CN104084248B - 一种用于气体分离的填充式微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于气体分离的填充式微流控芯片，包括上层玻璃基片、下层玻璃基片和微通道；其特征在于所述微通道位于上层玻璃基片和下层玻璃基片之间；微通道内部填充有担体，在担体表面涂敷固定相，微通道上端设有进气口，微通道下端设有出气口，进气口与出气口位于上、下层玻璃基片的内表面左侧，且均与微通道内部连通，上层玻璃基片和下层玻璃基片的外表面靠近进气口和出气口的一侧对称地设有凹槽。本发明微流控芯片采用独特的微通道设计缩小了芯片本身的体积，采用填充式结构提高了气体的分离效果；同时配合专用的密封结构能很好地实现微流控芯片的整体密封，采用螺纹紧固密封方式，可反复拆卸，且密封性好。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片领域，特别是涉及一种用于气体分离的填充式微流控芯片。
背景技术
微流控芯片是以分析化学为理论基础，结合微机电加工技术(mems)方法，主要以微管道网络为结构特征，被广泛应用于分离分析、生物科学和生命医学研究等众多领域，是当前微全分析系统领域发展的重点。
气体分离分析方法中，以气相色谱法最为常见，而现代技术正逐渐将气相色谱仪器向着微型化的方面推进。气相色谱仪上的气体分离系统由于需要放在保温箱中空浴加热，占据色谱仪很大的体积，使得色谱仪显得体积比较庞大。
而目前，微流控芯片还从来没有用在气相色谱仪上。这种得益于微机电加工技术的微流控芯片技术是能把气相色谱仪上任何主要部件集成到微型芯片上，使得系统集成化。因此，微流控芯片成为解决气相色谱仪器的微型化这一问题的有效方法，微流控芯片是实现仪器便携化、小型化，集成化的最佳选择。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种用于气体分离的填充式微流控芯片。该芯片采用独特的微通道，涂敷固定相，能很好地实现气体的分离，且分离效果好；采用专用密封结构，解决了微流控芯片的密封问题。
本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是：设计一种用于气体分离的填充式微流控芯片，包括上层玻璃基片、下层玻璃基片和微通道；其特征在于所述微通道位于上层玻璃基片和下层玻璃基片之间；微通道内部填充有担体，在担体表面涂敷固定相，微通道上端设有进气口，微通道下端设有出气口，进气口与出气口位于上、下层玻璃基片的内表面左侧，且均与微通道内部连通，上层玻璃基片和下层玻璃基片的外表面靠近进气口和出气口的一侧对称地设有凹槽。
与现有技术相比，本发明微流控芯片独特的微通道设计缩小了芯片本身的体积，采用填充式结构提高了气体的分离效果；本发明采用独特的密封结构能很好的用于微流控芯片的密封，采用螺纹紧固密封方式，可反复拆卸，能承受承受10MPa的压力，且密封性好。
附图说明
图1为本发明用于气体分离的填充式微流控芯片一种实施例的左视结构示意图；
图2为本发明用于气体分离的填充式微流控芯片一种实施例的图1的A-A面的剖视结构示意图；
图3为本发明用于气体分离的填充式微流控芯片一种实施例的主视结构示意图；
图4为本发明用于气体分离的填充式微流控芯片的密封结构4的主视结构示意图；
图5为本发明用于气体分离的填充式微流控芯片的密封结构4的左视结构示意图；
图6为本发明用于气体分离的填充式微流控芯片一种实施例加有密封结构4的A-A面的剖视结构示意图；
图7为基于本发明用于气体分离的填充式微流控芯片检测得到的丁烷与乙醇混合气体的检测结果示意图；
图中，1.上层玻璃基片，2.下层玻璃基片，3.进气口，4.密封结构，5.微通道，6.出气口，8.担体，9.固定相，10.凹槽，41.管路，42.紧固接头，43.锥形密封体，44.金属螺纹紧固件，441.凸台，442.螺纹孔。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步介绍本发明。下述实施例仅是对本发明的进一步详细地说明及解释，并不以此限定本申请权利要求的保护范围。
本发明用于气体分离的填充式微流控芯片(简称芯片，参见图1-3)整体为矩形结构，包括上层玻璃基片1、下层玻璃基片2和微通道5；其特征在于所述微通道5位于上层玻璃基片1和下层玻璃基片2之间；微通道5内部填充有担体8，在担体8表面涂敷固定相9，微通道5上端设有进气口3，微通道5下端设有出气口6，进气口3与出气口6位于上、下层玻璃基片的内表面左侧，且均与微通道5内部连通，上层玻璃基片1和下层玻璃基片2的外表面靠近进气口3和出气口6的一侧对称地设有凹槽10。
本发明的进一步特征在于所述担体8是硅藻土、氟担体，粒径为80-160目。
本发明的进一步特征在于所述微通道5为先采用喷砂刻蚀方法在上、下层玻璃基片表面对称的形成半敞开通道，再通过热键合方法形成封闭通道。
本发明的进一步特征在于所述微通道5呈S型或螺旋型，微通道5总长度为0.5-10m，内径为1-6mm。
本发明的进一步特征在于所述上层玻璃基片1和下层玻璃基片2均采用石英、硅、玻璃，且两者的热膨胀系数相同。
本发明的进一步特征在于该芯片还包括密封结构4，该密封结构(参见图4-5)可与进气口3或出气口6相连，包括管路41、紧固接头42、锥形密封体43和金属螺纹紧固件44，所述金属螺纹紧固件44下端设有凸台441，凸台441与微流控芯片外表面的凹槽10相切合，金属螺纹紧固件44的上端两侧均设有螺纹孔442；所述管路41与微流控芯片的进气口3或出气口6相通，紧固接头42与锥形密封体43中心均设有通孔，管路41下端通过锥形密封体的通孔与锥形密封体43相连，管路41上端通过紧固接头的通孔与紧固接头42相连，管路41插入金属螺纹紧固件的螺纹孔442中，管路41下端正好插入进气口2或出气口6，紧固接头42与金属螺纹紧固件的螺纹孔442螺纹配合连接。
本发明用于气体分离的填充式微流控芯片(参见图6)在使用时，金属螺纹紧固件上的凸台441与微流控芯片外表面的凹槽10相连接，进气口3连接的是气路系统，出气口6连接的是检测系统，对于进气、出气均需要保证微流控芯片处于密封的体系中。针对出气口6，将管路41下端插入锥形密封体43，同时管路41下端与出气口6相连，紧固接头42紧紧挤压锥形密封体43变形，从而将出气口6密封。类似地，可实现对进气口3的密封。最后通过同时螺旋挤压进气口3和出气口6的紧固接头42，使密封结构4与微流控芯片紧密相连，解决了其严格密封问题。
本发明芯片的微通道5的制作方式采用喷砂刻蚀方法、湿法刻蚀，光刻、离子刻蚀、激光切蚀等方法，在上、下层玻璃基片表面对芯片进行刻蚀的对称的形成半敞开通道，再通过热键合方法形成封闭通道，即为最终的微通道5。本发明微通道5的总长度可根据被分离气体的性质不同选择0.5米至10米的长度，可根据担体8填充物的不同，微通道5的内径可以为1毫米至6毫米。本发明中所指担体8可以是硅藻土、氟担体等气相色谱常用担体，粒径均为80-160目。固定相9为PEG-20M、二甲基聚硅氧烷、5％苯基+95％甲基聚硅氧烷、14％氰丙基苯基+86％甲基聚硅氧烷等气相色谱常用固定相。固定相9及担体8种类的选择适用于现有技术。
本发明上层玻璃基片1和下层玻璃基2片均采用热膨胀系数相同的石英、硅、铬版玻璃、Pyrex7740玻璃、派来克斯玻璃等玻璃材料。
实施例1
本实施例采用总长为1.8m、内径为1mm的S型微通道5，担体8为120目硅藻土，固定相9为PEG-20M的微流控芯片。该芯片用于气相色谱仪器中的分离系统，载气带动样气通过气路系统直接进入到气体分离系统，气体从进气口3进入芯片，根据塔板理论，样气中不同组分与固定相9间的作用力类型及其强度不同，使得各不同组分在固定相9中的保留时间不同，离开微流控芯片的时间不同，因而可以实现不同气体组分在微流控芯片中进行分离。分离后的气体依次进入气体检测系统，不同组分不同浓度的气体在气体检测系统产生不同的电信号，该微流控芯片实现不同组分气体的分离，降低样气消耗量，提高检测装置的效率，微流控芯片尺寸微小，材料消耗少。本发明芯片属于微流控芯片式填充色谱柱，具有微型化、结构紧凑、集成度高等特点，利用上述气体检测系统，采用本实施例中的芯片，以氮气作为载气，温度控制在50℃左右，载气流量为20ml/min，光离子化检测器采用电离能为10.6eV的紫外灯，对丁烷与乙醇气体具有明显的分离能力。通过数据库的匹配，迅速确定气体种类，并定量分析出气体各组分的含量(参见图7)。经过5次重复实验，实验数据基本一致，说明本发明芯片的分离效果复现性好，数据可靠性高。
本发明微流控芯片采用独特的微通道5设计缩小了芯片本身的体积，采用填充式结构提高了气体的分离效果；同时配合专用的密封结构4能很好地实现微流控芯片的整体密封，采用螺纹紧固密封方式，可反复拆卸，能承受承受10MPa的压力，且密封性好。
采用本发明制成的分离系统其体积大大减小，而且采用本发明芯片作为分离系统，不用考虑传统色谱柱容易折断的问题，检测精度更高；同时也减小了加热装置的尺寸，分离温度均匀，缩短分离时间，提高了检测效率。
本发明未述及之处均适用于现有技术。
Claims (5)
1.一种用于气体分离的填充式微流控芯片，包括上层玻璃基片、下层玻璃基片和微通道；其特征在于所述微通道位于上层玻璃基片和下层玻璃基片之间；微通道内部填充有担体，在担体表面涂敷固定相，微通道上端设有进气口，微通道下端设有出气口，进气口与出气口位于上、下层玻璃基片的内表面左侧，且均与微通道内部连通，上层玻璃基片和下层玻璃基片的外表面靠近进气口和出气口的一侧对称地设有凹槽；该芯片还包括密封结构，该密封结构可与进气口和出气口相连，包括管路、紧固接头、锥形密封体和金属螺纹紧固件，所述金属螺纹紧固件下端设有凸台，凸台与微流控芯片外表面的凹槽相切合，金属螺纹紧固件的上端两侧均设有螺纹孔；所述管路与微流控芯片的进气口和出气口相通，紧固接头与锥形密封体中心均设有通孔，管路下端通过锥形密封体的通孔与锥形密封体相连，管路上端通过紧固接头的通孔与紧固接头相连，管路插入金属螺纹紧固件的螺纹孔中，管路下端正好插入进气口和出气口，紧固接头与金属螺纹紧固件的螺纹孔螺纹配合连接。
2.根据权利要求1所述的用于气体分离的填充式微流控芯片，其特征在于所述担体是硅藻土、氟担体，粒径为80-160目。
3.根据权利要求1所述的用于气体分离的填充式微流控芯片，其特征在于所述微通道为先采用喷砂刻蚀方法在上、下层玻璃基片表面对称的形成半敞开通道，再通过热键合方法形成封闭通道。
4.根据权利要求1所述的用于气体分离的填充式微流控芯片，其特征在于所述微通道呈S型或螺旋型，微通道总长度为0.5-10m，内径为1-6mm。
5.根据权利要求1所述的用于气体分离的填充式微流控芯片，其特征在于所述上层玻璃基片和下层玻璃基片均采用石英、硅、玻璃，且两者的热膨胀系数相同。
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Granted publication date: 20160420 |