CN105642173B - 一种电渗微混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流控技术领域，公开了一种电渗微混合器，其包括集成在微流控芯片上的电渗混合流道和电极微流道，所述电极微流道设于所述电渗混合流道的两侧，所述电渗混合流道和电极微流道之间留有间隙。本发明能够避免电渗微混合器中电渗驱动过程中电极表面水解问题，降低电渗驱动微电极制作成本，同时增强电渗微混合器运行稳定性、可靠性及使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，特别是涉及一种电渗微混合器。
背景技术
电渗微混合器是一种利用电渗驱动力实现分层流体流动扰动混合的主动型微混合器。由于具有电动操控方便、电极易于集成、驱动流体种类广泛等特点，电渗微混合器在微流控分析系统中具有广泛的实际应用和广阔的发展前景。
常规的电渗驱动微混合可以分为两种方式：脉冲型混合和涡流型混合。脉冲型混合是利用两个脉冲电压交错驱动两股流体进入混合区域实现混合，常见混合流道结构形式有Y型、T型等。涡流型混合是利用电渗驱动力的作用在分层流动的两股流体中产生二次涡旋流动，这种涡流可以充分搅动分层流动的两股流体，实现混合。以上两种方式能够很好地实现微流体的混合，但用于产生电渗驱动力的电极如金属丝、固态金属薄膜(铂、金、铜等)与样本试剂直接接触，会产生水解反应，形成气泡、产生焦耳热、腐蚀电极等，这些问题会对微流控分析结果带来不利影响。另外，固态金属薄膜类电极加工制作工艺复杂，价格昂贵，不利于普及应用。
综上所述，如何彻底避免电渗微混合器中电渗驱动过程中电极表面水解问题，降低电渗驱动微电极制作成本，同时增强电渗微混合器运行稳定性、可靠性及使用寿命，已成为目前微流控领域亟待解决的问题之一。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何彻底避免电渗微混合器中电渗驱动过程中电极表面水解问题，降低电渗驱动微电极制作成本，同时增强电渗微混合器运行稳定性、可靠性及使用寿命。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种电渗微混合器，其包括集成在微流控芯片上的电渗混合流道和电极微流道，所述电极微流道设于所述电渗混合流道的两侧，所述电渗混合流道和电极微流道之间留有间隙。
其中，所述电极微流道与所述电渗混合流道平行设置，且两者之间由薄膜间隙隔开；所述间隙远小于所述电渗混合流道的宽度。
其中，所述电极微流道内部填充有液态导电介质，所述电极微流道上设有用于所述液态导电介质进出的灌注入口和灌注出口。
其中，所述液态导电介质为低熔点金属、离子液体或低熔点熔融盐。
其中，还包括可控电源模块，所述电极微流道的灌注入口和/或灌注出口通过金属丝导线与所述可控电源模块相连，以在所述电渗混合流道的两侧形成脉冲电势差，以在电渗微混合区域诱导产生垂直于样本试剂主流方向的振荡电渗流动，进而实现两股分层样本试剂流动的混合。
其中，所述电渗混合流道靠近所述灌注出口的一端设有混合流体出口，其另一端分别连接有第一样本试剂微流道和第二样本试剂微流道，所述第一样本试剂微流道的端部设有第一样本试剂入口，所述第二样本试剂微流道的端部设有第二样本试剂入口。
其中，所述电渗混合流道、第一样本试剂微流道、第二样本试剂微流道和电极微流道等高且处于同一水平面上。
其中，所述电渗混合流道、第一样本试剂微流道、第二样本试剂微流道或电极微流道采用聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯或硅或玻璃或石英制成。
其中，所述电渗混合流道内集成有m×n个微矩形或圆形柱体，其中m、n为大于等于1的整数，m×n个微矩形或圆形柱体平行设置或交错设置。
其中，所述电渗混合流道内集成嵌入三维多孔介质材料，用以提升电渗混合驱动力。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种电渗微混合器，其包括集成在微流控芯片上的电渗混合流道和电极微流道，所述电极微流道设于所述电渗混合流道的两侧，所述电渗混合流道和电极微流道之间留有间隙，因此在电渗驱动时，可完全避免电极表面水解反应及电流焦耳热的产生，从而提高电极抗干扰能力，增强电渗微混合器的稳定性、可靠性及使用寿命。
附图说明
图1为本发明一种电渗微混合器的原理示意图；
图中：1：可控电源模块；2：电渗混合流道；21：混合流体出口；3：第一样本试剂微流道；4：第二样本试剂微流道；5：金属丝导线；6：电极微流道；61：灌注入口；62：灌注出口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，为本发明提供的一种电渗微混合器，其包括集成在微流控芯片上的电渗混合流道2和电极微流道6，所述电极微流道6设于所述电渗混合流道2的两侧，所述电渗混合流道2和电极微流道6之间留有间隙，从而电极微流道6形成的微电极与电渗混合流道2区域保持非接触，在电渗驱动时，可完全避免电极表面水解反应及电流焦耳热的产生，从而提高电极抗干扰能力，增强电渗微混合器的稳定性、可靠性及使用寿命。具体地，电渗混合流道2和电极微流道6可以进行同步设计同时采用MEMS(微机电系统)微加工工艺进行制作，其是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。
具体地，所述电极微流道6与所述电渗混合流道2平行设置，且两者之间由薄膜间隙隔开，所述电极微流道6与所述电渗混合流道2之间的间隙应足够小，应远小于所述电渗混合流道2的宽度，以最大限度提高电渗混合流道2的电压利用率；该薄膜间隙可采用MEMS微加工方法与电极微流道6同步设计、制成；薄膜间隙还可以采用MEMS微加工方法与电极微流道6分开制作，薄膜间隙制作完在精密显微协助下与电极微流道6进行对准封装；此时薄膜间隙可以由电导率高的聚合物材料制成，如导电凝胶、导电聚合物等，以降低电渗微混合器工作时薄膜间隙的电压消耗，提高微混合电压利用率。
为了形成微电极，所述电极微流道6内部填充有液态导电介质，所述电极微流道6上设有用于所述液态导电介质进出的灌注入口61和灌注出口62；根据液态导电介质的流动性，采用灌注方法将液态导电介质从灌注入口61注入电极微流道6，灌注过程中多余液态导电介质从灌注出口62溢出，这种灌注填充液态导电介质方法操作简单，重复性好，一次成型，形成的微电极结构稳定；注射装置优选采用普通的微量注射器。所述液态导电介质为低熔点金属、离子液体或低熔点熔融盐，其中低熔点金属如室温条件下为液态的汞、或金属镓、或镓合金、或铋铟锡合金。
为了在所述电渗混合流道2的两侧形成脉冲电势差，其还包括可控电源模块1，所述电极微流道6的灌注入口61和/或灌注出口62通过金属丝导线5与所述可控电源模块1相连，即电极微流道6的灌注入口61与灌注出口62并联后通过金属丝导线5与可控电源模块1连接；或者电极微流道6的灌注入口61通过金属丝导线5与可控电源模块1连接；或者电极微流道6的灌注出口62通过金属丝导线5与可控电源模块1连接，这三种方式均可实现本实施例中微电极电压加载的要求，用于在所述电渗混合流道2两侧形成电势差，并在电渗混合流道2内产生振荡电渗流动，实现流体混合；灌注入口61和灌注出口62引出金属丝导线5后，电极微流道6与金属丝导线5的连接处用胶水封装，胶水优选采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)硅油或透明电绝缘硅胶。
其中，所述电渗混合流道2靠近所述灌注出口62的一端(图1中所示电渗混合流道2的右端)设有混合流体出口21，其另一端分别连接有第一样本试剂微流道3和第二样本试剂微流道4，第一样本试剂微流道3和第二样本试剂微流道4与电渗混合流道2成Y型设置，所述第一样本试剂微流道3的端部设有第一样本试剂入口，所述第二样本试剂微流道4的端部设有第二样本试剂入口，第一样本试剂和第二样本试剂分别在外部泵压作用下通过第一样本试剂入口和第二样本试剂入口流进第一样本试剂微流道3和第二样本试剂微流道4，接着在电渗混合流道2入口段汇合后开始在电渗驱动下进行混合。
为了便于制造，优选地，所述电渗混合流道2、第一样本试剂微流道3、第二样本试剂微流道4和电极微流道6等高且处于同一水平面上。具体地，所述电渗混合流道2、第一样本试剂微流道3、第二样本试剂微流道4或电极微流道6采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或硅或玻璃或石英等电渗驱动常用材料制成。
其中，所述电渗混合流道2内集成有m×n个微矩形或圆形柱体，以形成若干个尺寸更小的电渗混合流道2，增加电渗混合区域提高电渗驱动力，其中m、n为大于等于1的整数，m×n个微矩形或圆形柱体可以平行设置或交错设置；所述电渗混合流道2内也可以集成嵌入三维多孔介质材料，用以提升电渗混合驱动力，由于三维多孔介质孔道尺寸为纳米尺度，无法通过颗粒或大分子悬浮液试剂，仅能用于纯液体或电解质类试剂的电渗混合。
本发明的电渗微混合器在工作时，将液态导电介质由电极微流道6上的灌注入口61灌入电极微流道6中，多余的液态导电介质由灌注出口62溢出，形成微电极；可控电源模块1的电压输出使位于电渗混合流道2两侧的电极微流道6分别产生高电势和低电势，由于电渗混合流道2处于电势场中，其内部水平方向由左至右流过的第一样本试剂和第二样本试剂两股分层流体在电势场作用下，在m×n个微矩形或圆形柱体两侧表面附近产生电渗流，电渗流方向与电势场方向平行同时与样本试剂主流方向垂直；为实现充分混合效果，本实施例可控电源模块1为电渗混合流道2两侧微电极输出的电压为脉冲型，以在电渗混合流道2内产生垂直于样本试剂主流的振荡电渗流动。其中脉冲电压可以为方波型、锯齿型、三角函数型等。
由以上实施例可以看出，发明的电渗微混合器在电渗驱动时，可完全避免电极表面水解反应及电流焦耳热的产生，从而提高电极抗干扰能力，增强电渗微混合器的稳定性、可靠性及使用寿命，具有结构紧凑、成本低廉、易于集成、可控性好、微电极制作快捷等诸多优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电渗微混合器，其特征在于，包括集成在微流控芯片上的电渗混合流道(2)和电极微流道(6)，所述电极微流道(6)设于所述电渗混合流道(2)的两侧，所述电渗混合流道(2)和电极微流道(6)之间留有间隙；所述电渗混合流道(2)内集成有m×n个微矩形或圆形柱体，其中m、n为大于等于1的整数，m×n个微矩形或圆形柱体平行设置或交错设置；所述电渗混合流道(2)内集成嵌入三维多孔介质材料，用以提升电渗混合驱动力。
2.根据权利要求1所述的电渗微混合器，其特征在于，所述电极微流道(6)与所述电渗混合流道(2)平行设置，且两者之间由薄膜间隙隔开；所述间隙远小于所述电渗混合流道(2)的宽度。
3.根据权利要求1所述的电渗微混合器，其特征在于，所述电极微流道(6)内部填充有液态导电介质，所述电极微流道(6)上设有用于所述液态导电介质进出的灌注入口(61)和灌注出口(62)。
4.根据权利要求3所述的电渗微混合器，其特征在于，所述液态导电介质为低熔点金属、离子液体或低熔点熔融盐。
5.根据权利要求3所述的电渗微混合器，其特征在于，还包括可控电源模块(1)，所述电极微流道(6)的灌注入口(61)和/或灌注出口(62)通过金属丝导线(5)与所述可控电源模块(1)相连，以在所述电渗混合流道(2)的两侧形成脉冲电势差。
6.根据权利要求5所述的电渗微混合器，其特征在于，所述电渗混合流道(2)靠近所述灌注出口(62)的一端设有混合流体出口(21)，其另一端分别连接有第一样本试剂微流道(3)和第二样本试剂微流道(4)，所述第一样本试剂微流道(3)的端部设有第一样本试剂入口(31)，所述第二样本试剂微流道(4)的端部设有第二样本试剂入口(41)。
7.根据权利要求6所述的电渗微混合器，其特征在于，所述电渗混合流道(2)、第一样本试剂微流道(3)、第二样本试剂微流道(4)和电极微流道(6)等高且处于同一水平面上。
8.根据权利要求7所述的电渗微混合器，其特征在于，所述电渗混合流道(2)、第一样本试剂微流道(3)、第二样本试剂微流道(4)或电极微流道(6)采用聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯或硅或玻璃或石英制成。
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