CN103708408A

CN103708408A - 一种微纳流体驱动装置

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Publication number: CN103708408A
Application number: CN201310695459.3A
Authority: CN
Inventors: 汪夏燕; 冯雅楠; 杜洋; 刘淑珍; 郭广生
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-04-09

Abstract

一种微纳流体驱动装置，属于分析化学技术领域。其由含有正、负电荷的整体柱作为泵元件，将含有正电荷的整体柱和含有负电荷的整体柱串联起来组成一个微液压电池，采用一台高压直流电源和两个外界电极施加电压，推动下游微纳通道内液体的流动，将电能转换成液压，从而产生稳定的输出压力，构筑成一个微纳流体的驱动装置。本发明所述的微纳流体驱动装置属于非机械型微泵，不需要机械装置，因此组装简单方便，更有利于集成在芯片上。本发明可以通过调节外界电极的电压方向来调节微通道内液体的流向，还可以在不提高外界施加电压的条件下，通过微“液压电池”的串联提高了输出的泵压。

Description

一种微纳流体驱动装置

技术领域

本发明涉及一种以电渗为驱动力的微纳流体的驱动装置。通过光聚合法制备泵元件来构建微“液压电池”，通过微“液压电池”的串联和并联构筑微“液压电池组”，可用于微纳分析，具体涉及构成微“液压电池”的泵元件的制备方法、条件的优化及其组装，属于分析化学技术领域。

背景技术

近年来随着微型分析仪器以及芯片技术的发展，作为微流体系统重要组成部分的微泵也受到越来越多的关注。目前微泵的种类很多，按照液体驱动形式主要分为两大类：机械型微泵和非机械型微泵。机械型微泵已经十分成熟并且达到商业化，但是这种机械型微泵不可避免的需要机械型结构，因此在实现微型化上有一定的局限性，而且不能够集成在芯片上，在微分析系统中的应用也因此受到了一定的限制。非机械型微泵相对于机械型微泵更容易集成于芯片上，因此获得了广泛的关注，以电渗驱动为原理的电渗泵就是其中一种最具潜力的高压非机械型微泵。与其他微泵相比，电渗泵具有以下优点：流向是双向可控的；流速和流量可以由外加电压的大小的改变来连续可调；可以产生稳定的无脉冲的流动；泵体没有活动的部件；能够很容易的集成于微流控芯片平台。

电渗驱动型微泵是由Pretorius等人（Journal of Chromatography,1974,99,23-30）首次提出的。这种以电渗驱动为原理的微泵工作原理类似于毛细管电色谱，通过在毛细管或者微通道内填充或者键合某种介质，来增加电渗流的逆流阻力，提高输出压力,从而实现对微流量液体的精确操控。目前以电渗驱动为原理的电渗泵可以分为四种类型：填充柱型、开管型、多孔膜型、整体柱型。其中整体柱在制作过程中不需要烧结塞子，制作过程简单，同时整体柱的孔材料和表面化学性质容易控制，因此整体柱是制备这种微泵的理想材料。而整体柱按照其制备材料通常分为两种：硅胶整体柱和有机聚合物整体柱。硅胶型整体柱存在一个主要缺点就是在碱性溶液中柱结构易瓦解，因此在实际应用中受到一定的限制。但是有机聚合物整体柱则能克服这一缺点，应用范围要相对广泛。目前制备有机聚合物整体柱的方法通常为热聚法，这种方法能够制备出多孔分布均匀、结构稳定、耐高压的整体柱，但是存在一个显著的缺点就是往往耗时较长。而采用光引发的方法制备整体柱则可克服这个问题。鉴于此，可以通过光聚法制备整体柱作为泵元件，用于构建一种以电渗为驱动力的微纳分析的驱动装置，并且对提高驱动装置的输出泵压进行研究。

发明内容

发明的目的是通过光聚法制备含有正或负电荷的整体柱，并且将制备的含有正或负电荷的整体柱作为泵元件连接在一起构成一个以电渗驱动为原理的微“液压电池”，通过将多个微“液压电池”进行串联或并联，在不提高外界施加电压的条件下，通过微“液压电池”的串联可以大幅度地提高输出的泵压，通过微“液压电池”的并联可以提高输出的流量，用以满足微纳分析的要求。

本发明采用如下技术方案：

一种微纳流体驱动装置，其由含有正、负电荷的整体柱作为泵元件，将含有正电荷的整体柱和含有负电荷的整体柱串联起来组成一个微“液压电池”，采用一台高压直流电源和两个外界电极施加电压，推动下游微纳通道内液体的流动，将电能转换成液压，从而产生稳定的输出压力，构筑成一个微纳流体的驱动装置。其中泵元件的制备是在经过硅烷化的微通道内通过原位聚合的方法将有机聚合物溶液采用光引发的方法聚合成含有正、负电荷的整体柱，这种在微通道内制备出来的带电荷的整体柱，即可作为微纳流体驱动装置的泵元件。

所述的微纳流体驱动装置的输出压力是两个整体柱泵元件的输出压力之和。

通过调节外加电压的方法来调节微“液压电池”的输出压力和微通道流量，压力范围是0～5000psi，微通道的流量可以达到1μL/min及以上。

将数个微“液压电池”串联起来组成微“液压电池组”，该微“液压电池组”的输出压力是相应的微液压电池的输出压力之和。

将多个微“液压电池”进行串联或并联，在不提高外界施加电压的条件下，通过微“液压电池”的串联提高了输出的泵压，通过微“液压电池”的并联提高输出的流量；用以满足微纳分析的要求。

构建微“液压电池”的泵元件即含有正、负电荷的整体柱，属于有机聚合物整体柱，该有机聚合物溶液由单体、交联剂、致孔剂和引发剂构成，其中单体是甲基丙烯酸丁酯，含有正电荷的功能单体是[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵，含有负电荷的功能单体是2-丙烯酰胺2-甲基丙磺酸、交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯，致孔剂由正丙醇、1,4-丁二醇和水组成；通过光聚合的方法将有机聚合物溶液在微通道内原位聚合制得有机聚合物整体柱，聚合时间为5～40分钟。

所述的微通道为25-500μm内径的毛细管，或为25-500μm深度的微流控芯片通道。

本发明所述的一种微纳流体驱动装置的制备方法如下：

本发明中含有正或负电荷的整体柱的制备采用光引发原位聚合的方法，将有机聚合物溶液注入到硅烷化的微通道内，在紫外灯下照射5～40分钟，即可制得所需的整体柱。实验制备整体柱的有机聚合物溶液由单体、交联剂、致孔剂和引发剂构成，其中单体是甲基丙烯酸丁酯，含有正电荷的功能单体是[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵，含有负电荷的功能单体是2-丙烯酰胺2-甲基丙磺酸、交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯，致孔剂由正丙醇、1,4-丁二醇和水组成。实验中固定其他组分的含量不变，通过调节致孔剂中三种组分的配比来制备孔径和粒径均达到要求的整体柱，以实现均匀的整体柱结构和较高的输出压力的目的。选用的微通道的有效内径或深度为25-500μm。最后通过SEM表征有良好的多孔结构。

将一个正电荷整体柱泵元件和一个负电荷整体柱泵元件串联起来组成一个微“液压电池”，此微“液压电池”的输出压力是两个整体柱泵元件的输出压力之和。将微“液压电池”通过串联可以提高输出的泵压，将微“液压电池”通过并联可以提高输出的流量。由本发明所设计的装置，采用一台高压直流电源和两个外界电极施加电压，构建微“液压电池”，推动下游微纳通道内液体的流动，将电能转换成液压，从而产生稳定的输出压力，构筑成一个微纳流体的驱动装置。该微纳流体驱动装置，可以通过调节外加电压的方法来调节微“液压电池”的输出压力和微通道流量，压力范围是0～5000psi，微通道的流量可以达到1μL/min及以上。微纳流体驱动装置输出压力的表征是通过在液体出口一端通过施加反压，观察液体出口端微通道内液面的位置的变化，来测量输出压力的大小。将数个微“液压电池”串联起来组成微“液压电池组”，用同样的方法测量输出泵压，发现测量的微“液压电池组”的输出压力是相应的微“液压电池”的输出压力之和。

本发明可以获得如下效果：本发明所述的微纳流体驱动装置属于非机械型微泵，不需要机械装置，因此组装简单方便，更有利于集成在芯片上。该驱动装置可以通过调节外界电极的电压方向来调节微通道内液体的流向，还可以在不提高外界施加电压的条件下，通过微“液压电池”的串联提高了输出的泵压，通过微“液压电池”的并联提高输出的流量；用以满足微纳分析的要求。另外由于该装置的便携性，更有助于该装置通其他分析仪器相连接，如高效液相色谱、质谱、毛细管电泳、毛细管电色谱等，因此可以作为分析化学领域中一种有效的微纳流体的驱动装置。

附图说明

图1是本发明所构建的微纳流体驱动装置的结构示意图；

图2是三元致孔剂最佳配比下的含有正电荷的SEM图；

图3是三元致孔剂最佳配比下的含有负电荷的SEM图；

图4是正、负泵元件以及它们组成的一个微“液压电池”的外加电压与输出压力关系图

图5是本发明由三个微“液压电池”串联所构建的微纳流体驱动装置的外加电压与输出压力关系图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提供的微纳流体驱动装置的结构是由以下几个部分构成：含有正、负电荷的泵元件，无气泡电极，高压直流电源，外界电极和储液池。将含有正电荷的泵元件2和含有负电荷的泵元件3串联起来，在正、负泵元件串联结合部分以及泵元件的两端连接无气泡电极1，最后将无气泡电极同储液池4连接，在储液池内加入外界电极，通过对外界电极施加高压直流电来驱动微通道内液体的流动，构成微“液压电池”，将多个微“液压电池”串联起来即可构成微“液压电池组”。

本发明的微纳流体驱动装置，可以通过调节外加电压的方法来调节微“液压电池”的输出压力和微通道流量，压力范围是0～5000psi，微通道的流量可以达到1μL/min及以上。

如图2和图3所示，本发明中构成微“液压电池”的泵元件是含有正、负电荷的整体柱，该整体柱属于有机聚合物整体柱，具有良好的稳定性以及耐有机溶剂的性能，在极端的pH条件下仍能保持结构的稳定。该有机聚合物溶液由甲基丙烯酸丁酯、含有正或负电荷的功能单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯、以及由正丙醇、1,4-丁二醇和水组成的三元致孔剂组成，发明中通过调节三元致孔剂中不同组分的配比来控制整体柱的粒径和孔径，以实现均匀的整体柱结构和较高的输出压力的目的。发明中采用的是内径或深度为25-500μm的微通道，将有机聚合物溶液注入到微通道内，通过光聚合的方法在微通道内原位聚合制得整体柱。

如图4所示为本发明中正、负泵元件以及一个微“液压电池”的外加电压与输出压力关系图。从图中可知，在施加相同外加电压时，该微“液压电池”的输出压力是组成它的正、负泵元件的输出压力之和。

如图5所示为本发明中一个微“液压电池”以及由两个微“液压电池”和三个微“液压电池”串联起来组成的微“液压电池组”的外加电压与输出压力关系图。从图中可以看出，在施加相同外加电压的条件下，由两个微“液压电池”串联起来组成的微“液压电池组”的输出压力是一个微“液压电池”的两倍，由三个微“液压电池”串联起来组成的微“液压电池组”是一个微“液压电池”的三倍。

Claims

1.一种微纳流体驱动装置，其特征在于：其由含有正、负电荷的整体柱作为泵元件，将含有正电荷的整体柱和含有负电荷的整体柱串联起来组成一个微液压电池，采用一台高压直流电源和两个外界电极施加电压，推动下游微纳通道内液体的流动，将电能转换成液压，从而产生稳定的输出压力，构筑成一个微纳流体的驱动装置；其中所述的泵元件在经过硅烷化的微通道内通过原位聚合的方法将有机聚合物溶液引入微通道内采用光引发的方法聚合成含有正、负电荷的整体柱，这种在微通道内制备出来的带电荷的整体柱，即可作为微纳流体驱动装置的泵元件。

2.按照权利要求1所述的微纳流体驱动装置，其特征在于：其输出压力是两个整体柱泵元件的输出压力之和。

3.按照权利要求1或2所述的微纳流体驱动装置，其特征在于：通过调节外加电压的方法来调节微液压电池的输出压力和微通道流量，压力范围是0～5000psi，微通道的流量可以达到1μL/min及以上。

4.按照权利要求1或2所述的微纳流体驱动装置，其特征在于：将数个微液压电池串联起来组成微液压电池组，该微液压电池组的输出压力是相应的微液压电池的输出压力之和。

5.按照权利要求1所述的微纳流体驱动装置，其特征在于：将多个微液压电池进行串联或并联，在不提高外界施加电压的条件下，通过微液压电池的串联提高了输出的泵压，通过微液压电池的并联提高输出的流量；用以满足微纳分析的要求。

6.按照权利要求1所述的微纳流体驱动装置，其特征在于：构建微液压电池的泵元件即含有正、负电荷的整体柱，属于有机聚合物整体柱，制备所述整体柱的有机聚合物溶液由单体、交联剂、致孔剂和引发剂构成，其中单体是甲基丙烯酸丁酯，含有正电荷的功能单体是[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵，含有负电荷的功能单体是2-丙烯酰胺2-甲基丙磺酸、交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯，致孔剂由正丙醇、1,4-丁二醇和水组成；通过光聚合的方法将有机聚合物溶液在微通道内原位聚合制得有机聚合物整体柱，聚合时间为5～40分钟。

7.按照权利要求1所述的一种微纳流体驱动装置，其特征在于：所述的微通道为25-500μm内径的毛细管，或为25-500μm深度的微流控芯片通道。