CN101294886B - 一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微流控芯片领域的一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置。其组成包括基片和盖片：所述基片的基材上开有一个十字型凹槽；分散相流体入口管和流体出口管分别嵌入到凹槽内形成同轴套管结构；连续相流体入口管嵌入到两侧的凹槽内与所述同轴套管相连；所述盖片紧密贴合在所述基片的上表面上将所述凹槽进行密封。所述微流控芯片装置设备结构简单、加工方便、易于批量生产，测量时具有快速高效、样品用量少和准确可靠的优点，且适用于测定高挥发性、高毒性或含有表面活性剂体系的界面张力或表面张力，在基础研究和工业生产上都有广泛的应用前景。

Description

一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置

技术领域

本发明属于本发明属于微流控芯片技术领域，特别涉及一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置。

背景技术

20世纪90年代初，分析化学工作者提出了微全分析系统(μTAS)的思想。微全分析系统是将整个分析化学实验室的常用功能集成到厘米甚至毫米尺度的平台上，使之微型化、自动化、高度集成化和便携化。目前微全分析系统在分析仪器和分析科学领域产生了重大影响，成为目前的研究热点，并引导分析化学和生物化学技术向着微型化、集成化和便携化的趋势发展。在微全分析系统里，微流控芯片是最主要的研究方向。利用微加工工艺在玻璃或者高聚物材料上制作出微槽、微阀、微混合器、微检测器等功能单元，从而构成一个可以独立运行的微型检测系统。微流控芯片最重要的功能是可以在芯片内对流体进行可控的操作，包括进样、输送、混合、分离和反应等，从而在化学、生物学等领域具有广泛的应用前景。

界表面张力是液-液、气-液体系的重要物理化学性质之一。在食品、医药、化妆品、涂料、造纸、多相反应和萃取等众多科学和工程应用领域，界表面张力是决定体系性质的重要因素之一。目前测定界表面张力的常用方法有：测定力的方法，如吊环法和吊片法，需要精确的测定圆环或平板在与液体接触时受到的作用力；测定压强的方法，如最大气泡法，需要测定气泡在形成过程中内部的压强；测定形状的方法，如旋转液滴法和悬滴法，需要对液滴的外形轮廓进行精确的测定以及复杂的数学处理；滴重法，测定液体在一定时间内从毛细管中下落的液滴的重量来推算液体的表面张力；毛细管上升法，测定液体在毛细管内的上升高度来推算体系的界表面张力。这些方法普遍存在着样品消耗量大，测定时间长，数据处理过程复杂等不足。因此，开发快速高效、样品用量少和准确可靠的界表面张力测量装置具有非常重要的科学意义和实际价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置，通过测定在一定实验条件下的液滴或气泡尺寸，根据液滴或气泡形成过程的受力平衡分析，测得体系的界表面张力。为实现所述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置，包括：

一基片：它包括基材1、连续相流体入口管11、分散相流体入口管12、流体出口管13四个部分。所述基材1上开有一个十字型凹槽；分散相流体入口管12和流体出口管13分别嵌入到基材1的凹槽内形成同轴套管结构；连续相流体入口管11嵌入到两侧的凹槽内与所述同轴套管相连；

一盖片：所述盖片紧密贴合在所述基片的上表面上将所述凹槽进行密封。

所述分散相流体入口管12为微型毛细管，其内径为20微米～500微米，材质为特氟龙、玻璃、石英玻璃或不锈钢。

所述流体出口管13为玻璃毛细管，其内径为100微米～1000微米。

所述分散相流体入口管12的外径小于所述流体出口管13的内径。

所述基材1的材质为玻璃或PMMA。

在本发明中，使用成熟的湿法蚀刻技术、Soft-LIGA技术或机械微加工技术在玻璃基片或PMMA基片上加工出尺寸不同的凹槽，并将微型毛细管12和玻璃毛细管13分别嵌入到基材1相应位置的凹槽内形成同轴套管结构，使用载玻片或有机玻璃薄片作为盖板密封组装成芯片。操作时连续相和分散相流体分别在流体泵的输送下从连续相入口管11和分散相入口管12进入微流控芯片装置，在连续相流体流动剪切力的作用下，分散相流体在微型毛细管的端口破碎形成均匀的微小液滴或气泡，通过采用高速显微图像采集系统记录形成液滴或气泡的尺寸，并根据微尺度下液滴或气泡的受力平衡分析，测得体系的界表面张力。

本发明中的用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置的测量原理如下：

在微流控芯片装置中，当液滴或者气泡形成时，与质量有关的力如惯性力和浮力可以忽略不计，而连续相流体流动产生的粘性剪切力和界面张力成为影响液滴或气泡尺寸的主要作用力。当这两个力相等时，液滴或气泡即从微型毛细管的端口脱落。根据受力平衡方程：

F_D＝F_σ

其中，F_D表示作用与液滴或气泡上的连续相流体流动产生的粘性剪切力，F_σ表示由界面张力或表面张力产生的力。

根据文献报道结果，粘性剪切力可以用下式表示：

F_D＝k_D·(u_c-u_d)·d_d·μ_c

其中，k_D为粘性作用系数，对于一定微结构而言，它是一个常数。u_c-u_d为连续相流体相对于形成液滴或者气泡的平均运动速度，d_d为液滴或者气泡尺寸，μ_c为连续相液体粘度。u_c和u_d的值可以由以下两式计算得到：

${\stackrel{\‾}{u}}_d=\frac{4Q_d}{\mathrm{\π}{d}_d^2}$

${\stackrel{\‾}{u}}_c=\frac{4Q_c}{\mathrm{\π}(D_{\mathrm{in}}^2-d_d^2)}$

其中，Q_d和Q_c分别为分散相和连续相流量，D_in为流体出口管13的内径。由界面张力或表面张力产生的力可以由下式表示：

$F_{\mathrm{\σ}}=\frac{\mathrm{\π}{d}_n^2\mathrm{\σ}}{d_d}$

其中d_n为微型毛细管内径，σ为体系的界面张力或表面张力。综合以上各式，可得：

$k_D\·({\stackrel{\‾}{u}}_c-{\stackrel{\‾}{u}}_d)\·d_d\·{\mathrm{\μ}}_c=\frac{\mathrm{\π}{d}_n^2\mathrm{\σ}}{d_d}$

这样，我们可以得到液滴或气泡尺寸与体系物性及操作条件之间的定量关系为：

$\frac{d_d^2}{d_n^2}=\frac{\mathrm{\π\σ}}{k_D\·({\stackrel{\‾}{u}}_c-{\stackrel{\‾}{u}}_d)}=k\·\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\μ}}_c({\stackrel{\‾}{u}}_c-{\stackrel{\‾}{u}}_d)}$

其中，对于一定的微流控芯片而言，k为一常数，它的值可以通过采用已知界面张力和连续相粘度的标准体系测得。进而通过采用高速显微图像采集系统记录不同条件下形成的液滴或气泡的尺寸，通过上式便可以计算得到体系的界面张力或表面张力。

本发明中的装置适合测定的样品包括水溶液和大部分有机溶液的表面张力，以及多种液-液体系的界面张力，测定高挥发性液体时也可以得到较为准确的数据，因为在微尺度密闭空间中液体基本不挥发。测定有毒液体也更为安全，因为样品用量少。此外，该装置也适用于含有表面活性剂的体系。

本发明提供的用于界表面张力测定的微流控芯片装置具有以下优点：

1.待测样品用量少，一般为10～500μL。

2.测定样品速度快，一般耗时小于1分钟。

3.适合测定高挥发性以及高毒性的样品，也适用于含有表面活性剂的体系。

4.设备结构简单，加工方便，易于批量生产。

它具有设备结构简单、快速高效、样品用量少和准确可靠的优点。

附图说明

图1为一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置基片的结构示意图；

图2为图1所示A处的放大图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

所述芯片装置的结构如图1所示，图2为图1所示A处连接关系的放大示意图。在本发明中，使用成熟的湿法蚀刻技术或机械微加工技术在玻璃基片或PMMA基片上加工出尺寸不同的凹槽，并将分散相流体入口管12和流体出口管13分别嵌入到基材1相应位置的凹槽内形成同轴套管结构，使用载玻片或有机玻璃薄片作为盖板密封组装成芯片。操作时连续相和分散相流体分别在流体泵的输送下从连续相入口管11和分散相入口管12进入微流控芯片装置，在连续相流体流动剪切力的作用下，分散相流体在微型毛细管的端口破碎形成均匀的微小液滴或气泡，通过采用高速显微图像采集系统记录形成液滴或气泡的尺寸，并根据微尺度下液滴或气泡的受力平衡分析，测得体系的界面张力或表面张力。

实施例1

使用湿法蚀刻技术在玻璃基片上加工出宽度分别为50微米和210微米的方形凹槽，将外径45微米、内径20微米及外径200微米、内径100微米的毛细管嵌入到凹槽中形成同轴套管结构，使用载玻片作为盖板密封组装成芯片。使用该芯片装置进行含有不同浓度表面活性剂SDS的水溶液表面张力测定，表面张力范围在33～72mN/m之间。对于不同的水溶液体系，测得的表面张力与文献值比较，偏差在2％以内。每次测量的样品消耗量在10～30μL。

实施例2

使用机械微加工技术在PMMA基片上加工出宽度分别为105微米和360微米的方形凹槽，将外径100微米、内径50微米及外径350微米、内径250微米的毛细管嵌入到凹槽中形成同轴套管结构，使用厚度为1mm的有机玻璃薄片作为盖板密封组装成芯片。使用该芯片装置进行正丁醇-水、正辛醇-水、苯-水、甲苯-水等液液体系的界面张力测定，界面张力范围在1.7～40mN/m之间。对于不同的液液体系，测得的界面张力与文献值比较，偏差在3％以内。每次测量的样品消耗量在60～150μL。

实施例3

使用机械微加工技术在PMMA基片上加工出宽度分别为310微米和710微米的方形凹槽，将外径300微米、内径150微米及外径700微米、内径500微米的毛细管嵌入到凹槽中形成同轴套管结构，使用厚度为1mm的有机玻璃薄片作为盖板密封组装成芯片。使用该芯片装置进行水相为含有不同浓度表面活性剂Tween 20水溶液、油相为正己烷的液液体系界面张力测定，界面张力范围在4.6～51mN/m之间。对于不同的液液体系，测得的界面张力与文献值比较，偏差在2％以内。每次测量的样品消耗量在200～300μL。

实施例4

使用湿法蚀刻技术在玻璃基片上加工出宽度分别为105微米和310微米的方形凹槽，将外径100微米、内径40微米及外径300微米、内径150微米的毛细管嵌入到凹槽中形成同轴套管结构，使用载玻片作为盖板密封组装成芯片。使用该芯片装置进行油相为含有不同浓度表面活性剂Span 80辛醇溶液、水相为去离子水的液液体系界面张力测定，界面张力范围在4.3～8.56mN/m之间。对于不同的液液体系，测得的界面张力与文献值比较，偏差在2％以内。每次测量的样品消耗量在50～100μL。

从上述实施例可以说明本发明具有设备结构简单、快速高效、样品用量少和准确可靠的优点，且适用于测定高挥发性、高毒性或者含有表面活性剂液-液、气-液体系的界面张力或表面张力。

本发明在不脱离其精神和本质特征前提下，可以有多种具体实施方式，应当理解上述实施例并不限于上述的任何细节，而应该在所附权利要求所定义的精神和范围内被广泛地解释，因此，所有落在权利要求的边界和范围内的或者与这些边界和范围等价的变化和修改都试图包含在附加权利要求内。

Claims (5)

1.一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置，包括基片和盖片，其特征在于，所述基片的基材(1)上开有一个十字型凹槽；分散相流体入口管(12)和流体出口管(13)分别嵌入到基材(1)的凹槽内形成同轴套管结构；连续相流体入口管(11)嵌入到两侧的凹槽内与所述同轴套管相连；

连续相和分散相流体分别在流体泵的输送下从连续相流体入口管(11)和分散相流体入口管(12)进入微流控芯片装置，在连续相流体流动剪切力的作用下，分散相流体在分散相流体入口管(12)的端口破碎形成均匀的微小液滴或气泡；通过液滴或者气泡尺寸、分散相流体入口管(12)内径、连续相液体粘度、连续相流体相对于形成液滴或者气泡的平均运动速度，根据公式计算界表面张力；其中，σ为界表面张力，d_d为液滴或者气泡尺寸，d_n为分散相流体入口管(12)内径，μ_c为连续相液体粘度，k_D为粘性作用系数，k_D为常数，为连续相流体相对于形成液滴或者气泡的平均运动速度；

和

分别利用公式

和

计算，Q_d和Q_c分别为分散相和连续相流量，D_in为流体出口管(13)的内径；

所述分散相流体入口管(12)的外径小于流体出口管(13)的内径；

所述盖片紧密贴合在所述基片的上表面上将所述凹槽进行密封。

2.根据权利要求1所述的一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置，其特征在于，所述分散相流体入口管(12)为微型毛细管，其内径为20微米～500微米，其材质为特氟龙、玻璃或不锈钢。

3.根据权利要求2所述的一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置，其特征在于，所述玻璃为石英玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置，其特征在于，所述流体出口管(13)为玻璃毛细管，其内径为100微米～1000微米。

5.根据权利要求1所述的一种用于快速测量界表面张力的微流控芯片装置，其特征在于，所述基材(1)的材质为玻璃或PMMA。

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