TWI798851B - 微流道升降閥門裝置 - Google Patents
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Abstract
一種微流道升降閥門裝置，包括基質材料層、液體吸附材料層以及控制閥門。基質材料層具有流體通道。液體吸附材料層配置於基質材料層上。當控制閥門未與液體吸附材料層接觸時，流體在流體通道內流動。當控制閥門朝向液體吸附材料層下降且擠壓施力於部分液體吸附材料層時，液體吸附材料層受到施力擠壓產生部分變形及孔隙度大小改變，以控制流體通道中流體的流速。當控制閥門下降至液體吸附材料層的底部時，流體通道中流體無法通過。
Description
本發明是有關於一種微流道裝置，且特別是有關於一種微流道升降閥門裝置。
微流道裝置是生命科學、化學科學與資訊科學信號檢測和處理方法研究的重要技術平台。在此技術領域中，通常需要精確有效地控制反應物、樣品及試劑等流體在微流道裝置中的流動及混合，微流道中流體流速及流通與否的控制閥門成為了此項技術的關鍵所在。在現有技術中，習知的微流道閥門可分為主動式及被動式的閥門。主動式的閥門包括使用記憶金屬、磁力驅動或磁石、氣動式薄膜或利用紙張摺疊及部分紙張開合作為閥門。至於被動式的閥門方面，由於無需致動的部份便能發揮作用，因此，提供了另一種有效控制流體的方式，此類型閥門包括毛細閥、高分子單向閥或疏水閥等。現今在紙張上控制液體流速的方式多為紙張表面改質、添加高黏性流體以改變黏性、或高分子溶解閥及熱響應式水膠等化學方式。
基於上述，發展出一種結合微流道的主動控制優勢以及紙基的易取得及低成本優點之微流道裝置，為目前所需研究的重要課題。
本發明提供一種微流道升降閥門裝置，利用閥門尖端施加壓力（因為接觸面積小）擠壓施力於紙質基材或其他可吸附液體的基材，透過改變紙質基材或其他可吸附液體的基材上孔隙度大小藉以達到流速改變。
本發明的微流道升降閥門裝置包括基質材料層、液體吸附材料層以及控制閥門。基質材料層具有流體通道。液體吸附材料層配置於基質材料層上。當控制閥門未與液體吸附材料層接觸時，流體在流體通道內流動。當控制閥門朝向液體吸附材料層下降且施力於擠壓部分液體吸附材料層時，液體吸附材料層受到施力擠壓產生部分變形及孔隙度大小改變，以控制流體通道中流體的流速。當控制閥門下降至液體吸附材料層的底部時，流體通道中流體無法通過。
在本發明的一實施例中，微流道升降閥門裝置更包括緩衝層，配置於基質材料層與液體吸附材料層之間。
在本發明的一實施例中，緩衝層的材料包括聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）、聚酯纖維、聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯（SEBS）或熱塑性聚胺酯（TPU）。
在本發明的一實施例中，基質材料層包括硬質材料，硬質材料包括金屬、玻璃、矽晶圓或高分子材料。
在本發明的一實施例中，利用升降裝置調控控制閥門的上升與下降。
在本發明的一實施例中，升降裝置包括馬達、旋鈕或按壓式裝置。
在本發明的一實施例中，利用機械加工製程或化學加工製程在基質材料層中形成流體通道。
在本發明的一實施例中，機械加工製程包括車床洗削。
在本發明的一實施例中，化學加工製程包括光罩蝕刻。
在本發明的一實施例中，控制閥門的材料包括硬質材料、熱塑性材料或熱固性材料。
在本發明的一實施例中，液體吸附材料層的材料包括紙質基材、多孔性纖維基材或氣凝膠。
基於上述，本發明的微流道升降閥門裝置包括基質材料層、液體吸附材料層以及控制閥門。液體吸附材料層具有易取得、低成本、具生物相容性及毛細現象的優點，不須任何外在壓力介入，即可使流體流動。基質材料層則可由硬質材料構成，存在易加工特性，透過在基質材料層上形成流體通道，控制流體流動方向並使流體集中於液體吸附材料層上。本發明的微流道升降閥門裝置也可應用於即時定量聚合酶連鎖反應（quantitative real-time PCR，qPCR）或FET等技術領域。
下文列舉實施例並配合所附圖式來進行詳細地說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為了方便理解，下述說明中相同的元件將以相同之符號標示來說明。.
圖1至圖3是依照本發明的一實施例的一種微流道升降閥門裝置的局部操作示意圖。
請先參照圖1至圖3，本實施例的微流道升降閥門裝置包括基質材料層10、液體吸附材料層20以及控制閥門30（Control gate）。基質材料層10具有流體通道（未繪示），可利用機械加工製程或化學加工製程在基質材料層10中形成流體通道，以確保所有液體樣品吸附在液體吸附材料層20上，機械加工製程可包括車床洗削，化學加工製程可包括光罩蝕刻，較佳例如是以8000 rpm（旋轉速度）和每秒5mm（供給速率）研磨洗削，但本發明並不以此為限。液體吸附材料層20配置於基質材料層10上。更詳細而言，基質材料層10可包括硬質材料，硬質材料可包括金屬、玻璃、矽晶圓或高分子材料，較佳例如是熱塑性材料（PMMA），具有高透光度、高強度、低成本、耐化學藥劑且容易加工等特性，但本發明並不以此為限。控制閥門30的材料可包括硬質材料、熱塑性材料或熱固性材料。熱塑性材料可包括聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚對苯二甲酸二丁酯（PBT）、聚醯胺（PA）、聚縮醛（POM）、改質聚氧化二甲基苯（m-PPE）或聚乙烯對苯二甲酸酯（PET），成型方式可包括射出成型、押出成型或吹製成型，但本發明並不以此為限。熱固性材料可包括酚甲醛樹脂、尿素樹脂、環氧樹脂、矽氧樹脂、三聚氰銨或不飽合樹脂，成型方式可包括壓縮成型、轉注成形或澆鑄成形，但本發明並不以此為限。液體吸附材料層20的材料則可包括紙質基材，亦可使用多孔性纖維基材、氣凝膠或其他可吸附液體的材料。氣凝膠（Aerogel）常使用金屬烷氧化物為前驅物，經水解和縮合後製作濕凝膠後，再經過超臨界乾燥或常壓乾燥將濕凝膠中的溶劑去除，得到奈米級網狀多孔結構。然而，本發明並不以此為限。透過使用紙質基材或其他可吸附液體的材料，即可通過毛細作用吸收流體，無需外部泵或電源。
請參照圖1至圖3，本發明的微流道升降閥門裝置可以是存在封閉空間的封閉式裝置。更詳細而言，可在液體吸附材料層20以及控制閥門30上額外配置一層上蓋層（未繪示），將液體吸附材料層20以及控制閥門30配置於基質材料層10以及上蓋層之間。上蓋層可包括硬質材料，硬質材料可包括金屬、玻璃、矽晶圓或高分子材料，較佳例如是熱塑性材料（PMMA），但本發明並不以此為限。透過將基質材料層10以及上蓋層鎖上螺絲後，即可形成存在封閉空間的封閉式裝置，以減少汙染。
請先參照圖1，當控制閥門30未與液體吸附材料層20接觸時，流體在流體通道內流動（Open mode），如圖1中的箭頭方向所示。請參照圖2，當控制閥門30朝向液體吸附材料層20下降且施力於部分液體吸附材料層20時，液體吸附材料層20受到施力產生部分變形，根據變形量的大小，以控制流體通道中流體的流速（Control mode），如圖2中的箭頭方向所示。控制閥門30可用不同角度施力擠壓於液體吸附材料層20，再施力擠壓至流體通道，以達到減緩流速的效果。在本實施例中，例如是透過控制閥門30由上往下施力，但本發明並不以此為限，控制閥門30亦可由其他方向施力。此時，控制閥門30可朝向液體吸附材料層20繼續下降，或遠離液體吸附材料層20上升。當控制閥門30遠離液體吸附材料層20上升時，可使液體吸附材料層20恢復原狀，並逐漸減緩對流體通道中流體的流速控制。相對地，如圖3所示，當控制閥門30下降至液體吸附材料層20的底部時，流體通道中流體無法通過，以達到閥門關閉的效果（Close mode），如圖3中的箭頭方向及叉號所示。
在本實施例中，主要可利用升降裝置（未繪示）調控控制閥門30的上升與下降。升降裝置可包括（步進）馬達、旋鈕或按壓式裝置，但本發明並不以此為限。此外，控制閥門30的形狀例如可以是片狀、圓形或圓柱型，但本發明並不以此為限，控制閥門30的形狀可採用任何其他能對流體通道進行施力的結構設計。控制閥門30作為主動控制閥來減緩液體流速，而液體吸附材料層20的孔隙率則用以調節流體的速度並增加延遲時間，當應用於核酸研究時，可優化核酸吸收的操作時間。更詳細而言，控制閥門30施力擠壓於液體吸附材料層20，液體吸附材料層20的孔隙度因此被壓縮，藉以調控液體通過體積以及流速，可改變液體吸附材料層20的孔隙度大小以將液體流速減緩達到增加液體停留於特定區域的延遲時間。此外，更可因應不同研究應用需求，在液體吸附材料層20上改質抗體以純化外泌體，在液體吸附材料層20上化學改質二氧化矽以吸附裂解外泌體後微小核糖核酸。
圖4是依照本發明的另一實施例的一種微流道升降閥門裝置的局部操作示意圖。圖4所示的實施例相似於圖1至圖3所示的實施例，故相同元件以相同標號表示且在此不予贅述。
請參照圖4，本實施例與上述實施例不同之處在於，本實施例的微流道升降閥門裝置，更包括緩衝層40，配置於基質材料層10與液體吸附材料層20之間。控制閥門30可用不同角度施力於液體吸附材料層20，再施力至緩衝層40及流體通道，以達到減緩流速的效果。更詳細而言，控制閥門30作為主動控制閥來減緩液體流速，而液體吸附材料層20的孔隙率則用以調節流體的速度並增加延遲時間，當應用於核酸研究時，可優化核酸吸收的操作時間。更詳細而言，控制閥門30施力擠壓於液體吸附材料層20，液體吸附材料層20的孔隙度因此被壓縮，藉以調控液體通過體積以及流速，可改變液體吸附材料層20的孔隙度大小以將液體流速減緩達到增加液體停留於特定區域的延遲時間。此外，更可因應不同研究應用需求，在液體吸附材料層20上改質抗體以純化外泌體，在液體吸附材料層20上化學改質二氧化矽以吸附裂解外泌體後微小核糖核酸。
在本實施例中，緩衝層40的材料可包括聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）、聚酯纖維、聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯（SEBS）或熱塑性聚胺酯（TPU），較佳例如是將10:1(A:B)混合PDMS液體以400rpm速度旋轉塗佈在基質材料層10上，放入烘箱80℃8小時，取出裝置並刮除基質材料層10的流體通道中殘餘的PDMS膜，但本發明並不以此為限。在基質材料層10上配置緩衝層40可降低基質材料層10的粗糙度，且透過緩衝層40的疏水效果，可將液體集中於流體通道、控制其流動方向以及避免漏液問題。聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯（SEBS）的性質資料如下：型號例如是G1657M，苯乙烯/橡膠比例例如是13/87，熔融指數例如是22 g/10 min，二嵌段含量例如是30%，可購於美國科騰高性能聚合物公司。熱塑性聚胺酯（TPU I）的性質資料如下：型號例如是HE-3285ALE，熔點例如是140℃，熔融指數例如是7.03 g/10 min，熔融黏度例如是2818 POISE，可購於臺灣展宇聚氨酯股份有限公司。黏著性熱塑性聚氨酯（TPU II）的性質資料如下：型號例如是HE-3580AU，熔點例如是100℃至110℃，熔融指數例如是7.25 g/10 min，熔融黏度例如是3000 POISE，可購於臺灣展宇聚氨酯股份有限公司。聚酯纖維可包括高回彈聚酯纖維（HRPET）或低熔點聚酯纖維（LDPET）。高回彈聚酯纖維（HRPET）的性質資料如下：纖維細度例如是4D，纖維長度例如是51 mm，纖維例如是皮芯結構，皮層熔點例如是170℃至180℃，芯層熔點例如是250℃，單纖強力例如是3.0 g/ d，可購於遠東新世紀股份有限公司。低熔點聚酯纖維（LDPET）的性質資料如下：纖維細度例如是4D，纖維長度例如是51 mm，纖維例如是皮芯結構，皮層熔點例如是110℃，芯層熔點例如是265℃，單纖強力例如是3.4 g/ d，可購於遠東新世紀股份有限公司。
請參照圖4，本發明的微流道升降閥門裝置可以是存在封閉空間的封閉式裝置。更詳細而言，可在液體吸附材料層20、控制閥門30以及緩衝層40上額外配置一層上蓋層（未繪示），將液體吸附材料層20、控制閥門30以及緩衝層40配置於基質材料層10以及上蓋層之間。上蓋層可包括硬質材料，硬質材料可包括金屬、玻璃、矽晶圓或高分子材料，較佳例如是熱塑性材料（PMMA），但本發明並不以此為限。透過將基質材料層10以及上蓋層鎖上螺絲後，即可形成存在封閉空間的封閉式裝置，以減少汙染。
圖5是依照本發明的又一實施例的一種微流道升降閥門裝置的結構示意圖。圖6是依照本發明的又一實施例的一種微流道升降閥門裝置的剖面示意圖。圖7是依照本發明的又一實施例的一種微流道升降閥門裝置的局部操作示意圖。圖5至圖7所示的實施例相似於圖4所示的實施例，故相同元件以相同標號表示且在此不予贅述。
請先參照圖5、圖6及圖7，本實施例的微流道升降閥門裝置包括基質材料層10、液體吸附材料層20、緩衝層40以及上蓋層50。基質材料層10可具有流體通道12以及用來鎖上螺絲的孔洞14，基質材料層10的表面上可配置緩衝層40，緩衝層40介於基質材料層10與液體吸附材料層20之間。在本實施例中，可利用機械加工製程或化學加工製程在基質材料層10中形成流體通道12，以確保所有液體樣品吸附在液體吸附材料層20上，機械加工製程可包括車床洗削，化學加工製程可包括光罩蝕刻，較佳例如是以8000 rpm（旋轉速度）和每秒5mm（供給速率）研磨洗削，但本發明並不以此為限。上蓋層50可具有用來插入控制閥門的溝槽52以及用來鎖上螺絲的孔洞54及56。在本實施例中，孔洞14及56主要是透過將基質材料層10以及上蓋層50鎖上螺絲後，即可形成存在封閉空間的封閉式裝置，以減少汙染；而孔洞54則與溝槽52配置在一起，當控制閥門30配置於溝槽52中時，螺絲60可穿過孔洞54進而調整控制閥門30的上升或下降，控制閥門30可用不同角度施力於液體吸附材料層20，再施力至緩衝層40及基質材料層10上的流體通道12，以達到減緩流速的效果。然而，本發明並不以此為限，亦可依據實際需求，選用螺絲以外的方式將基質材料層10以及上蓋層50進行密封，也可選用螺絲以外的方式進行控制閥門30上升或下降的調控。
基於上述，本發明的微流道升降閥門裝置包括基質材料層、液體吸附材料層以及控制閥門。液體吸附材料層具有易取得、低成本、具生物相容性及毛細現象的優點，不須任何外在壓力介入，即可使流體流動。基質材料層則可由硬質材料構成，存在易加工特性，透過在基質材料層上形成流體通道，控制流體流動方向並使流體集中於液體吸附材料層上。此外，本發明微流道升降閥門裝置可更包括緩衝層，配置於基質材料層與液體吸附材料層之間。緩衝層的彈性特性可使控制閥門均勻施加壓力在液體吸附材料層上，並可減少微流道粗糙度，以達到更密合的效果。利用主動控制的控制閥門施力，減緩流體在液體吸附材料層上的流速。因此，本發明結合液體吸附材料層的低成本且無需外力的特點，微流道主動控制閥門施力於液體吸附材料層造成流速變化的作用機制、調控液體流量及分配液體流向，以及閥門與液體吸附材料層施力擠壓產生內部孔隙形變，根據形變量大小達到控制流速之目的。
10:基質材料層
12:流體通道
14、54、56:孔洞
20:液體吸附材料層
30:控制閥門
40:緩衝層
50:上蓋層
52:溝槽
60:螺絲
圖1至圖3是依照本發明的一實施例的一種微流道升降閥門裝置的局部操作示意圖。
圖4是依照本發明的另一實施例的一種微流道升降閥門裝置的局部操作示意圖。
圖5是依照本發明的又一實施例的一種微流道升降閥門裝置的結構示意圖。
圖6是依照本發明的又一實施例的一種微流道升降閥門裝置的剖面示意圖。
圖7是依照本發明的又一實施例的一種微流道升降閥門裝置的局部操作示意圖。
10:基質材料層
20:液體吸附材料層
30:控制閥門
Claims (11)
- 一種微流道升降閥門裝置，包括： 基質材料層，具有流體通道； 液體吸附材料層，配置於所述基質材料層上；以及 控制閥門， 其中當所述控制閥門未與所述液體吸附材料層接觸時，流體在所述流體通道內流動， 當所述控制閥門朝向所述液體吸附材料層下降且施力於部分所述液體吸附材料層時，所述液體吸附材料層受到施力產生部分變形及孔隙度大小改變，以控制所述流體通道中所述流體的流速， 當所述控制閥門下降至所述液體吸附材料層的底部時，所述流體通道中所述流體無法通過。
- 如請求項1所述的微流道升降閥門裝置，更包括緩衝層，配置於所述基質材料層與所述液體吸附材料層之間。
- 如請求項2所述的微流道升降閥門裝置，其中所述緩衝層的材料包括聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）、聚酯纖維、聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯（SEBS）或熱塑性聚胺酯（TPU）。
- 如請求項1所述的微流道升降閥門裝置，其中所述基質材料層包括硬質材料，所述硬質材料包括金屬、玻璃、矽晶圓或高分子材料。
- 如請求項1所述的微流道升降閥門裝置，其中利用升降裝置調控所述控制閥門的上升與下降。
- 如請求項5所述的微流道升降閥門裝置，其中所述升降裝置包括馬達、旋鈕或按壓式裝置。
- 如請求項1所述的微流道升降閥門裝置，其中利用機械加工製程或化學加工製程在所述基質材料層中形成所述流體通道。
- 如請求項7所述的微流道升降閥門裝置，其中所述機械加工製程包括車床洗削。
- 如請求項7所述的微流道升降閥門裝置，其中所述化學加工製程包括光罩蝕刻。
- 如請求項1所述的微流道升降閥門裝置，其中所述控制閥門的材料包括硬質材料、熱塑性材料或熱固性材料。
- 如請求項1所述的微流道升降閥門裝置，其中所述液體吸附材料層的材料包括紙質基材、多孔性纖維基材或氣凝膠。
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| TW200702660A (en) * | 2003-11-21 | 2007-01-16 | Ebara Corp | Microfluidic treatment method and device |
| CN105344389A (zh) * | 2008-05-16 | 2016-02-24 | 哈佛大学 | 微流体系统、方法和装置 |
| US9975118B2 (en) * | 2007-11-15 | 2018-05-22 | Seng Enterprises Ltd. | Device for the study of living cells |
| CN112808331A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-05-18 | 扬州大学 | 一种压力多孔阀芯片及其检测方法 |
-
2021
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Patent Citations (4)
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