CN109304050A - 一种高效辅助萃取集成装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效辅助萃取集成装置及方法，包括液体入口Ⅰ、液体入口Ⅱ、液体入口Ⅲ、液体通道Ⅰ、芯片、液体入口Ⅳ、液体通道Ⅴ、液体出口Ⅰ、液体出口Ⅱ、液体出口Ⅲ、液体通道Ⅵ、液体入口Ⅴ、液体入口Ⅵ、玻璃基片、辅助结构、液体通道Ⅱ、液体通道Ⅲ、液体通道Ⅳ；本发明采用PDMS材料制作微通道结构，能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，本发明不同于传统反应器，高效辅助萃取集成装置的突出优势在于通过设计出在液体入口、液体通道两侧辅助萃取结构及拉伸折叠管道，可以极大的提高液液萃取效率和缩短萃取时间，本发明解决了现有的多相液体萃取效率低、反应速度慢的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效辅助萃取集成装置及方法，属于微流控技术领域。
背景技术
微反应器将反应空间受限在尺寸范围为数十到数百微米的通道内部。该尺度下反应体系具有高的比表面积和高的传质性能，不仅可以通过精确的过程控制大幅度地缩短反应时间和降低样品消耗，更重要的是以微反应器为基本单元直接进行数量的增加便可实现模块的集成，进而实现高通量的产品可控制备，从而避免了传统反应器直接几何放大导致的难于预期的非理想行为。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。随着微型阀在各个领域中的广泛应用，对其所能达到的精度要求越来越高。
在传统反应器中反应装置比较简单，通过水相溶液和萃取试剂两相连续流过液体通道，仅通过两相之间的扩散传质作用进行常规萃取，萃取的效率低、反应速度慢。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种高效辅助萃取集成装置，本发明装置解决了现有的多相液体萃取效率低、反应速度慢等问题，高效辅助萃取集成装置的优势在于通过设计出在液体入口、液体通道两侧辅助萃取结构及拉伸折叠管道，解决了现有的多相液体的问题，不仅使两相液体在液体管道中互相包裹流动，而且能加速两相之间的流体混合，可以极大的提高液液萃取效率和缩短萃取时间。
本发明的技术方案是：一种高效辅助萃取集成装置，其特征在于，包括液体入口Ⅰ、液体入口Ⅱ、液体入口Ⅲ、液体通道Ⅰ、芯片、液体入口Ⅳ、液体通道Ⅴ、液体出口Ⅰ、液体出口Ⅱ、液体出口Ⅲ、液体通道Ⅵ、液体入口Ⅴ、液体入口Ⅵ、玻璃基片、辅助结构、液体通道Ⅱ、液体通道Ⅲ、液体通道Ⅳ；
所述芯片设置在玻璃基片上，所述芯片上设有液体入口Ⅰ、液体入口Ⅱ、液体入口Ⅲ、液体入口Ⅳ、液体入口Ⅴ、液体入口Ⅵ、液体出口Ⅰ、液体出口Ⅱ、液体出口Ⅲ，所述芯片内设有液体通道Ⅰ，所述液体通道Ⅰ包括两个直线管道和拉伸折叠管道，所述拉伸折叠管道位于两个直线管道之间，且两个直线管道分别与拉伸折叠管道连通，所述液体入口Ⅱ与液体通道Ⅰ一端的直线管道连通，液体通道Ⅰ的另一端的直线管道与液体出口Ⅱ连通，液体通道Ⅰ一端的直线管道的两侧分别设有分支液体通道，所述液体入口Ⅰ、液体入口Ⅲ分别通过分支液体通道与液体通道Ⅰ连通，所述液体通道Ⅰ的拉伸折叠管道的顶端通过液体通道Ⅱ与液体入口Ⅳ连通，拉伸折叠管道的底部通过液体通道Ⅲ、液体通道Ⅳ分别与液体入口Ⅴ、液体入口Ⅵ连通，液体通道Ⅰ另一端的直线管道的上、下两侧分别设有液体通道Ⅴ、液体通道Ⅵ，且液体通道Ⅴ、液体通道Ⅵ的两端分别与液体通道Ⅰ另一端的直线管道连通，液体通道Ⅰ另一端的直线管道的两侧分别设有两条分支液体通道，所述液体出口Ⅰ、液体出口Ⅲ分别与两条分支液体通道连通。
所述液体通道Ⅰ的两个直线管道的上、下表面上分别设有一个以上的辅助结构，所述辅助结构为三角形，两个直线管道的上表面的辅助结构呈倒三角分布，两个直线管道的下表面的辅助结构呈正三角分布。
所述芯片采用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制成。
所述液体通道Ⅱ、液体通道Ⅲ、液体通道Ⅳ与拉伸折叠管道内的液体流动方向成135°。
所述拉伸折叠管道呈门形。
所述芯片长45mm，宽15mm，厚5mm，所述玻璃基片长60mm，宽25mm，厚5mm。
所述液体入口Ⅰ、液体入口Ⅱ、液体入口Ⅲ、液体入口Ⅳ、液体入口Ⅴ、液体入口Ⅵ、液体出口Ⅰ、液体出口Ⅱ、液体出口Ⅲ的直径均为1mm，液体通道Ⅰ宽d2为0.5mm，高h1为0.35mm，所述液体管道Ⅱ、液体管道Ⅲ、液体管道Ⅳ、液体通道Ⅴ、液体通道Ⅵ的宽均为0.4mm，高均0.35mm。
所述辅助结构三角形结构的宽d1为0.2mm，长L2为0.4mm，相邻两个辅助结构之间的距离L1为1mm。
本发明的目的之二在于提供一种利用本高效辅助萃取集成装置进行辅助萃取的方法，具体步骤如下：
首先向液体入口Ⅰ、液体入口Ⅲ中分别注入水相液体，待水相液体充满液体管道Ⅰ后，再将有机相液体从液体入口Ⅱ中注入，且同时通过液体入口Ⅰ、液体入口Ⅲ分别注入水相，有机相和水相两相液体共同进入液体管道Ⅰ内，实现水相包裹有机相，进行萃取，且液体通道Ⅰ内设有一个以上的辅助结构，提高萃取效果，当两相液体流入至拉伸折叠管道后，分别向液体入口Ⅳ、液体入口Ⅴ、液体入口Ⅵ通入有机相，有机相分别通过液体通道Ⅱ、液体通道Ⅲ、液体通道Ⅳ进入拉伸折叠管道后与从从左侧直线管道流入的水相包裹的有机相逆向接触，形成有机相包裹水相，进行多级萃取并向右侧的直线管道流动，进入右侧的直线管道后，并有部分液体进入液体通道Ⅴ、液体通道Ⅵ中进行萃取，进行分流降速，最后再进入液体管道Ⅰ右侧的直线管道内，萃取结束后由液体出口Ⅰ、液体出口Ⅱ、液体出口Ⅲ中流出。
本发明再所述液体入口处设为三个入口液体入口Ⅰ、液体入口Ⅱ、液体入口Ⅲ，先将液体入口Ⅰ和液体入口Ⅲ注入水相液体，待水相液体充满管道后，再将有机相液体从液体入口Ⅱ中注入，实现了管道两侧为水相液体，中间层为有机相液体，通过控制有机相液体入口Ⅱ与水相液体入口Ⅰ和液体入口Ⅲ的流量比，而且要保证两相液体流出的速度，尽可能让有机相夹在水相中间，两侧水相包裹有机相，通过两相液体在连续相微通道上的接触可提高两相液体层流萃取的反应效率。
所述液体通道Ⅰ内的直线管道的两侧安有管道辅助结构，本发明液体通道Ⅰ从进液管道至液体出口内部的混合管道我们均采用增加管道辅助结构来提高该装置的萃取效率，每个辅助结构后的一小段距离内产生了涡流和扰动，使得稳定的层流发生了较大的扰动，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，三角形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。
所述液体管道Ⅰ的拉伸折叠管道呈门形，拐角处不同形状涡流的出现有效地强化了液滴内部的宏观传质过程，通过流道的设计使得液滴内流体的分布被物理拉伸、折叠或者变向，可以使混合更充分；待两相液体经过层流反应后，再经过液体通道管道Ⅱ、液体管道Ⅲ、液体管道Ⅳ内流出的有机相液体对液体管道Ⅰ内层流的两相液体有剪切作用，本发明设该三个液体管道的进口方向与层流出来的液体方向呈135度，使得产生的涡流强度更强，从而可以改变层流内部初始分布，且利用内环流对液滴混合界面进行折叠和拉伸使得待混合的液层越来越薄，经过这三个有机相入口的液体流出，增强了相界面处的目标分子的传递过程，使它们之间互相包裹，从而显著地提高了液液萃取的萃取效率。
本装置中的液体通道Ⅴ、液体通道Ⅵ实现了分流降速的目的，液体通道Ⅴ、液体通道Ⅵ与液体通道Ⅰ右侧的直线管道合并后，速度得到降低，管道混合液体又会出现层流状态，然后设计三个液体出口，液体出口Ⅰ、液体出口Ⅲ为有机相出口，液体出口Ⅱ为水相出口。
本发明的有益效果是：
（1）本发明高效提升了两相液体萃取效率，通过传统两相萃取入口改为两水相包裹有机相液体，从而增加了两相液体的接触面积提高了层流液液萃取的效率，缩短了萃取时间。
（2）本发明的拉伸折叠管道部分，通过控制有机相液体入口Ⅳ、液体入口Ⅴ和液体入口Ⅵ与液体管道Ⅰ流出的两相层流液体的流量比，以及三个管道与层流液体的反向剪切作用，起到很强的扰流作用，使它们之间互相包裹，大大提高了两相液体之间的反应效率。
（3）本发明为了保证芯片的长期使用，以及更容易收集两相液体，芯片上设有一级减速装置以及三个分液出口。
（4）本发明使用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。
（5）本发明装置使用简单，成本低，是一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。
本发明采用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。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。本发明集层流萃取及液滴生成反应有重要的应用价值，从而可高效的提高液液萃取效率。
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。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明液体通道Ⅰ直线管道的内部辅助结构的放大图及剖视图；
图3是本发明液体通道Ⅰ拉伸折叠管道的局部放大图；
图4是本发明液体通道Ⅴ、液体通道Ⅵ的局部放大图；
图中各标号：1-液体入口Ⅰ、2-液体入口Ⅱ、3-液体入口Ⅲ、4-液体通道Ⅰ、5-芯片、6-液体入口Ⅳ、7-液体通道Ⅴ、8-液体出口Ⅰ、9-液体出口Ⅱ、10-液体出口Ⅲ、11-液体通道Ⅵ、12-液体入口Ⅴ、13-液体入口Ⅵ、14-玻璃基片、15-辅助结构、16-液体管道Ⅱ、17-液体管道Ⅲ、18-液体管道Ⅳ。
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1~4所示，本高效辅助萃取集成装置，包括液体入口Ⅰ1、液体入口Ⅱ2、液体入口Ⅲ3、液体通道Ⅰ4、芯片5、液体入口Ⅳ6、液体通道Ⅴ7、液体出口Ⅰ8、液体出口Ⅱ9、液体出口Ⅲ10、液体通道Ⅵ11、液体入口Ⅴ12、液体入口Ⅵ13、玻璃基片14、辅助结构15、液体通道Ⅱ16、液体通道Ⅲ17、液体通道Ⅳ18；
所述芯片5设置在玻璃基片14上，所述芯片5上设有液体入口Ⅰ1、液体入口Ⅱ2、液体入口Ⅲ3、液体入口Ⅳ6、液体入口Ⅴ12、液体入口Ⅵ13、液体出口Ⅰ8、液体出口Ⅱ9、液体出口Ⅲ10，所述芯片5内设有液体通道Ⅰ4，所述液体通道Ⅰ4包括两个直线管道和拉伸折叠管道，所述拉伸折叠管道位于两个直线管道之间，且两个直线管道分别与拉伸折叠管道连通，所述液体入口Ⅱ2与液体通道Ⅰ4一端的直线管道连通，液体通道Ⅰ4的另一端的直线管道与液体出口Ⅱ9连通，液体通道Ⅰ4一端的直线管道的两侧分别设有分支液体通道，所述液体入口Ⅰ1、液体入口Ⅲ3分别通过分支液体通道与液体通道Ⅰ4连通，所述液体通道Ⅰ4的拉伸折叠管道的顶端通过液体通道Ⅱ16与液体入口Ⅳ6连通，拉伸折叠管道的底部通过液体通道Ⅲ17、液体通道Ⅳ18分别与液体入口Ⅴ12、液体入口Ⅵ13连通，液体通道Ⅰ4另一端的直线管道的上、下两侧分别设有液体通道Ⅴ7、液体通道Ⅵ11，且液体通道Ⅴ7、液体通道Ⅵ11的两端分别与液体通道Ⅰ4另一端的直线管道连通，液体通道Ⅰ4另一端的直线管道的两侧分别设有两条分支液体通道，所述液体出口Ⅰ8、液体出口Ⅲ10分别与两条分支液体通道连通。
所述液体通道Ⅰ4的两个直线管道的上、下表面上分别设有10个辅助结构15，所述辅助结构15为三角形，两个直线管道的上表面的辅助结构15呈倒三角分布，两个直线管道的下表面的辅助结构15呈正三角分布。
所述芯片5采用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制成。
所述液体通道Ⅱ16、液体通道Ⅲ17、液体通道Ⅳ18与拉伸折叠管道内的液体流动方向成135°。
所述拉伸折叠管道呈门形。
所述芯片5长45mm，宽15mm，厚5mm，所述玻璃基片14长60mm，宽25mm，厚5mm。
所述液体入口Ⅰ1、液体入口Ⅱ2、液体入口Ⅲ3、液体入口Ⅳ6、液体入口Ⅴ12、液体入口Ⅵ13、液体出口Ⅰ8、液体出口Ⅱ9、液体出口Ⅲ10的直径均为1mm，液体通道Ⅰ4宽d2为0.5mm，高h1为0.35mm，所述液体管道Ⅱ16、液体管道Ⅲ17、液体管道Ⅳ18、液体通道Ⅴ7、液体通道Ⅵ11的宽均为0.4mm，高均0.35mm。
所述辅助结构15三角形结构的宽d1为0.2mm，长L2为0.4mm，相邻两个辅助结构15之间的距离L1为1mm。
本实施例高效辅助萃取集成装置辅助萃取的方法，具体步骤如下：
首先向液体入口Ⅰ1、液体入口Ⅲ3中分别注入水相液体，待水相液体充满液体管道Ⅰ4后，再将有机相液体从液体入口Ⅱ2中注入，且同时通过液体入口Ⅰ1、液体入口Ⅲ3分别注入水相，有机相和水相两相液体共同进入液体管道Ⅰ4内，实现水相包裹有机相，进行萃取，且液体通道Ⅰ4内设有10个辅助结构15，提高萃取效果，当两相液体流入至拉伸折叠管道后，分别向液体入口Ⅳ6、液体入口Ⅴ12、液体入口Ⅵ13通入有机相，有机相分别通过液体通道Ⅱ16、液体通道Ⅲ17、液体通道Ⅳ18进入拉伸折叠管道后与从从左侧直线管道流入的水相包裹的有机相逆向接触，形成有机相包裹水相，进行多级萃取并向右侧的直线管道流动，进入右侧的直线管道后，并有部分液体进入液体通道Ⅴ7、液体通道Ⅵ11中进行萃取，进行分流降速，最后再进入液体管道Ⅰ4右侧的直线管道内，萃取结束后由液体出口Ⅰ8、液体出口Ⅱ9、液体出口Ⅲ10中流出。
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 (9)
1.一种高效辅助萃取集成装置，其特征在于，包括液体入口Ⅰ（1）、液体入口Ⅱ（2）、液体入口Ⅲ（3）、液体通道Ⅰ（4）、芯片（5）、液体入口Ⅳ（6）、液体通道Ⅴ（7）、液体出口Ⅰ（8）、液体出口Ⅱ（9）、液体出口Ⅲ（10）、液体通道Ⅵ（11）、液体入口Ⅴ（12）、液体入口Ⅵ（13）、玻璃基片（14）、辅助结构（15）、液体通道Ⅱ（16）、液体通道Ⅲ（17）、液体通道Ⅳ（18）；
所述芯片（5）设置在玻璃基片（14）上，所述芯片（5）上设有液体入口Ⅰ（1）、液体入口Ⅱ（2）、液体入口Ⅲ（3）、液体入口Ⅳ（6）、液体入口Ⅴ（12）、液体入口Ⅵ（13）、液体出口Ⅰ（8）、液体出口Ⅱ（9）、液体出口Ⅲ（10），所述芯片（5）内设有液体通道Ⅰ（4），所述液体通道Ⅰ（4）包括两个直线管道和拉伸折叠管道，所述拉伸折叠管道位于两个直线管道之间，且两个直线管道分别与拉伸折叠管道连通，所述液体入口Ⅱ（2）与液体通道Ⅰ（4）一端的直线管道连通，液体通道Ⅰ（4）的另一端的直线管道与液体出口Ⅱ（9）连通，液体通道Ⅰ（4）一端的直线管道的两侧分别设有分支液体通道，所述液体入口Ⅰ（1）、液体入口Ⅲ（3）分别通过分支液体通道与液体通道Ⅰ（4）连通，所述液体通道Ⅰ（4）的拉伸折叠管道的顶端通过液体通道Ⅱ（16）与液体入口Ⅳ（6）连通，拉伸折叠管道的底部通过液体通道Ⅲ（17）、液体通道Ⅳ（18）分别与液体入口Ⅴ（12）、液体入口Ⅵ（13）连通，液体通道Ⅰ（4）另一端的直线管道的上、下两侧分别设有液体通道Ⅴ（7）、液体通道Ⅵ（11），且液体通道Ⅴ（7）、液体通道Ⅵ（11）的两端分别与液体通道Ⅰ（4）另一端的直线管道连通，液体通道Ⅰ（4）另一端的直线管道的两侧分别设有两条分支液体通道，所述液体出口Ⅰ（8）、液体出口Ⅲ（10）分别与两条分支液体通道连通。
2.根据权利要求1所述的高效辅助萃取集成装置，其特征在于：所述液体通道Ⅰ（4）的两个直线管道的上、下表面上分别设有一个以上的辅助结构（15），所述辅助结构（15）为三角形，两个直线管道的上表面的辅助结构（15）呈倒三角分布，两个直线管道的下表面的辅助结构（15）呈正三角分布。
3.根据权利要求1所述的高效辅助萃取集成装置，其特征在于：所述芯片（5）采用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制成。
4.根据权利要求1所述的高效辅助萃取集成装置，其特征在于：所述液体通道Ⅱ（16）、液体通道Ⅲ（17）、液体通道Ⅳ（18）与拉伸折叠管道内的液体流动方向成135°。
5.根据权利要求1所述的高效辅助萃取集成装置，其特征在于：所述拉伸折叠管道呈门形。
6.根据权利要求1所述的高效辅助萃取集成装置，其特征在于：所述芯片（5）长45mm，宽15mm，厚5mm，所述玻璃基片（14）长60mm，宽25mm，厚5mm。
7.根据权利要求1所述的高效辅助萃取集成装置，其特征在于：所述液体入口Ⅰ（1）、液体入口Ⅱ（2）、液体入口Ⅲ（3）、液体入口Ⅳ（6）、液体入口Ⅴ（12）、液体入口Ⅵ（13）、液体出口Ⅰ（8）、液体出口Ⅱ（9）、液体出口Ⅲ（10）的直径均为1mm，液体通道Ⅰ（4）宽d2为0.5mm，高h1为0.35mm，所述液体管道Ⅱ（16）、液体管道Ⅲ（17）、液体管道Ⅳ（18）、液体通道Ⅴ（7）、液体通道Ⅵ（11）的宽均为0.4mm，高均0.35mm。
8.根据权利要求2所述的高效辅助萃取集成装置，其特征在于：所述辅助结构（15）三角形结构的宽d1为0.2mm，长L2为0.4mm，相邻两个辅助结构（15）之间的距离L1为1mm。
9.权利要求1~8所述的高效辅助萃取集成装置辅助萃取的方法，其特征在于，具体步骤如下：
首先向液体入口Ⅰ（1）、液体入口Ⅲ（3）中分别注入水相液体，待水相液体充满液体管道Ⅰ（4）后，再将有机相液体从液体入口Ⅱ（2）中注入，且同时通过液体入口Ⅰ（1）、液体入口Ⅲ（3）分别注入水相，有机相和水相两相液体共同进入液体管道Ⅰ（4）内，实现水相包裹有机相，进行萃取，且液体通道Ⅰ（4）内设有一个以上的辅助结构（15），提高萃取效果，当两相液体流入至拉伸折叠管道后，分别向液体入口Ⅳ（6）、液体入口Ⅴ（12）、液体入口Ⅵ（13）通入有机相，有机相分别通过液体通道Ⅱ（16）、液体通道Ⅲ（17）、液体通道Ⅳ（18）进入拉伸折叠管道后与从左侧直线管道流入的水相包裹的有机相逆向接触，形成有机相包裹水相，进行多级萃取并向右侧的直线管道流动，进入右侧的直线管道后，并有部分液体进入液体通道Ⅴ（7）、液体通道Ⅵ（11）中进行萃取，进行分流降速，最后再进入液体管道Ⅰ（4）右侧的直线管道内，萃取结束后由液体出口Ⅰ（8）、液体出口Ⅱ（9）、液体出口Ⅲ（10）中流出。
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