CN103308426B - 液体分子扩散系数的微流控测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体分子扩散系数的微流控测试方法，包括a.将待测液体分为两份，其中一份为待测原液，另一份中溶解1×10^-4~1×10^-3g/L的荧光示踪剂作为对比液；b.将原液与对比液分别经微流控芯片进样口同时以相同速度注入芯片；c.待流动稳定后，获取待测液体传质过程的荧光图像；d.定义扩散角<i>θ</i>；e.选取荧光图像上荧光示踪剂浓度为0.6～0.8的相对浓度线上的数据<i>l</i>和<i>δ</i>，得出扩散角<i>θ</i>；f.得到液体分子扩散系数。本发明的测试方法简便，其图像数据精度较高，误差可控制在3%以内。此外，本发明提出的方法可用于常规流体分子扩散系数的测定，具有样品耗量小、测试结果准确、分析效率高等优点，适宜于科研实验以及实验教学使用。

Description

液体分子扩散系数的微流控测试方法

技术领域

本发明一种液体分子扩散系数的微流控测试方法。

背景技术

世界是物质的。作为揭示物质本质的最基本物理量之一的物质热物性参数，不仅仅是衡量材料性能的数量依据，而且是对特定过程进行基础研究、分析计算和工程设计的重要参数。分子扩散系数是表征物质扩散传质的重要物理量。在许多传输与反应过程中，尤其是涉及到扩散控制的传质过程中，分子扩散速率的测定与计算对这些过程工程的精确量化具有重大意义。对于液相分子扩散系数，由于液体分子结构紧密堆积，运动杂乱无章，分子间作用难以准确定论，虽然多年来Taylor等学者一直致力于扩散系数的理论模型的研究，但是迄今为止仍然没有一个确切的且能广泛适用的结果可以用来描述液相扩散过程，因此关于液相分子扩散系数的研究仍是以实验为主来获取数据，而实验测试中的主要技术问题则主要表现为温度或压力的微小扰动都可能干扰扩散过程而引起测量误差。近年来，随着新型替代燃料、生物化工、环境污染控制和同位素分离等行业的兴起与发展，物质分子扩散系数的理论推算和实验研究变得越来越重要。为减少传统测试技术中的误差因素或将其控制在一定范围之内，诸如膜池法、Taylor分散法，光学方法，全息干涉法等多种实验技术得到很快发展。各种方法相比较之下，光学测量容易受到微小扰动的影响而造成较大的实验误差；激光全息干涉法在将全息术与普通光干涉术相结合后，具有系统简单、精度与灵敏度高、不干扰流场、实时观测等优点，尤其是随着CCD相机和计算机技术的发展，数字全息干涉法已呈现出逐步取代经典全息干涉法的态势。但是激光全息干涉法在测试过程中对实验者的操作水平要求高，操作不当或流体密度差偏高都将引起较大的实验误差甚至导致实验失败。因此，适当提高测试的自动化程度，减少人为干扰因素的影响，不仅有利于提高分子扩散系数的测试精度，也是未来测试技术进一步发展的方向。

近年来纳米科技、微电子机械系统(MEMS)、低维材料、纳米生物医药等领域高新技术的迅速发展，推动着热物性测试从传统方法研究进入了一个以“亚微米一纳米尺度低维材料和微器件热物性测试新原理、新方法和新装置的研究”为主要标志的新发展阶段。与此同时，空间技术，新能源和保温技术，生物化工，环保等行业的发展，使得进入人类认知领域的材料种类越来越广，需要测量的热物性参数也越来越多，这些都急切地要求相应的测试方法和测试装置朝着简单、快捷、动态、高灵敏度、高精确性的方向继续发展。而二十世纪九十年代出现和发展起来的“微全分析系统”则为实现上述目标提供了有效手段。

20世纪90年代初Manz和Widmer首次提出“微型全分析系统”的概念，其核心技术是通过以微流控技术（Microfluidics）为基础的微流控芯片，即将化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测与细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米（甚至更小）的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术平台。由于微流控芯片的主要特征是芯片的有效结构至少在一个以微米为数量级的维度上，与宏观尺度的实验装置相比，微流控芯片的微细结构显著增大了其内部流体的比表面积，极大地强化了传热传质速度，并因此带来了明显优越于宏观设备的体系性能，具有设备体积小，响应快，控制好、分析效率高，试样和试剂消耗量小（可以微升计）、有利于实现装置高度集成化、自动化等特点。在过去三十年中该研究热点已逐渐发展成为当前世界最前沿的科技领域之一，并广泛应用于生物样品分析、药物分析、化学过程分析和环境分析等许多领域。

我国关于微流控芯片的研究也卓有成效。自上世纪90年代起王立鼎院士在微光机电系统方面、方肇伦院士在微流控芯片试样引入与前处理技术、集成制造工艺和芯片分离理论与应用方面就展开了大量的研究工作。在微流控芯片系统功能方面，以中国科学院大连化学物理研究所林炳承研究员为首的课题组开发了具有自主知识产权的的四类微流控芯片仪，其中以微流控芯片实验室为基础的SARS病毒基因RT-PCR电泳检测系统在系统性能（分辨率、灵敏度、准确性和可靠性）、检测速度、价格等方面均优于临床使用的PCR-Agrose电泳检测法。其他科学家使用微流控芯片在精细化工、蛋白质分析与药物筛选方面也取得了令人瞩目的成就，但有关微流控芯片在热物性测试领域的应用研究鲜有报道。东北大学有硕士论文介绍使用化学显色法在微通道内测试扩散系数的工作，但是对实验装置和技术缺乏具体描述，并且由于测试方法过于粗糙，结果误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种液体分子扩散系数的微流控高精度测试方法。

为了达到上述目的，本发明的测试方法包括:a.将待测液体分为两份，其中一份为待测原液，另一份中溶解1×10^-4~1×10^-3g/L的荧光示踪剂作为对比液；b.将原液与对比液分别经微流控芯片进样口同时以相同速度注入芯片；c.待流动稳定后，获取待测液体传质过程的荧光图像；d.定义扩散角θ:设定某种流体在进入微通道之前的浓度值为1，进入微通道后与另一种流体混合,相互扩散，定义混合后的相对浓度值为α,则相对浓度值为α和1-α两条相对浓度线的夹角即为扩散角θ；e.选取荧光图像上荧光示踪剂浓度为0.6～0.8的相对浓度线上的数据l和δ，其中l为横向扩散长度，δ为纵向扩散宽度，再根据公式tanθ=δ/l，得出扩散角θ；f.将θ代入公式logtan(θ/2)=(-1/2)logPe－(1/2)log(2L/l)，其中L为芯片的特征长度，即可得Pe准数，从而得到液体分子扩散系数。

优选地，本发明方法步骤b中原液与对比液分别经微流控芯片的速度为5e ^-3~2.5e ^-1。

本发明中提出的测试方法简便，仅涉及流体流动等物理过程，测试中对流体扩散过程无直接接触与人工干扰，以荧光物质作为传质示踪剂，不影响流体物理化学性质，其图像数据精度较高，误差可控制在3%以内。此外，本发明提出的方法可用于常规流体分子扩散系数的测定，具有样品耗量小、测试结果准确、分析效率高等优点，适宜于科研实验以及实验教学使用。

具体实施方式

以水为例，测定其扩散系数的步骤如下：

1）取1L蒸馏水，在其中加入0.001g罗丹明B,混合均匀后取出一份10mL作为荧光示踪对比液。另取一份10mL的蒸馏水原液，采用注射器泵作为流体流动控制器，将蒸馏水原液与溶解有荧光示踪剂的对比液分别吸入两支注射器中并卡入注射器泵，注射器出口分别与微流控芯片进样口相连接。

2）设定注射器泵控制面板上的流速为0.005m/s，并同时启动两个注射器泵。

3）通过显微镜观测“Y”型微流控芯片中流体的流动情况，待流动稳定后，启动CCD摄像头以及与之相连的计算机，截取微流控芯片中液体扩散过程的清晰荧光图像。

4）对荧光图像进行数据处理，去除微流控芯片中流体流动入口段及出口段部分图像，取荧光示踪剂相对浓度为0.6的等值线，计算其扩散角度，并根据数学关系式计算得到蒸馏水分子扩散系数为2.158×10^-9m/s²。

改变入口速度（即可改变Pe数）重复实验，得出不同Pe数下的扩散角度，即可得到同一液体分子扩撒系数的多个实验测试数据，最后取平均值为2.227×10^-9m/s²。

Claims (1)

1.一种液体分子扩散系数的微流控测试方法，其特征是，包括：

a.将待测液体分为两份，其中一份为待测原液，另一份中溶解1×10^-4～1×10^-3g/L的荧光示踪剂作为对比液；

b.将原液与对比液分别经微流控芯片进样口同时以相同速度注入芯片；

c.待流动稳定后，获取待测液体传质过程的荧光图像；

d.定义扩散角θ：设定某种流体在进入微通道之前的浓度值为1，进入微通道后与另一种流体混合，相互扩散，定义混合后的相对浓度为值为α，则相抵浓度值为α和1-α两条相对浓度线的夹角即为扩散角θ；

e.选取荧光图像上荧光示踪剂浓度为0.6-0.8的相对浓度线上的数据l和δ,其中l为横向扩散长度，δ为纵向扩散长度，再根据公式tan(θ/2)＝δ/l，得出扩散角θ；

f.将θ代入公式logtan(θ/2)＝(-1/2)logPe+(1/2)log(2L/l)，其中L为芯片的特征长度，即可得Pe准数，从而得到液体分子扩散系数；

步骤b中原液与对比液分别经微流控芯片的速度为5e^-3～2.5e^-1m/s。