CN103111337A

CN103111337A - 一种用于研究声电场助滤动态过程的微流控实验装置

Info

Publication number: CN103111337A
Application number: CN2013100416328A
Authority: CN
Inventors: 张荣标; 杨宁; 徐佩锋; 张磊
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN103111337B

Abstract

本发明公开一种用于声电场助滤动态过程研究的微流控实验装置，包括毫米级微流控芯片，毫米级微流控芯片底部粘贴于封接底片上，毫米级微流控芯片的中间是反应室，反应室左右两侧中间是与反应室相连通的微通道，反应室内的中部是将反应室分隔成左右两个半室的超滤网组件，每个半室中设有与电场信号发生器相连并产生电场的二个电极板，在其中一个半室的外壁一侧设有与超声信号发生器相连并产生超声震荡信号的超声波换能器，将声电场助滤的动态过程引入到微尺度条件下，实现在微观尺度条件下对声电场助滤动态过程的观测。

Description

一种用于研究声电场助滤动态过程的微流控实验装置

技术领域

本发明涉及超滤、微流控技术，具体是一种用于声电场助滤动态过程研究的微流控实验装置，通过施加电场、超声场等多物理场，对超滤的动态过程从微观角度进行观测。

背景技术

超滤技术是一种以高选择透过性能的薄膜为分离介质、以机械筛分原理为基础、以膜两侧压差为动力，使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制薄膜，而大分子溶质不能透过，留在膜的一边，从而对双组分或多组分混合物体系进行分离、分级、提纯和富集的高新技术。目前超滤技术已经应用与生物医药制备、污水处理、土壤养分快速检测等众多行业当中。然而在超滤过程中，随着超滤的进行，在膜表面会出现浓差极化现象，从而降低膜通量。另外，分离溶质会与膜产生相互作用，在膜表面或膜孔内产生的吸附、沉积，会使膜孔堵塞或变小，或在膜表面形成附着层，使膜阻力增大，膜的渗透速率下降，造成膜污染。浓差极化和膜污染是超滤过程中存在的两个主要问题，它们会破坏膜的性能并最终缩短膜的寿命，增加膜的操作和维护费用，且会造成产品质量和目标产品收率降低。浓差极化和膜污染严重制约了超滤技术的大规模工业应用。

为了避免或减小此类现象的发生，可通过施加电场、超声场等多物理场来增加膜通透，降低膜污染。专利申请号：200620155007.1提出了一种超声场和高压交流脉冲电场复合强化的超滤膜分离组件。但该组件是一种宏观应用型装置，而超滤的动态过程则需要从微观角度进行观测，因此该装置并不能用于声电场助滤的超滤动态过程研究。然而研究微观动态过程是研究多场助滤机理的有效手段，为了便于研究人员研究多场助滤机理，需要一种便于进行微观观测的实验装置。目前，微流控技术已经成功的实现了微观观测实验，基于此提出了一种用于声电场助滤动态过程研究的微流控实验装置。

发明内容

本发明的目的是针对传统装置不能从微观角度研究声电场助滤机理的缺陷而提出一种用于声电场助滤动态过程研究的微流控实验装置，其与微体视粒子测速仪联用就能够对声电场助滤的微观动态过程进行观测和机理性分析，从而便于声电场助滤机理的研究。

为达到上述目的，本发明用于研究声电场助滤动态过程的微流控实验装置采用的技术方案是：包括毫米级微流控芯片，毫米级微流控芯片底部粘贴于封接底片上，毫米级微流控芯片的中间是反应室，反应室左右两侧中间是与反应室相连通的微通道，反应室内的中部是将反应室分隔成左右两个半室的超滤网组件，每个半室中设有与电场信号发生器相连并产生电场的二个电极板，在其中一个半室的外壁一侧设有与超声信号发生器相连并产生超声震荡信号的超声波换能器。

进一步地，每个电极板均通过各自的ITO引线引出，每个ITO引线的末端均连接一个焊盘，焊盘连接电场信号发生器。

进一步地，所述反应室的前后内壁上设有用于安装超滤网组件的滤网安装插槽，左右两个半室的前后内壁上均设有用于安装电极板的电极板插槽。

进一步地，所述超滤网组件包括滤网支撑架及超滤网体，超滤网体包夹于左右两片结构相同的滤网支撑架中间。

本发明与已有技术相比，具有如下优点：

1、本发明能够将声电场助滤的动态过程引入到微尺度条件下，便于观察以及机理性研究，实现在微观尺度条件下对声电场助滤动态过程的观测。

2、本发明中的超滤网是一种活动式连接结构，可以根据实验过程的需要，拆除滤网并对其进行检测。

3、本发明所述微流控实验装置的尺度为毫米级，使其雷诺数在4000以上，从而使得微观条件的流场条件与宏观条件一致，可用于宏观流场动态过程的模拟。

4、本发明采用传统PDMS微流控芯片制作工艺，加工简单。

5、本发明采用微流控芯片结构，容易与微体式粒子测速仪以及其他观测设备联用。

6、本发明采用毫米级微流控芯片作为实验载体，声电场装置与微流控芯片的耦合方式均为粘贴性连接，其耦合位置可以根据实验需要进行调整。

附图说明

图1是本发明用于声电场助滤动态过程研究的微流控实验装置的整体结构示意图；

图2是图1中毫米级微流控芯片本体结构俯视图；

图3是图1中毫米级微流控芯片与声电场发射装置的组装图，其中图3（a）是主视图，图3（b）是图3（a）的仰视图。

图4是本发明用于声电场助滤动态过程研究的微流控实验装置活动式超滤网组件的结构图，其中图4（a）为主视图，图4（b）为图4（a）的左视剖视图；

图5是本发明用于声电场助滤动态过程研究的微流控实验装置的具体应用例组装图。

附图中各部件的序号和名称：1.毫米级微流控芯片；2.微通道，3.封接底片；4.反应室结构；5.超声波换能器；6.超滤网组件；7.电极板；8.电极板插槽；9.滤网安装插槽；10. ITO引线；11.焊盘；12.防渗漏橡胶；13.超滤网体；14.滤网支撑架；15.反压泵；16.注射器；17.连接旋口；18.输液管；19.微流控芯片安装台；20.安装固定架；21.图像采集摄像头；22.激光发射装置；23.电场信号发生器；24.超声信号发生器；25.正压泵；26.紧固螺栓；27.微体式粒子测速仪。

具体实施方式

参见图1，为本发明一种用于声电场助滤动态过程研究的微流控实验装置的整体结构示意图，毫米级微流控芯片1采用二甲基硅氧烷（PDMS）材料通过模塑法制作，这保证整个毫米级微流控芯片1具有良好的透光率，便于微观条件下的观测。毫米级微流控芯片1的底部粘贴于封接底片3上，毫米级微流控芯片1的中间是反应室4，反应室4左右两侧中间是与反应室4相连通的微通道2，微通道2用于样品的压力传送，将实验样品传送至反应室4内。微通道2的上下高度为5mm，前后宽度也为5mm。反应室4的上下高度为5mm，前后宽度为1cm，左右长度为2cm。反应室4内的中部安装有超滤网组件6，将反应室4分隔成左右两个半室，在反应室4中安装有四个电极板7，每个半室中安装二个电极板7，每个电极板7均通过各自的ITO引线10引出，每个ITO引线10的末端均连接有一个焊盘11，用于对外连接。在其中一个半室的外壁一侧安装有超声波换能器5，用于产生超声震荡信号。

参见图1及图2，图2为本发明中毫米级微流控芯片1的本体结构俯视图。反应室4的前后内壁上设有滤网安装插槽9，用于安装超滤网组件6。左右两个半室的前后内壁上均设有一个电极板插槽8，用于安装电极板7，每个电极板插槽8底部均镀有ITO引线 10，ITO引线10为铟锡氧化物半导体，透光率可达到85%以上，对微流控芯片的光学特性影响较小。ITO引线10位于毫米级微流控芯片1的PDMS材料本体下方，位于封接底片3上方。ITO引线10末端露出毫米级微流控芯片1的PDMS材料本体外，并与焊盘11连接，焊盘11粘贴于封接底片3的上方，便于外接电路。

参见图1、图2及图3，图3为毫米级微流控芯片1与声电场发射装置的组装图。声电场发射装置包括超声波换能器5和电极板7，从图3中可以看出各个部件的相对位置，超声波换能器5为锆钛酸铅（PTZ）材料，该种材料具有较高的几点耦合系数，是常用的超声振动激发源。超声波换能器5紧贴安装于毫米级微流控芯片1的上表面以及反应室4的一个半室（图3仅示出左半室）上。超声波换能器5受信号激发后产生超声波并以毫米级微流控芯片1的本体材料为介质向反应室4内辐射超声波。电极板7分为a 、b、c、d四块，分别粘贴于电极板插槽8内，为了增加导电性并提高耐腐蚀性，电极板7选用银作为材料。a 、b、c、d四块电极板分两组，两两分布于左右两个半室的前后内壁上的电极板插槽8内。通过控制a 、b、c、d四块电极板的瞬时电压可以使反应室4内呈现不同的电场分布，用于研究不同电场分布方式（包括极性、频率、大小）对反应室4内粒子动态过程的作用。

参见图4，图4为活动式超滤网组件6的结构图。从图4中可以看出超滤网组件6主要由左右两片结构相同的滤网支撑架14以及中间一个超滤网体13组成。超滤网体13包夹于两片滤网支撑架14中间，两片滤网支撑架14用于防止超滤网体13受压力过大而损坏，滤网支撑架14通过四个紧固螺栓26将超滤网体13压紧。可以根据实验过程的需要，拆除超滤网体13并对其进行检测。滤网支撑架14的前后两端套装有防渗液橡胶12，使得滤网支撑架14能够紧固安装于滤网安装插槽9内，而且避免超滤过程中的液体渗漏。

参见图1及图5，图5为是本发明用于声电场助滤动态过程研究的微流控实验装置的具体应用例组装图。图5中所提出的用于声电场助滤动态过程研究的微流控实验装置安装于微体式粒子测速仪27的微流控芯片安装台19上，采用安装固定架20夹住毫米级微流控芯片1的封接底片3两侧，将其固定在微流控芯片安装台19上。毫米级微流控芯片1的微通道2两端分别通过输液管18与注射器16的小尺度端相连，注射器16的大尺度端通过连接旋口17与正压泵25和反压泵15相连接，正压泵25将待测样品送入毫米级微流控芯片1并向超滤网体13的一侧施加正压，反压泵15向超滤网体13的另一侧施加反压即真空吸抽力。正压力和真空吸抽力的综合作用使得超滤过程得以进行。电场信号发生器23通过导线焊接于毫米级微流控芯片1的焊盘11上，由此可向电极板7送出电压信号，使毫米级微流控芯片1反应室4内的超滤网组件6两侧产生随时间变化的电场。超声信号发生器24通过导线与毫米级微流控芯片1上表面的超声波换能器5相连接，由此向超声波换能器5发射不同的超声波激发信号。实验过程通过激光发射装置22发射激光激发毫米级微流控芯片1内的荧光离子发光。荧光离子在电场和超声场控制作用下随超滤过程进行动态的变化，图像采集摄像头21对荧光离子的动态变化过程进行连续的抓拍，实现超滤过程的动态观测。

Claims

1.一种用于研究声电场助滤动态过程的微流控实验装置，其特征是：包括毫米级微流控芯片（1），毫米级微流控芯片（1）底部粘贴于封接底片（3）上，毫米级微流控芯片（1）的中间是反应室（4），反应室（4）左右两侧中间是与反应室（4）相连通的微通道（2），反应室（4）内的中部是将反应室（4）分隔成左右两个半室的超滤网组件（6），每个半室中设有与电场信号发生器（23）相连并产生电场的二个电极板（7），在其中一个半室的外壁一侧设有与超声信号发生器（24）相连并产生超声震荡信号的超声波换能器（5）。

2.根据权利要求1所述的一种用于研究声电场助滤动态过程的微流控实验装置，其特征是：每个电极板（7）均通过各自的ITO引线（10）引出，每个ITO引线（10）的末端均连接一个焊盘（11），焊盘（11）连接电场信号发生器（23）。

3.根据权利要求1所述的一种用于研究声电场助滤动态过程的微流控实验装置，其特征是：所述反应室（4）的前后内壁上设有用于安装超滤网组件（6）的滤网安装插槽（9），左右两个半室的前后内壁上均设有用于安装电极板（7）的电极板插槽（8）。

4.根据权利要求1所述的一种用于研究声电场助滤动态过程的微流控实验装置，其特征是：所述超滤网组件（6）包括滤网支撑架（14）及超滤网体（13），超滤网体（13）包夹于左右两片结构相同的滤网支撑架（14）中间。

5.根据权利要求4所述的一种用于研究声电场助滤动态过程的微流控实验装置，其特征是：滤网支撑架（14）的前后两端套装有防渗液橡胶（12），防渗液橡胶（12）位于滤网安装插槽（9）内。