一种微流控用注射泵及其控制方法与流程

1.本技术涉及微流体控制的领域，尤其是涉及一种微流控用注射泵及其控制方法。


背景技术：

2.微流控技术是一种精确控制和操控微尺度流体，以在微纳米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术。
3.针对微升混合量脂质纳米粒产品制备方法，现行方案是：将两相液体通过微流控芯片，使得两相液体发生层流效应，形成两相分界面，两相成分可在分界面上以扩散的形式可控反应，最大程度控制反应结果。参照图1，目前微流控进样方式是先将两相微量的样品通过移液枪吸入于芯片的第一上样井61和第二上样井62内，再将注射器与微流控芯片60的进样口64连接到一起，手动或电动的方式推动注射器活塞杆10，使注射器内的活塞11向内部移动，通过注射器内部气体容积20压缩从而将注射器内的压缩气体挤入到微流体芯片60的上样井密封腔66中，芯片上样井中的两相样品通过压缩气体将其压入微流控通道65内，直至上样井61和62中的液体全部挤出整个操作结束。
4.但现行方案通常存在芯片上样井61和62中的两相液体量推不干净有残留样品，或者过量的气体量容易将出样井63中的混合后的样品飞溅出微流体芯片60外等缺陷不足。产生该缺陷、不足的原因是：注射泵泵头出口的气体压力和泵出气体量未经过控制而导致。


技术实现要素：

5.为了有助于提高对注射泵泵头出口的气体压力和泵出气体量控制的精确度，本技术提供一种微流控用注射泵及其控制方法。
6.一方面，本技术提供的一种微流控用注射泵，采用如下的技术方案：一种微流控用注射泵，包括注射器、位移驱动组件、位移传感器、压力传感器和电动通断阀，位移驱动组件的动力输出端连接至所述注射器的活塞杆，用于驱动活塞杆产生位移；所述位移传感器连接至注射器的活塞杆，用于测量活塞杆的位移距离；所述注射器的出口处设置有压力传感器，用于测量所述注射器出口处的压力值；所述注射器出口处设置有电动通断阀，用于控制所述注射器出口处的通断；所述压力传感器根据所述位移传感器测量的位移阈值进行压力测量，所述电动通断阀根据压力传感器测量的压力阈值结合所述位移传感器测量的位移阈值进行通断控制。
7.通过采用上述技术方案，使用过程中，关闭电动通断阀，可以通过位移驱动组件结合位移传感器实现注射器内活塞的位移设定阈值，实现气体压缩，在活塞压缩的过程中，气体的压力升高；在注射器的出口处设置压力传感器，可以测量控制注射器出口处的压力值，因此，有利于提高对注射泵泵头出口气体压力的控制；气体升压后，打开电动通断阀，实现气体的泵出，且压力传感器可以测得泵出气体的压力衰变值，因此可以及时的关断电动通断阀，从而有利于控制泵出气体的气量，因此，有助于减少芯片上样井中液体量推不干净有残留样品和过量的气体量容易将出样井中的混合样品飞溅出的情况发生。
8.可选的，所述注射器出口处包括主路和支路，所述电动通断阀和所述压力传感器位于所述主路上，所述支路上安装有开关阀，所述支路和所述主路的连接端位于所述电动通断阀靠近所述注射器上活塞杆的一侧。
9.通过采用上述技术方案，设置支路和开关阀，气体泵入结束后，电动通断阀关闭，打开开关阀有利于注射器的复位，方便下一次操作。
10.可选的，所述开关阀设置为单向阀，所述单向阀的单向流动方向为从所述支路至所述主路。
11.通过采用上述技术方案，开关阀采用单向阀，能够实现物质只进不出，从而在压缩的过程中，有利于保持密封的状态，且不需要单独的信号控制。
12.可选的，所述位移驱动组件包括电动推杆，所述电动推杆通过连接件连接至活塞杆。
13.通过采用上述技术方案，电动推杆具有较好的控制和准确性，有利于保证位移的准确性。
14.另一方面，本技术提供的一种微流控用注射泵控制方法，采用如下的技术方案：一种微流控用注射泵控制方法，基于上述一种微流控用注射泵，包括如下步骤：获取压缩行程l
ab
和送料行程l
bc
，压缩行程l
ab
对应于原点位置a至第一设定位置b之间的路径；送料行程l
bc
对应于第一设定位置b至第二设定位置c之间的路径；压缩行程l
ab
和送料行程l
bc
根据注射器容积v
总
、注射器行程l
总
、样本合成量e和泵头压力p2计算得到；位移传感器进行测量注射器活塞的位置信息；打开电动通断阀，活塞回零；当活塞回零至设定的零点位置a时，关闭电动通断阀；当活塞移动压缩行程l
ab
后，压力传感器测得第一压力值pa；当活塞移动送料行程l
bc
后，压力传感器测得第二压力值pb；打开电动通断阀，泵入气体，压力传感器测得实时第三压力值pc；当第三压力值pc大于第一压力值pa时，保持打开电动通断阀；当第三压力值pc小于等于第一压力值pa时，关闭电动通断阀。
15.通过采用上述技术方案，通过将注射器容积v
总
、注射器行程l
总
、样本合成量e和泵头压力p2等参数转化成活塞移动行程，系统控制活塞移动行程量的大小来控制注射器出口压力的大小，活塞移动到指定位置停止时，系统再通过读取泵头出口的压力衰变值来实际控制泵出气体量的多少，从而实现泵的压力和泵出气体量的控制，能有效的避免芯片上样井中液体量推不干净有残留样品和过量的气体量容易将出样井中的混合样品飞溅出的问题。
16.可选的，还包括复位步骤：保持关闭电动通断阀，活塞由第二设定位置c移动至原点位置a，支路上的开关阀打开。
17.通过采用上述技术方案，注射器复位方便下一次操作的使用。
18.可选的，参数计算中的参数关系为：可选的，参数计算中的参数关系为：
p1.v1/t1＝p2.v2/t2；其中，标准大气压：p1，气体温度：t2和t1，注射器容积：v
总
，注射器行程：l
总
，样本合成量：e，泵头压力：p2。
19.可选的，当活塞回零至设定的零点位置a前，注射器出口和微流控芯片处于未连接状态；当活塞回零至设定的零点位置a后，泵入气体前，注射器出口和微流控芯片处于连接状态。
20.通过采用上述技术方案，回零时，打开电动通断阀，使得注射器内部和外界连通，有利于确保注射器内吸入一个标准大气压的气体，从而有利于提高气量和气压的控制精准度；为了使活塞回零不影响芯片内的样品，因此活塞压缩前，才将注射器和芯片连接，因此，有利于提高注射泵气量和气压控制的精准度。
21.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：通过压缩阶段先使得泵入的气体达到一定的压力，然后再继续给到一个合适的压力提升，然后打开电动截止阀，测得压力的衰变值，直至压力低于压力阈值时结束泵入操作；因此，利用本装置结合控制方法能够将气体泵入微流控芯片，从而有利于控制泵入的气体的量的精确度，以及能够控制泵的压力，以减少过量气体而产生的样品飞溅的情况，使得上样井中不容易有样品残留。
附图说明
22.图1是相关技术中，采用手动或电动的方式推动活塞杆的方式下，注射器与微流控芯片的结构图。
23.图2是本技术实施例一种微流控用注射泵的结构示意图。
24.图3是本微流控芯片俯视图。
25.图4是本技术一种微流控用注射泵控制方法的控制流程图。
26.附图标记：10、活塞杆；11、活塞；20、注射器本体；30、压力传感器；40、单向阀；50、电动截止阀；60、微流控芯片；61、第一上样井；62、第二上样井；63、出样井；64、进样口；65、微流控通道；66、上样井密封腔；67、出样井密封腔；70、电动推杆；71、推杆；72、连接件；80、位移传感器。
具体实施方式
27.以下结合附图，对本技术作进一步详细说明。
28.本技术实施例公开一种微流控用注射泵。
29.参照图2和图3，一种微流控用注射泵包括注射器、压力传感器30、开关阀、电动通断阀、位移驱动组件和位移传感器80。本实施例中，开关阀采用的是单向阀40。注射器包括注射器本体20、活塞11、活塞杆10。电动通断阀采用的是电动截止阀50。位移驱动组件采用的是电动推杆70。压力传感器30、电动截止阀50、电动推杆70和位移传感器80均电连接于控制系统。
30.注射器本体20安装于微流控芯片60的正上方并固定，且注射器的出口用于连通微流控芯片60的进样口64。活塞11滑移连接在注射器本体20的内部，活塞杆10用于驱动活塞11的位移。电动推杆70安装在注射器正上方并固定，活塞杆10与电动推杆70的推杆71通过连接件72固定连接，利用电动推杆70驱动活塞杆10的位移。注射器出口处包括主路和支路，
支路上安装单向阀40；主路上安装电动截止阀50。在主路和支路的交汇处安装压力传感器30，用于监测注射器出口的压力值，且压力传感器30位于电动截止阀50靠近活塞11的一侧。位移传感器80安装在推杆71与活塞杆10连接处的位置，用于测量注射泵活塞11的位置。其中，电动推杆70具有较好的位移控制精准度。
31.压力传感器30根据位移传感器80测量的位移阈值进行压力测量，电动截止阀50根据压力传感器30测量的压力阈值结合位移传感器80测量的位移阈值进行通断控制。实现先设定气体压缩距离和设定压力值范围，然后泵出气体，从而有利于提高气体泵出的气量和压力控制的精准度。
32.本技术实施例一种微流控用注射泵及其控制方法的实施原理是：通过电动推杆70结合位移传感器80实现注射器内活塞11移动至位移阈值，且在注射器的出口处设置压力传感器30以检测气体的压力状态。使用过程中，当活塞11压缩设定距离的气体后，气体具有一定的压力，打开电动截止阀50，实现气体的泵入；在泵入的过程中，压力传感器30检测压力的衰变；当压力传感器30反馈的数值低于设定阈值时，则关闭电动截止阀50，气体泵出结束；因此，有利于提高气体泵出的气量和压力控制的精准度。此外，气体泵入结束后，电动截止阀50关闭，此时注射器需要复位，能够利用单向阀40实现外部气体进入到注射器本体20中，从而结束注射泵的工作。
33.本技术实施例还公开一种微流控用注射泵控制方法。
34.参照图3，其中，微流控芯片60上设置有第一上样井61、第二上样井62、出样井63、进样口64、微流控通道65、上样井密封腔66、出样井密封腔67。在控制步骤之前的需要先将两相样品移入微流控芯片60的第一上样井61和第二上样井62内。
35.参照图4，控制方法的步骤包括：获取压缩行程l
ab
和送料行程l
bc
，压缩行程l
ab
对应于原点位置a至第一设定位置b之间的路径；送料行程l
bc
对应于第一设定位置b至第二设定位置c之间的路径；压缩行程l
ab
和送料行程l
bc
根据注射器容积v
总
、注射器行程l
总
、样本合成量e和泵头压力p2计算得到。
36.位移传感器80进行测量注射器活塞11的位置信息；打开电动截止阀50；据位移传感器80测得的活塞11位置信息，判断活塞11是否位于设定的零点位置a；若不是，则输出回零信号至电动推杆70，以驱动活塞11移动至原点位置a；当活塞11回零至设定的零点位置a时，关闭电动截止阀50；此步骤前，注射器与微流控芯片60处于未连接的状态。回零结束后，气体泵入前，连接注射器和微流控芯片60。
37.当活塞11移动压缩行程l
ab
后，压力传感器30测得第一压力值pa；当活塞11移动送料行程l
bc
后，压力传感器30测得第二压力值pb；此时，注射器内部是处于密封状态的，因此电动推杆70驱动活塞11移动设定的距离，首先保证了定量的气体，其次保证了气体有一定的压力，从而有利于气体的泵入。
38.打开电动截止阀50，泵入气体，压力传感器30测得实时第三压力值pc，即注射器内气体的衰变值；并将第三压力值pc和第一压力值pa比较，第一压力值pa为一个大气压。
39.当第三压力值pc大于第一压力值pa时，保持打开电动截止阀50；当第三压力值pc小于等于第一压力值pa时，关闭电动截止阀50。
40.泵入的过程中，电动推杆70是不动的，让气体的压力逐渐降低，当达到一个大气压时，泵入完毕。因此，可以通过控制电动截止阀50的通断时间来控制气量，避免过充。
41.本发明提供的一种微流控用注射泵控制方法可以通过修改输入的注射器容积v
总
，注射器行程l
总
，样本合成量e和泵头压力p2等参数，即可实现定量的控制注射泵出口的压力和泵出的气体量。其具体运算如下：根据理想气体状态方程可知p1*v1/t1＝p2*v2/t2，其中，p1为标准大气压，t2和t1为气体温度。假设不考虑温度对其状态影响，即p1*v1＝p2*v2，那么活塞11压缩行程可表达成l
ab
＝l
总
*(p1*v1)/(v
总
*(p2+1)),活塞11送料行程可表达成l
bc
＝l
总
*e/v
总
。系统将输入的注射器容积v
总
，注射器行程l
总
，样本合成量e和泵头压力p2等参数转化成活塞11移动行程，通过活塞11移动行程量的大小来实现控制注射器出口压力的大小，当活塞11移动到指定位置停止时再通过读取泵头出口的压力衰变值，即第三压力值pc，来实际控制泵出气体量的多少，从而实现泵的压力和泵出气体量的控制。
42.泵入操作结束后，第一上样井61和第二上样井62内混合结束。此时，为了方便下一次的泵入操作，控制系统保持电动截止阀50关闭状态，且控制电动推杆70驱动活塞11复位至原点位置a。此过程中，单向阀40打开，使得外界的空气进入注射器本体20内，此时外界空气视为标准大气压。单向阀40的使用能够防止注射器复位的过程中，注射器本体20内存在负压环境。
43.其中，在回零操作的步骤中，需要注射器和微流控芯片60处于无连接的状态，且打开电动截止阀50。回零结束后，关闭电动截止阀50，可连接注射器和微流控芯片60。
44.本技术实施例一种微流控用注射泵控制方法的实施原理是：首先在系统中，输入想要设置和达到的预期目标值：注射器容积v
总
，注射器行程l
总
，样本合成量e和泵头压力p2等参数，然后通过计算将上述参数转化成活塞11的两段移动行程，系统将活塞11移动行程量的大小来控制注射器出口压力的大小，当活塞11移动到指定位置停止时，系统通过判断泵出口压力衰变值来控制电动截止阀50的通断，来实现泵出口气体量的控制，从而实现泵的压力和泵出气体量的控制，尽量减少芯片上样井中液体量推不干净有残留样品和过量的气体量容易将出样井63中的混合样品飞溅出的情况发生。
45.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种微流控用注射泵，其特征在于，包括注射器、位移驱动组件、位移传感器(80)、压力传感器(30)和电动通断阀，位移驱动组件的动力输出端连接至所述注射器的活塞杆(10)，用于驱动活塞杆(10)产生位移；所述位移传感器(80)连接至注射器的活塞杆(10)，用于测量活塞杆(10)的位移距离；所述注射器的出口处设置有压力传感器(30)，用于测量所述注射器出口处的压力值；所述注射器出口处设置有电动通断阀，用于控制所述注射器出口处的通断；所述压力传感器(30)根据所述位移传感器(80)测量的位移阈值进行压力测量，所述电动通断阀根据压力传感器(30)测量的压力阈值结合所述位移传感器(80)测量的位移阈值进行通断控制。2.根据权利要求1所述的微流控用注射泵，其特征在于，所述注射器出口处包括主路和支路，所述电动通断阀和所述压力传感器(30)位于所述主路上，所述支路上安装有开关阀，所述支路和所述主路的连接端位于所述电动通断阀靠近所述注射器上活塞杆(10)的一侧。3.根据权利要求2所述的微流控用注射泵，其特征在于，所述开关阀设置为单向阀(40)，所述单向阀(40)的单向流动方向为从所述支路至所述主路。4.根据权利要求1所述的微流控用注射泵，其特征在于，所述位移驱动组件包括电动推杆(70)，所述电动推杆(70)通过连接件(72)连接至活塞杆(10)。5.一种微流控用注射泵控制方法，基于权利要求1-4任意一项所述的一种微流控用注射泵，其特征在于，包括如下步骤：获取压缩行程l
ab
和送料行程l
bc
，压缩行程l
ab
对应于原点位置a至第一设定位置b之间的路径；送料行程l
bc
对应于第一设定位置b至第二设定位置c之间的路径；压缩行程l
ab
和送料行程l
bc
根据注射器容积v
总
、注射器行程l
总
、样本合成量e和泵头压力p2计算得到；位移传感器(80)进行测量注射器活塞(11)的位置信息；打开电动通断阀，活塞(11)回零；当活塞(11)回零至设定的零点位置a时，关闭电动通断阀；当活塞(11)移动压缩行程l
ab
后，压力传感器(30)测得第一压力值p
a
；当活塞(11)移动送料行程l
bc
后，压力传感器(30)测得第二压力值p
b
；打开电动通断阀，泵入气体，压力传感器(30)测得实时第三压力值p
c
；当第三压力值p
c
大于第一压力值p
a
时，保持打开电动通断阀；当第三压力值p
c
小于等于第一压力值p
a
时，关闭电动通断阀。6.根据权利要求5所述的微流控用注射泵控制方法，其特征在于，还包括复位步骤：保持关闭电动通断阀，活塞(11)由第二设定位置c移动至原点位置a，支路上的开关阀打开。7.根据权利要求5所述的微流控用注射泵控制方法，其特征在于，参数计算中的参数关系为：系为：p1.v1/t1＝p2.v2/t2；其中，标准大气压：p1，气体温度：t2和t1，注射器容积：v
总
，注射器行程：l
总
，样本合成量：e，泵头压力：p2。
8.根据权利要求5所述的微流控用注射泵控制方法，其特征在于，当活塞(11)回零至设定的零点位置a前，注射器出口和微流控芯片(60)处于未连接状态；当活塞(11)回零至设定的零点位置a后，泵入气体前，注射器出口和微流控芯片(60)处于连接状态。

技术总结
本申请涉及微流体控制的技术领域，公开一种微流控用注射泵及其控制方法，微流控用注射泵包括注射器、位移驱动组件、位移传感器、压力传感器和电动通断阀，位移驱动组件的动力输出端连接至注射器的活塞杆，用于驱动活塞杆产生位移；位移传感器连接至注射器的活塞杆，用于测量活塞杆的位移距离；注射器的出口处设置有压力传感器，用于测量注射器出口处的压力值；注射器出口处设置有电动通断阀，用于控制注射器出口处的通断；压力传感器根据位移传感器测量的位移阈值进行压力测量，电动通断阀根据压力传感器测量的压力阈值结合位移传感器测量的位移阈值进行通断控制。本申请具有有助于提高注射泵气量和气压控制精准度的优点。高注射泵气量和气压控制精准度的优点。高注射泵气量和气压控制精准度的优点。


技术研发人员：殷明 陈滨阳
受保护的技术使用者：锘海生物科学仪器（上海）有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/9