存在一個(gè)緩沖斜邊,鞘流通道的過渡處均為圓角過渡,這種設(shè)計(jì)方案能在低聚焦流速情況下,實(shí)現(xiàn)微流控芯片的高效聚焦和快速篩選。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,聚焦鞘流組中的液體流速僅為8~12 m/s,可實(shí)現(xiàn)較好的聚焦效果。

2)該微流控芯片包含有3個(gè)分選通道及對應(yīng)的微閥門,通過控制不同的微閥門關(guān)閉或打開,可實(shí)現(xiàn)不同檢測物的歸類和分選。如果在觀測段將圖像采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)相結(jié)合,通過分析檢測物的圖像和視頻,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析和分選。

3)分選通道所使用的微閥門為熱膨脹閥門。與氣控閥門相比,不再需要?dú)獗煤蜌饴?,能夠減小芯片的體積,同時(shí)只需要控制通電時(shí)間和通電電壓即可實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān),有效降低了閥門控制難度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,在10~20 V電壓的驅(qū)動(dòng)下,該閥門的開關(guān)延遲時(shí)間只有1.5 s左右。

4)單馬達(dá)時(shí)序驅(qū)動(dòng)三泵的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。樣品柱塞泵、第一鞘流柱塞泵和第二鞘流柱塞泵工作時(shí)間不同,該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了1個(gè)電動(dòng)機(jī)整體驅(qū)動(dòng)3個(gè)泵體按時(shí)序工作。因此,控制系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)樣品柱塞泵、第一鞘流柱塞泵和第二鞘流柱塞泵的不同推動(dòng)速度,也能夠?qū)崿F(xiàn)第一鞘流柱塞泵和第二鞘流柱塞泵的分時(shí)驅(qū)動(dòng),在不同時(shí)段實(shí)現(xiàn)聚焦鞘流組或驅(qū)動(dòng)鞘流組工作。

6 結(jié)語

本文提出的微流控系統(tǒng)解決了微流聚焦、微流驅(qū)動(dòng)和微流檢測等技術(shù)問題,設(shè)計(jì)的分選系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同檢測物的自動(dòng)歸類,設(shè)計(jì)的液流控制裝置能夠替代現(xiàn)有的多個(gè)微流驅(qū)動(dòng)泵,該方案可推進(jìn)微流控芯片和微流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究。

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