CN109781805A - 一种提高微量液体电化学反应效能的声表面波微反应系统 - Google Patents

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Abstract

一种提高微量液体电化学反应效能的声表面波微反应系统，包括圆形基底、弧形叉指换能器、三电极系统、隔膜、液体反应池和温控结构，其中叉指换能器、三电极系统蒸镀在圆形基底上；隔膜溅射于圆形基底下方；温控结构中测温电阻溅射在隔膜上，薄膜热电材料附着在液体反应池壁处；液体反应池键合于圆形基底上方。本发明利用声表面波促进反应进程，以聚焦型弧线叉指换能器为核心，结合电化学反应中的三电极系统，能够完成多种生物化学微反应，实现液体反应、信号输出、检测整体过程。温控结构可以实时监测并调整反应液温度，保证反应在适宜的温度下进行。该发明系统集成度高、便携、样本需求少，温度控制有效准确，能够促进多种生物化学反应。

Description

一种提高微量液体电化学反应效能的声表面波微反应系统
技术领域
本发明属于应用微纳制造技术领域，涉及生物化学试样的检测器件，尤其是一种适用于声表面波促进微量液体电化学反应效能的微流控器件。
背景技术
应用微纳制造技术，将化学试样的混合、反应、检测等功能集成在微小的体积内，可以实现生化检测系统的微型化和低成本化，可进行葡萄糖、重金属离子、农药等多种物质浓度检测。采用微纳制造技术形成的微流控系统易与检测电路集成化制造，实现分析仪器的自动化、微型化。
电化学分析是根据溶液中物质的电化学性质及其变化规律建立在电导、电流、电压计量基础上的，仪器装置简单，小型，易于自动化和连续分析，电化学检测的主要缺点是存在离子干扰，微量检测试剂反应扩散不灵敏，检测限高。目前为了提高检测精度，多采用修饰电极的方式，增强液体扩散，但由于修饰电极过程实验复杂且重复率低，无法实现微量、高效、便捷检测设备的集成。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种适用于微量液体混合、反应的电化学检测微流控器件，该器件是一种能够提高微量液体电化学反应效能的微反应器，可以实现反应液体的充分混合，反应过程的精准操控和反应信号的及时输出，增强电化学反应中电信号的获得，该器件具有集成度高、易便携、效率高、可温控的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种提高微量液体电化学反应效能的声表面波微反应系统，包括圆形基底、聚焦型叉指换能器、三电极系统、隔膜液体反应池以及由测温电阻和薄膜热电材料组成的温控结构，其中弧形叉指换能器、三电极系统蒸镀在圆形基底上方；隔膜溅射于圆形基底下方；通过氧等离子体表面处理将圆环形液体反应池与圆形基底键合，液体反应池位于圆形基底上方；温控结构中测温电阻溅射在隔膜上，薄膜热电材料附着在液体反应池壁处。
所述圆形基底材质为压电材料铌酸锂晶体。
所述聚焦型叉指换能器由一对弧形叉指和弧形反射栅组成，弧形叉指的圆心角度、孔径距离、上下交错距离、中心频率随着不同反应物的反应需求进行调整，弧形叉指以圆环形液体反应池圆心位置对称排布，叉指的外围布有弧形反射栅。
所述的三电极系统由工作电极、对电极、参比电极构成，三电极系统蒸镀在圆形基底上，在中间电极涂覆氯化银形成参比电极。
所述液体反应池为圆环形，使用刀具模型切割添加固化剂的PDMS而成，位于键合于叉指换能器中心位置处。
所述隔膜为二氧化硅薄膜。
所述温控结构由测温电阻和薄膜热电材料组成，测温电阻溅射在隔膜上，位于液体反应池的正下方，薄膜热电材料附着在液体反应池池壁处。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：反应时，将反应液滴于液体池处，对弧形叉指换能器施加相应频率的交变电压，弧形叉指换能器产生的声表面波能量聚焦，同时上下交错的叉指换能器施加给液体池内反应液体相互作用的力，使液体迅速旋转混合，有效促进了微量液体反应进程。集成的三电极系统将化学反应过程中的电信号传输到电化学工作站处，无需外接电极系统。测温电阻和薄膜热电材料组成的温控系统可以保证反应液维持适宜的反应温度。
本发明使用的弧形叉指换能器为聚焦型叉指换能器，对其施加交变电压，可以获得比直线型叉指换能器更强的能量聚焦，实现液体的快速反应，加剧反应效果，增强电信号的获得。
本发明设备简单便携，集成度高，需要样本较少，能耗较低，反应效率高，温度控制快速精准，开放式反应易操作和维护，能够实现多种生物化学微反应。
附图说明
图1是本发明的三维结构视图。
图2是本发明的剖视图。
图3是本发明叉指换能器和三电极系统的俯视图。
图4是本发明温控结构俯视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明：
参见图1、图2所示，本发明为一种适用于微量液体混合开放式电化学反应的微流控器件，包括圆形基底1、叉指换能器2、三电极系统3、隔膜4、液体反应池5以及温控结构，其中叉指换能器、三电极系统蒸镀在圆形基底1上；隔膜4溅射于圆形基底1下方；温控结构中测温电阻6溅射在隔膜4上，薄膜热电材料7附着在液体反应池壁5处；液体反应池5通过氧等离子体表面处理键合在圆形基底1上。
这种适用于微量液体混合电化学反应的微流控器件，包括圆形基底、叉指换能器、三电极系统、隔膜、液体反应池以及温控结构，其中叉指换能器、三电极系统蒸镀在圆形基底上；使用氯化银涂覆在三电极系统中的中间电极形成参比电极；隔膜溅射于圆形基底下方；温控结构中测温电阻溅射在隔膜上，薄膜热电材料附着在液体反应池壁处；使用刀具切割固体PDMS得到圆环形液体反应池，通过氧等离子体表面处理将圆环形液体反应池与圆形基底键合。
圆形基底材质为压电材料128°旋转Y切割X传播方向的铌酸锂晶体。
叉指换能器由一对弧形叉指和弧形反射栅组成，两弧形叉指圆心上下错开距离为3毫米，两圆心水平距离为2毫米，弧形叉指共由20对指条组成，弧形叉指的孔径宽度为9毫米，圆心角度为90度。
三电极系统分别为工作电极、对电极、参比电极组成，其中将三电极系统蒸镀至圆形基底后，在中间电极处涂覆氯化银，形成参比电极。
圆形基底1高度为1毫米，叉指换能器、三电极系统以及温控结构的高度为100纳米；隔膜高度为70纳米。
液体反应池5为PDMS圆环，将加入固化剂的PDMS加热凝固，使用刀具切割固体PDMS得到圆环形液体反应池，内环直径为6毫米，外环直径为10毫米，高度为3毫米。
参见图3，所述的叉指换能器2蒸镀在圆形基底1上的一对弧形叉指。叉指换能器2有一对弧形叉指和弧形反射栅8组成，两弧形叉指圆心上下错开距离为3毫米，两圆心水平距离为2毫米，弧形叉指共由20对指条组成，弧形叉指的孔径宽度为9毫米，圆心角度为90度，叉指的外围布有弧形反射栅8。
所述三电极系统分别为工作电极9、对电极10、参比电极11组成，其中将三电极系统蒸镀至圆形基底1后，在中间电极处涂覆氯化银12，形成参比电极11。
参见图4，温控结构由测温电阻6和薄膜热电材料7构成。
本发明工作方式如下：使用移液枪将反应液滴在液体反应池5内，对叉指换能器2施加交流电压，弧形叉指换能器产生的声表面波聚焦到液体池处，促使反应池内的液体加速旋转混合，加剧反应效果，增强氧化还原反应过程中产生的电信号，三电极系统3将产生的电流、阻抗等电信号传出，可根据电信号实现对反应物的浓度、反应产物浓度等的测量。温控结构包括可以升降温的测温电阻6和薄膜热电材料7，可以实时监测并调整反应液温度，保证反应在适宜温度下进行。该器件不仅可进行葡萄糖、重金属离子等物质浓度检测装置，同时可促进其他微生物化学反应，如细菌裂解、MOF剥离等。本发明利用声表面波的声致微流效应，以聚焦型弧线叉指换能器为核心，结合电化学反应中的三电极系统，能够完成多种电化学反应，实现液体反应、信号输出检测整体过程，同时能够利用此装置促进其他生物化学反应。温控结构可以实时监测并调整反应液温度，保证反应在适宜的温度下进行，该器件可进行具有生物活性的化学反应。本发明采用微纳加工工艺，大大减小了设备体积，与现有传统设备相比集成度高、便携、节约能耗、加工成本低、样本需求少，器件采取外部全固定设备完成混合、反应和信号输出，避免了传统设备因为部件运动造成的设备可靠性降低的缺陷。

Claims (7)

1.一种提高微量液体电化学反应效能的声表面波微反应系统，其特征在于，包括圆形基底(1)、聚焦型叉指换能器(2)、三电极系统(3)、隔膜(4)液体反应池(5)以及由测温电阻(6)和薄膜热电材料(7)组成的温控结构，其中弧形叉指换能器(2)、三电极系统(3)蒸镀在圆形基底(1)上方；隔膜(4)溅射于圆形基底(1)下方；通过氧等离子体表面处理将圆环形液体反应池(5)与圆形基底(1)键合，液体反应池(5)位于圆形基底(1)上方；温控结构中测温电阻(6)溅射在隔膜(4)上，薄膜热电材料(7)附着在液体反应池(5)壁处。
2.根据权利要求1所述的一种提高微量液体电化学反应效能的声表面波微反应系统，其特征在于，所述圆形基底(1)材质为压电材料铌酸锂晶体。
3.根据权利要求1所述的一种提高微量液体电化学反应效能的声表面波微反应系统，其特征在于，所述聚焦型叉指换能器(2)由一对弧形叉指和弧形反射栅(8)组成，弧形叉指的圆心角度、孔径距离、上下交错距离、中心频率随着不同反应物的反应需求进行调整，弧形叉指以圆环形液体反应池(5)圆心位置对称排布，叉指的外围布有弧形反射栅(8)。
4.根据权利要求1所述的一种提高微量液体电化学反应效能的声表面波微反应系统，其特征在于，所述的三电极系统(3)由工作电极(9)、对电极(10)、参比电极(11)构成，三电极系统(3)蒸镀在圆形基底(1)上，在中间电极涂覆氯化银形成参比电极(11)。
5.根据权利要求1所述的一种提高微量液体电化学反应效能的声表面波微反应系统，其特征在于，所述液体反应池(5)为圆环形，使用刀具模型切割添加固化剂的PDMS而成，位于键合于叉指换能器(2)中心位置处。
6.根据权利要求1所述的一种提高微量液体电化学反应效能的声表面波微反应系统，其特征在于，所述隔膜(4)为二氧化硅薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种提高微量液体电化学反应效能的声表面波微反应系统，其特征在于，所述温控结构由测温电阻(6)和薄膜热电材料(7)组成，测温电阻(6)溅射在隔膜上，位于液体反应池(5)的正下方，薄膜热电材料(7)附着在液体反应池(5)池壁处。
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