CN101696929A

CN101696929A - 快速恒温微反应器

Info

Publication number: CN101696929A
Application number: CN200910236144A
Authority: CN
Inventors: 陈义; 张轶鸣
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2010-04-21

Abstract

本发明公开了一种快速恒温微反应器。本发明提供的快速恒温微反应器，包括样品池和设在样品池顶部的至少一个样品进出口；其中，样品池的底为惰性平板或微流控芯片，样品池的顶为惰性薄层，惰性平板和惰性薄层之间是由密封垫形成的样品池壁；惰性薄层之上设置有导热块和温度传感器，温度传感器包覆于所述导热块中；导热块之上设置有温控元件，温控元件之上设置有散热块；在所述导热块与温控元件的侧壁上包覆有绝热外壳；样品池的样品进出口通过管路与外界相通。本发明提供的微反应器体积小巧，可作为表面等离子体共振仪、共振光散射仪等分析仪器的样品池，实现被控单元中样品温度的快速变温及精确恒温控制，能够满足对温度敏感的生物样品的高精度测量使用要求。

Description

快速恒温微反应器

技术领域

本发明涉及一种反应器，特别是一种快速恒温微反应器。

背景技术

在现有的反应器中，反应样品的恒温都是通过间接热平衡来实现的。一般都是用恒温水浴箱或水泵，工作时反应池浸在水浴池中，水浴池通过控制反应池周围的水体的温度来间接控制反应池内的温度。这类技术中存在以下几点不足：

1、很难满足高精度温度控制分析或合成的需要。由于传统的恒温水浴或油浴都是通过控制其作热交换的水(或油)的温度，即温度传感元件检测的是热交换介质的温度而不是被控样品的温度。由于水浴使用大量的水，同时水的比热容也较大，使得水温对控制信号的响应较慢，因此，系统对水浴中水的温度控制只有在一段较长的时间之后才能达到，而在实际使用中一般等待的时间并不长，这就导致了水浴溶液的实际温度与设定温度之间的差异。同时，系统没有直接测量样品温度，其恒温并不是对样品进行，所以只能保证水浴中的水是恒温的，因此，这种体统只适合于对温度精度要求不高的情况。

2、由于传统方法实现中要用到大量的热交换介质，温控时需要消耗大量的热来实现介质的升温和降温，因此要达到设定的目标温度所消耗的热平衡时间较长，如果要实现高精度的目的，等待系统温度稳定将要花费更多的时间。对于温度变化较慢的情况这种系统可以适用，但不适合于温度快速变化的控制环境。

3、传统的间接热交换控制，一般需要大量热导介质，体积大，附件多，不利于小型化和微量分析的需要。

专利申请号为200810037840.X的中国专利申请中，描述了快速变温小型恒温样品池，该样品池由金属材料制作，金属中央开孔作为样品腔，金属壳侧壁开有孔做通光用，孔内装嵌透光材料，非通光侧面粘贴帕尔贴温度控制元件，金属壳底部开有凹槽用于放置温度传感器，金属壳外套有绝热外框，同时在底部有用于搅拌的磁子。该系统的缺点在于样品池只有一个样品进出口，这使得在换样品时要重新清洗样品池，同时其样品池体积受搅拌磁子尺寸的限制，无法进一步缩小体积。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速恒温微反应器。

本发明提供的快速恒温微反应器，包括样品池和设在所述样品池顶部的至少一个样品进出口；其中，所述样品池的底为惰性平板或微流控芯片，样品池的顶为惰性薄层，所述惰性平板和惰性薄层之间是由密封垫形成的样品池壁；所述惰性薄层之上设置有导热块和温度传感器，所述温度传感器包覆于所述导热块中；所述导热块之上设置有温控元件，所述温控元件之上设置有散热块；在所述导热块与所述温控元件的侧壁上包覆有绝热外壳；所述样品池的样品进出口通过管路与外界相通。

该反应器中，所述样品池与外界相通的管路开口于所述绝热外壳上。所述构成绝热外壳的材料为高分子材料，优选聚四氟乙烯、酚醛树脂、环氧树脂或聚醚醚酮。

构成惰性平板和惰性薄层的材料必须与所述样品池中的样品不发生任何反应，所述构成惰性平板的材料为金属或非金属材料，优选不锈钢或玻璃；所述构成惰性薄层的材料为金属材料、非金属材料或高分子材料，优选玻璃、不锈钢或聚四氟乙烯。所述构成导热块的材料为金属，优选铜、铝和黄铜中的至少一种；所述构成密封垫的材料为高分子材料，优选硅橡胶或氟橡胶；所述构成样品池的样品进出口与外界相通的管路的材料为金属、无机非金属材料或高分子材料，优选不锈钢、石英、聚醚醚酮(PEEK)。所述温控元件为帕尔贴或热管器件。所述散热块的散热方式为风冷散热、水冷散热或热管散热。

本发明还提供了一种快速恒温微反应器，包括样品池和设在所述样品池顶部的至少一个样品进出口；其中，所述样品池为微流控芯片的微通道区域；所述微流控芯片之上设置有导热块和温度传感器，所述温度传感器包覆于所述导热块中；所述导热块之上设置有温控元件，所述温控元件之上设置有散热块；在所述导热块与所述温控元件的侧壁上包覆有绝热外壳；所述样品池的样品进出口通过管路与外界相通。

该微反应器中，所述管路开口于所述绝热外壳上。所述构成绝热外壳的材料为高分子材料，优选聚四氟乙烯、酚醛树脂、环氧树脂或聚醚醚酮。

构成惰性平板和惰性薄层的材料必须与所述样品池中的样品不发生任何反应，所述构成惰性平板的材料为金属或非金属材料，优选不锈钢或玻璃；所述构成惰性薄层的材料为金属材料、非金属材料或高分子材料，优选玻璃、不锈钢或聚四氟乙烯。所述构成导热块的材料为金属，优选铜、铝和黄铜中的至少一种；所述构成密封垫的材料为高分子材料，优选硅橡胶或氟橡胶；所述构成样品池的样品进出口与外界相通的管路的材料为金属、无机非金属材料或高分子材料，优选不锈钢、石英、聚醚醚酮(PEEK)。构成微流控芯片的材料为玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。所述温控元件为帕尔贴或热管器件。所述散热块的散热方式为风冷散热、水冷散热或热管散热。

本发明提供的快速恒温微反应器中，微反应器的外形可为圆形或矩形，微反应器内壁的样品池空腔可为圆形或矩形。在导热块上表面与温控元件相接触的部分可根据需要涂覆导热脂。

在实际使用中，可对所述微反应器的绝热外壳与惰性平板适当施力，以保证样品流动空间密封，设定所需温度后，温度传感器将微反应器内部流动空间的温度值反馈进入单片机控制系统，并与温度的设定值进行比较，随后，单片机操作控制电路控制温度控制元件(如帕尔贴或热管器件)对导热块进行制冷或加热。

本发明提供的微反应器中，选用高导热性的金属介质代替常用液体介质作为导热块对样品进行恒温控制，由金属构成的导热块被加热或制冷时温度响应快速，同时系统能够实时精确的控制导热块的温度，从而能够提供一种温度稳定可控的样品环境，且该样品环境中的温度还具有很高的控制精度和速度，然而，由于金属没有较大热容，所以本发明提供的这种微反应器对样品温度控制的精度和速度都优于目前常用的水浴溶液反应装置。

此外，可通过改变密封垫的厚度来改变样品池的大小。惰性薄层的设置可防止金属与样品之间发生化学反应同时又保证较高导热率。该微反应器中可设置多个样品进出口，以实现不同样品的连续更换及多种样品的在线混合。温控元件可使用至少一个，可根据需要单个或多个，以获得不同的加热或制冷功率，从而实现更大的温度控制范围。该微反应器中所用温度传感器用于获得样品的实时温度，可为热电阻、热电偶或数字温度集成元件等。温度传感器输出温度信号后，经信号放大器放大后再最终转换为数字信号，然后通过单片机控制器进行数据处理、温度显示、控温操作模式选择等。同时，单片机还可以由串口与上位机之间连接，由上位机进行控制操作，如设定温度，温度的实时显示等。惰性平板可用透明材料制成，从而能够实现在对样品进行温度控制的同时，利用光学方法直接获得样品的相关理化参数。

本发明提供的快速恒温微反应器具有变温迅速、稳定性好、精度高、体积小、使用方便的特点。本发明选择金属介质作为热导介质，半导体制冷/制热器件作为温控元件，克服了传统恒温水浴体积大，控温速度慢的缺点，减小了控温系统的体积，同时提高了温度控制精度。该微反应器可方便的与其他仪器配合，可用于现场测量。该微反应器配以高精度的温度控制电路，便能够快速将温度稳定在所需的值，其控制精度由温度控制电路决定，能满足分析仪器对样品溶液恒温的要求。该微反应器作为表面等离子体共振仪、共振光散射仪等分析仪器的样品池，并与微流控芯片结合，可实现被控单元中样品温度的快速变温及精确恒温控制，能够满足对温度敏感的生物样品的高精度测量使用要求。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的快速恒温微反应器的结构示意图；其中，1为散热块，2为温度控制元件，3为温度传感器，4为导管，5为绝热外壳，6为导热块，7为惰性薄层，8为密封垫，9为惰性平板，10为样品池，11为引线槽。

图2为本发明提供的快速恒温微反应器的侧视图；其中，1为散热块，2为温度控制元件，3为温度传感器，4为导管，5为绝热外壳，6为导热块，7为惰性薄层，8为密封垫，9为惰性平板，10为样品池，11为引线槽。

图3为本发明提供的快速恒温微反应器的俯视图；其中，2为温度控制元件，3为温度传感器，4为导管，6为导热块，7为惰性薄层，8为密封垫，11为引线槽，12为螺丝。

图4为本发明实施例2提供的快速恒温微反应器的侧视图；其中13为微流控芯片，14为微流控芯片内的微通道。

图5为本发明实施例2提供的快速恒温微反应器的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。需要说明的是，以下给出的实施例不构成对本发明的限定。

实施例1

该快速恒温微反应器的结构示意图如图1所示。样品池10是由厚度为0.2mm的惰性薄层7，密封垫8和惰性平板9形成的封闭长方体空间，样品池尺寸为20mm×20mm×0.5mm。选用玻璃作为构成惰性薄层的材料，选用道康宁(DowCorning)公司出售的型号为Sylgard 184的硅橡胶PDMS作为构成密封垫圈的材料。在进行温度控制时，导热块6通过温度控制元件2被加热或制冷，给样品池10内的试液提供一个均匀的温度环境。选用铜作为构成导热块6的材料，选用秦皇岛富连京电子公司出售的型号为FPH1-1707NC的半导体加热制冷片作为温度控制元件2。

在导热块6的上外部表面与绝热外壳5上部内表面所形成的空间内设置温度控制元件2，并用导热脂接触良好的将温度控制元件2粘于导热块6的上外部表面，并由外部电路控制其对导热块6进行加热或制冷以及加热或制冷的功率。选用环氧树脂(万达化工，型号：WD-804)作为构成绝热外壳5的材料。

靠近导热块6下外表面处开有一个小凹槽，凹槽下表面与导热块下表面间隔小于0.5mm(优选0.2mm)的距离。在小凹槽内安置温度传感器3，同时用导热胶将温度传感器与小凹槽间隙填满，惰性薄层7覆盖在导热块6下外表面将其直接与样品隔开。温度传感器3的引出线从引线槽11导出，在引线槽11的边缘部分做良好的密封处理。选用HAYASHI DENKO公司出售的型号为1632的pt100热电阻作为温度传感器，通过常规机械加工方法得到引线槽。由于惰性薄层7厚度薄，导热迅速，温度传感器3可以精确的实时获得样品池10内样品的温度值，温度值通过模数转换后以数字形式输出。

若希望得到更高的温度控制精度，可以在导热块6靠近下外部表面处设置多个温度传感器3，以获得样品池内不同位置的温度分布情况。

图2为该反应器的侧视图。如图2所示，样品池10是由惰性薄层7，密封垫8和惰性平板9形成的封闭长方体空间，在样品池10的上方导热块6和惰性薄层7的垂直方向上开有通孔用于设置导管4，在导热块6上外表面处贴有温度控制元件2，导热块的下外表面附近开有小凹槽用于放置温度传感器3，惰性薄层7覆盖在导热块6下外表面将其直接与样品隔开，密封垫8设置在惰性薄层7与惰性平板9之间，并在外力的作用下形成一个封闭的样品池10。

图3为该反应器的俯视图。如图3所示，散热块1通过螺丝12与绝热外壳5相连，导管4的出口位于导热块6底部，密封垫8将导热块6周围密封形成中间封闭的样品池10。所用散热块为纯铜材料，通过常规机械加工方法按照所需形状加工而得。

在实际使用中，用力将密封垫8压于在惰性薄层7与惰性平板9之间，然后通过导管4将样品注入到样品池10，并使样品处于静止状态。当设定了温度后，样品池10内的温度值通过温度传感器3反馈到单片机控制系统并与温度的设定值进行比较，随后，在控制系统的驱动下温度控制元件2(半导体加热/制冷片)对导热块6进行加热/制冷。而当温度趋近于设定值时，则可进行测量。当需要更换被测样品时，可以直接通过导管4先将样品池10内部冲洗干净，然后再通入相应被测样品。

由于金属介质导热块6被加热或制冷时温度响应快速，使系统能够实时精确的控制金属导热块6的温度，从而为样品提供了一个可受控制的温度环境，且其控制温度的稳定性还可以通过较高的控制精度和速度来保证，虽然金属没有较大热容，这种结构中对样品温度控制的精度和速度都优于使用水浴溶液的设计。配以高精度的温度控制电路，能实现样品温度的快速变温及精确恒温控制。本实施例能够实现20mm×20mm×0.5mm区域内1℃-99℃恒温控制，温度稳定性为0.2℃。

同时，该反应器直接利用惰性薄层7，密封垫8和惰性平板9形成的封闭长方体空间样品池，通过改变密封垫8的厚度可以改变样品池的大小，十分有利于构筑微量样品池，同时与样品接触部分为惰性薄层7，防止金属与样品之间发生化学反应同时又保证较高导热率。

实施例2

本实施例为采用微流控芯片的快速恒温反应器，其结构示意图如图4和图5所示；图4为侧视图，图5为俯视图。其中，13为微流控芯片，14为微流控芯片内的微通道，通道出口与入口分别与导管相通。微通道的样式根据实际需要设定，不受此图限制。

该实施例用微流控芯片13替代实施例1中的惰性薄层、密封垫和惰性平板，以微流控芯片中的微通道区域14作为该反应器的样品池。所述微流控芯片13为玻璃微通道芯片，此芯片通过该领域内玻璃湿法刻蚀技术以及热封合技术得到。具体操作步骤为：首先将用曝光方法将所需通道图案复制到在镀有金属铬的玻璃片表面上，将通道部分的铬层除去，让后将玻璃浸入浓度为1M的HF水溶液中30分钟，在未被铬覆盖的区域(此区域为通道区域)刻蚀出50微米深的通道，然后除去通道外区域的金属铬，最后在525℃下将此玻璃片刻有通道一面与另外一片玻璃片封合成一整体，如此便得到具有内部通道的玻璃微流控芯片，通道与外部相关连接位置上钻有相应的孔。该芯片可用PDMS或PMMA微流控芯片替换。微流控芯片的微通道距离导热块0.5mm。微流控芯片13与导热块6直接接触，选用铝作为构成导热块的材料。导热块与微流控芯片之间根据需要可设置用于增加热传递的导热胶或导热脂。导热块6上表面设置有凹槽，凹槽下表面与导热块下表面间隔0.1mm。凹槽内放置温度传感器3，选用日本semitec公司出售的AP系列热电阻。导热块6设置于绝热外壳5内部，且其上表面与温度控制元件相贴，凹槽，温度传感器3，导热块11，温度控制元件2之间的间隙可以通过导热脂或导热胶填充，以增强热传导效率。本实施例中的绝热外壳5的材质为聚四氟乙烯。温度控制元件2为秦皇岛富连京电子公司出售的型号为FPH1-1708NC的半导体制冷片。与温度控制元件2上表面接触的是散热块1，为纯铜材料，通过常规机械加工方法按照所需形状加工而得。

在实际使用中，两种不同的样品可分别通过样品导管4a和4b同时通入到微流控芯片13的通道内，并从导管4c流出。通过设置温度，以及对温度传感器与温度控制元件的反馈控制，可以直接对微流控芯片通道内温度进行准确控制，实现不同样品精确恒温混合过程控制。

该反应器体积小，易于与微流控芯片结合，配以高精度的温度控制电路，能实现样品温度的快速变温及精确恒温控制。本实施例能够实现50mm×0.1mm×0.08mm微流控芯片通道区域内1℃-99℃的恒温控制，温度稳定性为0.2℃。

Claims

1.一种快速恒温微反应器，包括样品池和设在所述样品池顶部的至少一个样品进出口；其特征在于：所述样品池的底为惰性平板，样品池的顶为惰性薄层，所述惰性平板和惰性薄层之间是由密封垫形成的样品池壁；所述惰性薄层之上设置有导热块和温度传感器，所述温度传感器包覆于所述导热块中；所述导热块之上设置有温控元件，所述温控元件之上设置有散热块；在所述导热块与所述温控元件的侧壁上包覆有绝热外壳；所述样品池的样品进出口通过管路与外界相通。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述管路开口于所述绝热外壳上。

3.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于：所述构成绝热外壳的材料为高分子材料；所述构成惰性平板的材料为金属或非金属材料；所述构成惰性薄层的材料为金属、非金属材料或高分子材料；所述构成密封垫的材料为高分子材料；所述构成样品池的样品进出口与外界相通的管路的材料为金属、无机非金属材料或高分子材料；所述构成导热块的材料为金属。

4.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于：所述构成绝热外壳的材料为聚四氟乙烯、酚醛树脂或环氧树脂；所述构成惰性平板的材料为不锈钢或玻璃；所述构成惰性薄层的材料为玻璃、聚四氟乙烯或不锈钢；所述构成密封垫的材料为硅橡胶或氟橡胶；所述构成样品池的样品进出口与外界相通的管路的材料为不锈钢、石英、聚醚醚酮或聚四氟乙烯；所述构成导热块的材料选自铜、铝和黄铜中的至少一种。

5.根据权利要求1-4任一所述的反应器，其特征在于：所述温控元件为帕尔贴或热管器件；所述散热块的散热方式为风冷散热、水冷散热或热管散热。

6.一种快速恒温微反应器，包括样品池和设在所述样品池顶部的至少一个样品进出口；其特征在于：所述样品池为微流控芯片内的微通道区域；所述微流控芯片外表面之上设置有导热块和温度传感器，所述温度传感器包覆于所述导热块中；所述导热块之上设置有温控元件，所述温控元件之上设置有散热块；在所述导热块与所述温控元件的侧壁上包覆有绝热外壳；所述样品池的样品进出口通过管路与外界相通。

7.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于：所述管路开口于所述绝热外壳上。

8.根据权利要求6或7所述的反应器，其特征在于：所述构成绝热外壳的材料为高分子材料；所述构成惰性薄层的材料为无机非金属材料或高分子材料；所述构成导热块的材料为金属；所述构成密封垫的材料为高分子材料；所述构成样品池的样品进出口与外界相通的管路的材料为金属、无机非金属材料或高分子材料；所述构成微流控芯片的材料为玻璃、聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。

9.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于：所述构成绝热外壳的材料为聚四氟乙烯、酚醛树脂或环氧树脂；所述构成惰性薄层的材料为玻璃或聚四氟乙烯；所述构成导热块的材料选自铜、铝和黄铜中的至少一种；所述构成密封垫的材料为硅橡胶或氟橡胶；所述构成样品池的样品进出口与外界相通的管路的材料为不锈钢、石英、聚醚醚酮或聚四氟乙烯。

10.根据权利要求6-9任一所述的反应器，其特征在于：所述温控元件为帕尔贴或热管器件；所述散热块的散热方式为风冷散热、水冷散热或热管散热。