CN108212232A - 一种基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置及方法，属于微流控技术领域。本发明包括玻璃基片、芯片、液体出口Ⅰ、液体出口Ⅱ、液体通道、液体进口Ⅰ、液体进口Ⅱ；所述芯片设置在玻璃基片上，液体出口Ⅰ、液体出口Ⅱ、液体进口Ⅰ、液体进口Ⅱ设置在芯片上，液体通道在芯片内且液体通道内壁为粗糙内壁，液体通道内设置有若干组通道微结构。本发明极大的提高液液萃取效率和缩短萃取时间。

Description

一种基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置及方法，属于微流控技术领域。
背景技术
微流体器件广泛用于集成电子、精密仪器、医疗设备和生物制药等领域，微流体器件适合各种流量控制系统的开发，其控制技术包括光、电、气、磁、热、气相变化等。用于实验室流体处理的玻璃基板上的芯片结构，该结构的设计通过使用COMSOL Multiphysics进行仿真模拟，采用(PDMS)材料制作微通道结构，能够在一定的变形条件下恢复到原来的状态而结构没有发生永久性破坏。现有的微流控芯片内部通道是通过延长通道的长度或者是在通道内加入十字形辅助结构来提高萃取效率和缩短萃取时间，但是本发明可以通过COMSOLMultiphysics仿真模拟可知，本发明通过改进液体通道内壁结构、在液体通道中加入辅助结构，与通过延长通道的长度或者是在通道内加入十字形辅助结构相比，可以极大的提高液液萃取效率和缩短萃取时间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置及方法，用于解决现有的微流控芯片液液萃取效率低、萃取时间长的问题。
本发明技术方案是：一种基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置，包括玻璃基片1、芯片2、液体出口Ⅰ3、液体出口Ⅱ4、液体通道5、液体进口Ⅰ6、液体进口Ⅱ7；所述芯片2设置在玻璃基片1上，液体出口Ⅰ3、液体出口Ⅱ4、液体进口Ⅰ6、液体进口Ⅱ7设置在芯片2上，液体通道5在芯片2内且液体通道5内壁为粗糙内壁5-1，液体通道5内设置有若干组通道微结构，每组通道微结构包括一个圆柱体辅助结构Ⅰ5-2、两个圆柱体辅助结构Ⅱ5-3，其中两个圆柱体辅助结构Ⅱ5-3并排排列后所成直线与液体通道5壁垂直且与圆柱体辅助结构Ⅰ5-2构成一个等边三角形。
所述粗糙内壁5-1采用城墙型粗糙内壁5-4，城墙型粗糙内壁5-4由若干个城墙型粗糙内壁组成单元5-5构成；
所述城墙型粗糙内壁5-4是在液体通道5的内壁上间隔的挖出若干个城墙型粗糙内壁组成单元5-5形成的。
单个城墙型粗糙内壁组成单元5-2的长为150um，宽为150um；两个城墙型粗糙内壁组成单元5-2间隔的距离为150um。
所述芯片2、液体通道5、粗糙内壁5-1、圆柱体辅助结构Ⅰ5-2、圆柱体辅助结构Ⅱ5-3均采用聚二甲基硅氧烷材料制成。
所述若干组通道微结构呈周期性的均匀分布在液体通道5中，周期为3mm，每组通道微结构中两个圆柱体辅助结构Ⅱ5-3竖直排列后中心的竖直间距为200um，每个圆柱体辅助结构Ⅱ5-3中心与液体通道5内壁的间距为200um，每个圆柱体辅助结构Ⅱ5-3与圆柱体辅助结构Ⅰ5-2中心的水平方向间距为1.5mm。
所述芯片2长100mm，宽50mm，厚10mm，液体出口Ⅰ3、液体出口Ⅱ4、液体进口Ⅰ6、液体进口Ⅱ7直径均为8mm；液体通道5长30mm，高150um，宽600um；
圆柱体辅助结构5-2直径100um，高度为80um；圆柱体辅助结构5-3直径100um，高度为80um。
利用所述装置进行辅助萃取的方法，所述方法的具体步骤为：给液体进口Ⅰ6中注入有机相，液体进口Ⅱ7中注入含有目标分子的水相，两种液体进入液体通道5，流经粗糙内壁Ⅰ5-1、若干个圆柱体辅助结构Ⅰ5-2、圆柱体辅助结构5-3时产生扰动，进而充分混合并实现液液萃取，其中含有目标分子的有机相由液体出口Ⅰ3流出，水相由液体出口Ⅱ4流出。
本发明的有益效果是：
1、通过对微流控芯片通道内壁结构进行改进和在微通道中加入圆柱体辅助结构，利用城墙型粗糙内壁结构和辅助结构增加通道中液体扰动，提高了层流液液萃取的效率，缩短了萃取时间，可靠性高且易于实现；
2、 使用PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料制作芯片，材料透光性好、生物相容性佳以及良好的化学惰性，该材料韧性比较高，弹性好；
3、 该装置使用简单，成本低，是一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明的通道微结构主视图；
图3是本发明的通道微结构剖视图；
图4是本发明的液体通道壁为城墙型粗糙内壁时的结构示意图。
图1-4中各标号：1-玻璃基片，2-芯片，3-液体出口Ⅰ，4-液体出口Ⅱ，5-液体通道，6-液体进口Ⅰ，7-液体进口Ⅱ，5-1-粗糙内壁，5-2-圆柱体辅助结构Ⅰ，5-3-圆柱体辅助结构Ⅱ，5-4-城墙型粗糙内壁，5-5-城墙型粗糙内壁组成单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-3所示，一种基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置，包括玻璃基片1、芯片2、液体出口Ⅰ3、液体出口Ⅱ4、液体通道5、液体进口Ⅰ6、液体进口Ⅱ7；所述芯片2设置在玻璃基片1上，液体出口Ⅰ3、液体出口Ⅱ4、液体进口Ⅰ6、液体进口Ⅱ7设置在芯片2上，液体通道5在芯片2内且液体通道5内壁为粗糙内壁5-1，液体通道5内设置有若干组通道微结构，每组通道微结构包括一个圆柱体辅助结构Ⅰ5-2、两个圆柱体辅助结构Ⅱ5-3，其中两个圆柱体辅助结构Ⅱ5-3并排排列后所成直线与液体通道5壁垂直且与圆柱体辅助结构Ⅰ5-2构成一个等边三角形。
进一步的，所述芯片2、液体通道5、粗糙内壁5-1、圆柱体辅助结构Ⅰ5-2、圆柱体辅助结构Ⅱ5-3均采用聚二甲基硅氧烷材料制成。
进一步的，所述若干组通道微结构呈周期性的均匀分布在液体通道5中，周期为3mm，每组通道微结构中两个圆柱体辅助结构Ⅱ5-3竖直排列后中心的竖直间距为200um，每个圆柱体辅助结构Ⅱ5-3中心与液体通道5内壁的间距为200um，每个圆柱体辅助结构Ⅱ5-3与圆柱体辅助结构Ⅰ5-2中心的水平方向间距为1.5mm。
进一步的，所述芯片2长100mm，宽50mm，厚10mm，液体出口Ⅰ3、液体出口Ⅱ4、液体进口Ⅰ6、液体进口Ⅱ7直径均为8mm；液体通道5长30mm，高150um，宽600um；
圆柱体辅助结构5-2直径100um，高度为80um；圆柱体辅助结构5-3直径100um，高度为80um。
利用所述装置进行辅助萃取的方法，所述方法的具体步骤为：给液体进口Ⅰ6中注入有机相，液体进口Ⅱ7中注入含有目标分子的水相，两种液体进入液体通道5，流经粗糙内壁Ⅰ5-1、若干个圆柱体辅助结构Ⅰ5-2、圆柱体辅助结构5-3时产生扰动，进而充分混合并实现液液萃取，其中含有目标分子的有机相由液体出口Ⅰ3流出，水相由液体出口Ⅱ4流出。
本发明的工作原理是：
由于整个芯片是由PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料构成的，材料透光性好，便于实验时观察流体的流动特性，生物相容性佳以及良好的化学惰性，该材料韧性比较高，弹性好，耐久性和耐压性比较高。该装置使用简单，成本低，是一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。
液体通道的粗糙内壁使得靠近内壁处的流体产生了较大的扰动，并且圆柱体辅助结构后的一小段距离内也产生了涡流和扰动，扰动使得水相和有机相中目标分子从高浓度到低浓度的扩散过程加快。因此，双辅助结构不仅促进了目标分子在各液相内的垂直方向上的分子运动，而且增强了相界面处的目标分子的传递过程，从而显著地提高了液液萃取的萃取效率。
通过COMSOL Multiphysics仿真模拟可知：通过观察双辅助微结构的微通道中的流体的流线和矢量分布，发现双辅助结构增强层流萃取的机理，微结构通过促进各液相内部的混合和两相交界面处的溶质交换来促进层流萃取效率。通过在层流萃取微芯片中增加粗糙内壁及圆柱体双辅助结构，可以极大地提高液液层流萃取效率和缩短萃取时间。
实施例2：如图4所示，一种基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置，本实施例与实施例1相同，其中：
进一步的，所述粗糙内壁5-1采用城墙型粗糙内壁5-4，城墙型粗糙内壁5-4由若干个城墙型粗糙内壁组成单元5-5构成；
所述城墙型粗糙内壁5-4是在液体通道5的内壁上间隔的挖出若干个城墙型粗糙内壁组成单元5-5形成的。
进一步的，单个城墙型粗糙内壁组成单元5-2的长为150um，宽为150um；两个城墙型粗糙内壁组成单元5-2间隔的距离为150um。
城墙型粗糙内壁结构使通道中的流体发生了较大的扰动，扰动使得水相和有机相中目标分子从高浓度到低浓度的扩散过程加快。因此，城墙型粗糙内壁不仅促进了目标分子在各液相内的垂直方向上的分子运动，而且增强了相界面处的目标分子的传递过程，从而显著地提高了液液萃取的萃取效率和缩短萃取时间。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置，其特征在于：包括玻璃基片（1）、芯片（2）、液体出口Ⅰ（3）、液体出口Ⅱ（4）、液体通道（5）、液体进口Ⅰ（6）、液体进口Ⅱ（7）；所述芯片（2）设置在玻璃基片（1）上，液体出口Ⅰ（3）、液体出口Ⅱ（4）、液体进口Ⅰ（6）、液体进口Ⅱ（7）设置在芯片（2）上，液体通道（5）在芯片（2）内且液体通道（5）内壁为粗糙内壁（5-1），液体通道（5）内设置有若干组通道微结构，每组通道微结构包括一个圆柱体辅助结构Ⅰ（5-2）、两个圆柱体辅助结构Ⅱ（5-3），其中两个圆柱体辅助结构Ⅱ（5-3）并排排列后所成直线与液体通道（5）壁垂直且与圆柱体辅助结构Ⅰ（5-2）构成一个等边三角形。
2.根据权利要求1所述的基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置，其特征在于：所述粗糙内壁（5-1）采用城墙型粗糙内壁（5-4），城墙型粗糙内壁（5-4）由若干个城墙型粗糙内壁组成单元（5-5）构成；
所述城墙型粗糙内壁（5-4）是在液体通道（5）的内壁上间隔的挖出若干个城墙型粗糙内壁组成单元（5-5）形成的。
3.根据权利要求2所述的基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置，其特征在于：单个城墙型粗糙内壁组成单元（5-2）的长为150um，宽为150um；两个城墙型粗糙内壁组成单元（5-2）间隔的距离为150um。
4.根据权利要求1或2所述的基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置，其特征在于：所述芯片（2）、液体通道（5）、粗糙内壁（5-1）、圆柱体辅助结构Ⅰ（5-2）、圆柱体辅助结构Ⅱ（5-3）均采用聚二甲基硅氧烷材料制成。
5.根据权利要求1所述的基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置，其特征在于：所述若干组通道微结构呈周期性的均匀分布在液体通道（5）中，周期为3mm，每组通道微结构中两个圆柱体辅助结构Ⅱ（5-3）竖直排列后中心的竖直间距为200um，每个圆柱体辅助结构Ⅱ（5-3）中心与液体通道（5）内壁的间距为200um，每个圆柱体辅助结构Ⅱ（5-3）与圆柱体辅助结构Ⅰ（5-2）中心的水平方向间距为1.5mm。
6.根据权利要求3或5所述的基于微流控技术双辅助结构辅助萃取装置，其特征在于：所述芯片（2）长100mm，宽50mm，厚10mm，液体出口Ⅰ（3）、液体出口Ⅱ（4）、液体进口Ⅰ（6）、液体进口Ⅱ（7）直径均为8mm；液体通道（5）长30mm，高150um，宽600um；
圆柱体辅助结构（5-2）直径100um，高度为80um；圆柱体辅助结构（5-3）直径100um，高度为80um。
7.利用权利要求1-6任一项所述装置进行辅助萃取的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤为：给液体进口Ⅰ（6）中注入有机相，液体进口Ⅱ（7）中注入含有目标分子的水相，两种液体进入液体通道（5），流经粗糙内壁Ⅰ（5-1）、若干个圆柱体辅助结构Ⅰ（5-2）、圆柱体辅助结构（5-3）时产生扰动，进而充分混合并实现液液萃取，其中含有目标分子的有机相由液体出口Ⅰ（3）流出，水相由液体出口Ⅱ（4）流出。
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