基于單電動機驅(qū)動的微流控芯片及其控制系統(tǒng)的設計

石進水

（山東交通職業(yè)學院 機電工程系，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，可以廣泛地應用于生物、醫(yī)學、化工等技術(shù)領域。在現(xiàn)有技術(shù)中，微流控芯片的結(jié)構(gòu)和功能單一，不具備自動檢測、分選等功能，導致應用范圍受限，制約了其發(fā)展，特別是微流驅(qū)動控制系統(tǒng)多采用國外進口設備，缺少自主研發(fā)的微流驅(qū)動系統(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)動和微流檢測等技術(shù)問題，設計的分選系統(tǒng)能夠針對不同檢測物實現(xiàn)自動歸類，設計的液流控制裝置能夠替代現(xiàn)有多個微流驅(qū)動泵，該方案推進了微流控芯片和微流驅(qū)動技術(shù)的研究[1]。

1 微流控芯片的結(jié)構(gòu)設計

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)合進行制作?？刂茖訛椴ＡР牧希琍DMS薄膜層獨立設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)設置有1個主通道，其輸入端連通樣品池，主通道的中部設置有觀測段，主通道的輸出端分別連接3個分選通道，控制層內(nèi)設置有3個用于開、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動，在輸入端和觀測段之間對稱設置有聚焦鞘流組，且包含2個通道，分別為第一鞘流通道和第二鞘流通道，這2個鞘流通道與主通道的夾角設計為72°，且鞘流通道兩側(cè)匯入斜邊與主通道的夾角為16°。這兩個鞘流通道中流體速度設定為8～12 m/s,檢測物在其推動下能夠依次進入觀測段。用戶觀測完成后，為驅(qū)動檢測物繼續(xù)前進，在觀測段和分選通道之間對稱設置有驅(qū)動鞘流組，且包含2個通道，分別為第三鞘流通道和第四鞘流通道，這2個通道中的液體流速設定為6～10 m/s，檢測物在其推動下按照設定進入不同的分選通道，進而進入不同的分選池。

2 分選通道微閥門的設計

在每個分選通道的上方設置了微閥門，微閥門的縮小或膨脹能夠驅(qū)動PDMS薄膜層形變，以實現(xiàn)分選通道的導通或關閉。

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，下層為流體流動通道。該微閥門采用結(jié)構(gòu)簡單的熱膨脹方式驅(qū)動，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熱控微閥的關閉結(jié)構(gòu)示意圖

3 液流控制裝置結(jié)構(gòu)設計

設計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 液流控制裝置傳動組結(jié)構(gòu)示意圖

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

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，樣品進液管和樣品出液管分別連通樣品腔，樣品進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。樣品齒條設置在樣品推桿上，樣品齒條由傳動組驅(qū)動。

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，第一鞘流進液管和第一鞘流出液管分別連通第一鞘流腔，第一鞘流進液管連通鞘液池，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，第一鞘流齒條設置在第一鞘流推桿上，第一鞘流齒條由傳動組驅(qū)動。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。

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

工作時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩通過電動機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樣品推桿移動，實現(xiàn)樣品柱塞泵工作；鞘流減速齒輪帶動同軸設置的第一鞘流傳動錐輪和第二鞘流傳動錐輪，如果第一鞘離合錐輪和第二鞘離合錐輪沒有介入傳動組，第一鞘流傳動錐輪和第二鞘流傳動錐輪在空轉(zhuǎn)，當?shù)谝磺孰x合錐輪或第二鞘離合錐輪介入傳動組時，對應的第一鞘流驅(qū)動錐輪或第二鞘流驅(qū)動錐輪開始工作，以驅(qū)動對應的齒輪齒條工作。

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

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個分選通道分別連通3個分選池，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)動鞘流通道通過軟管連通第二鞘流柱塞泵44（如圖5），3個微閥門內(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樣品池中的檢測物（可以是細胞、蛋白質(zhì)、化工微物質(zhì)、帶熒光標記的化學物質(zhì)等）進入主通道，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、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)動鞘流組以8～12 m/s的液體流速開始工作。同時，對應的微閥門處于未加熱狀態(tài)且閥腔未膨脹，使對應的分選通道打開；另外2個微閥門的加熱片5加熱，使其對應通道關閉。分選觀測裝置采集驅(qū)動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)動鞘流組的推動下進入確定的分選通道，分選觀測裝置確定檢測物通過對應的微閥門后，微閥門的加熱片開始工作，閥腔開始膨脹并關閉對應閥門，通過微閥門后的檢測物在間隙微流的推動下進入確定的分選池。間隙微流是由微閥門和分選通道之間的間隙產(chǎn)生的，在設計時，微閥門即使完全膨脹，也會在微閥門和對應分選通道之間留一部分間隙，以便產(chǎn)生間隙微流并推動檢測物落入分選池。

步驟6：循環(huán)執(zhí)行步驟2～步驟5。整個控制過程既可以基于人工操作，也可以結(jié)合計算機編程實現(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現(xiàn)計算機自動化控制。

5 本文設計的創(chuàng)新點

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計，鞘流通道與主通道存在一定的夾角，同時，鞘流通道匯入主通道時存在一個緩沖斜邊，鞘流通道的過渡處均為圓角過渡，這種設計方案能在低聚焦流速情況下，實現(xiàn)微流控芯片的高效聚焦和快速篩選。實驗驗證，聚焦鞘流組中的液體流速僅為8～12 m/s，可實現(xiàn)較好的聚焦效果。

2）該微流控芯片包含有3個分選通道及對應的微閥門，通過控制不同的微閥門關閉或打開，可實現(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)和計算機分析系統(tǒng)相結(jié)合，通過分析檢測物的圖像和視頻，可實現(xiàn)自動分析和分選。

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，不再需要氣泵和氣路，能夠減小芯片的體積，同時只需要控制通電時間和通電電壓即可實現(xiàn)閥門的開關，有效降低了閥門控制難度。根據(jù)試驗結(jié)果，在10～20 V電壓的驅(qū)動下，該閥門的開關延遲時間只有1.5 s左右。

4）單馬達時序驅(qū)動三泵的驅(qū)動機構(gòu)。樣品柱塞泵、第一鞘流柱塞泵和第二鞘流柱塞泵工作時間不同，該驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)了1個電動機整體驅(qū)動3個泵體按時序工作。因此，控制系統(tǒng)不僅能實現(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驅(qū)動，在不同時段實現(xiàn)聚焦鞘流組或驅(qū)動鞘流組工作。

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)動和微流檢測等技術(shù)問題，設計的分選系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同檢測物的自動歸類，設計的液流控制裝置能夠替代現(xiàn)有的多個微流驅(qū)動泵，該方案可推進微流控芯片和微流驅(qū)動技術(shù)的研究。