CN110237775A - 一种微量液体混合反应方法 - Google Patents

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方晓华
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Abstract

本发明涉及新材料研发领域，一种微量液体混合反应方法，微量液体混合反应装置包括计算机、激光器、透镜组、照相机、底座、旋转马达、旋转轴、旋转片、液体混合器和限位螺丝，液体混合器包括载玻片、样品池I、样品池II、微通道I、微通道II、混合腔、微通道III和储液池，特制的微流体结构，结合离心混合方法，采用基于离心力的微流体单元，能够用于30微升以下的小体积流体样品的连续混合及反应，能够快速对纳升到微升体积的反应物液体进行混合，方法成本低，操作简便，对小体积的流体样品的混合效果好，成本低廉。

Description

一种微量液体混合反应方法
技术领域
本发明涉及新材料研发领域，尤其是一种能够快速对纳升到微升体积的反应物液体进行混合的一种微量液体混合反应方法。
背景技术
对反应物的充分混合是进行高效化学反应的重要因素，特别是在小剂量的化学分析应用中，完全的定量的混合是关系到分析精度的决定因素，现有技术中有许多对大量反应物进行混合的解决方案，但是，对于纳升到微升量级的反应液体，还没有一种低成本的方法来对于进行充分混合，所述一种微量液体混合反应方法能够解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明方法采用基于离心力的微流体单元，能够用于30微升以下的小体积流体样品的连续混合及反应。
本发明所采用的技术方案是：
微量液体混合反应装置包括计算机、激光器、透镜组、照相机、底座、旋转马达、旋转轴、旋转片、液体混合器和限位螺丝，xyz为三维坐标系，液体混合器包括载玻片、样品池I、样品池II、微通道I、微通道II、混合腔、微通道III和储液池，液体混合器有两套；激光器和照相机均连接计算机，透镜组位于激光器的前面，激光器、透镜组和照相机的位置均可调节，旋转马达安装于底座内部，旋转马达的旋转频率可调节，旋转轴沿竖直y方向，旋转轴的下端连接于旋转马达、上端露出底座的上方；旋转片为中心具有螺孔的长方形金属片，旋转片通过螺孔连接于旋转轴的上端，并通过限位螺丝固定，两套液体混合器对称地安装于旋转片的上面，旋转马达能够带动两套液体混合器在xy水平面内转动；照相机位于旋转片上方的15厘米处，并能够将采集到的光信号传输到计算机中，通过计算机能够调节激光器发射的激光脉冲的时间特性，激光器发射的激光通过透镜组后，能够照射到液体混合器；样品池I、样品池II、微通道I、微通道II、混合腔、微通道III和储液池由一整块高分子材料片一体加工成形并与载玻片的上表面紧密贴合，相互平行的微通道I和微通道II的一端分别连通样品池I和样品池II、另一端均连通混合腔，混合腔通过微通道III连通储液池，微通道III在xy水平面内呈U形，液体经过微通道III时形成180度弯，微通道III由间隔为1.5毫米的三条微通道组成；样品池I和样品池II的上面均具有一个直径为0.5毫米的进液口，所述进液口为样品池I、样品池II、微通道I、微通道II、混合腔、微通道III和储液池与大气连通的开口；样品池I、样品池II和储液池的深度均为250微米，样品池I和样品池II的容积均为15微升，储液池的容积为40微升；微通道I和微通道II的长度均为10毫米，微通道I和微通道II的截面均是高度为250微米、宽度为70微米的长方形；混合腔的深度为70微米、容积为35微升；微通道III的三条微通道的截面均是高度为250微米、宽度为50微米的长方形。
所述一种微量液体混合反应方法实验的步骤为：
步骤一，采用两个移液器同时分别向样品池I和样品池II的进液口充入15微升的待混合液体I和15微升的待混合液体II，将液体混合器安装至旋转片，使得液体混合器中样品池I和样品池II所在的一侧靠近旋转片的中心；
步骤二，开启旋转马达，调节旋转马达的旋转频率，5秒时间内从0Hz线性地增加到10Hz，样品池I和样品池II中的待混合液体I和待混合液体II分别通过微通道I和微通道II流向混合腔；
步骤三，继续调节旋转马达的旋转频率，在8秒时间内继续线性地增加至20Hz并保持60秒，混合腔中的液体通过微通道III流向储液池，并使得储液池中原本存在的一部分空气被压缩在储液池中；
步骤四，继续调节旋转马达的旋转频率，在30秒时间内线性地减少至0Hz，储液池中的被压缩空气将混合后的液体推回混合腔中；
步骤五，重复步骤二到步骤四3次，以保证混合器中液体完全混合均匀并最终位于混合腔中；
步骤六，调节激光器和透镜组的位置，使得激光器发射的激光通过透镜组后，照射到液体混合器的混合腔；
步骤七，调节照相机的位置，并采集液体混合器中液体的图像及相关的光学信息，并将采集到的光信号传输到计算机中；
步骤八，分析并处理计算机中的光信号，判断待混合液体I和待混合液体II混合后的产物的特性。
本发明的有益效果是：
本发明方法成本低，操作简便，对小体积的流体样品的混合效果较好。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图；
图2是旋转片俯视示意图；
图3是液体混合器俯视放大示意图。
图中，1.计算机，2.激光器，3.透镜组，4.照相机，5.底座，6.旋转马达，7.旋转轴，8.旋转片，9.液体混合器，9-1.载玻片，9-2.样品池I，9-3.样品池II，9-4.微通道I，9-5.微通道II，9-6.混合腔，9-7.微通道III，9-8.储液池，10.限位螺丝。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，如图2是旋转片俯视示意图，包括计算机(1)、激光器(2)、透镜组(3)、照相机(4)、底座(5)、旋转马达(6)、旋转轴(7)、旋转片(8)、液体混合器(9)和限位螺丝(10)，xyz为三维坐标系，激光器(2)和照相机(4)均连接计算机(1)，透镜组(3)位于激光器(2)的前面，激光器(2)、透镜组(3)和照相机(4)的位置均可调节，旋转马达(6)安装于底座(5)内部，旋转马达(6)的旋转频率可调节，旋转轴(7)沿竖直y方向，旋转轴(7)的下端连接于旋转马达(6)、上端露出底座(5)的上方，旋转片(8)为中心具有螺孔的长方形金属片，旋转片(8)通过螺孔连接于旋转轴(7)的上端，并通过限位螺丝(10)固定，两套液体混合器(9)对称地安装于旋转片(8)的上面，旋转马达(6)能够带动两套液体混合器(9)在xy水平面内转动；照相机(4)位于旋转片(8)上方的15厘米处，并能够将采集到的光信号传输到计算机(1)中，通过计算机(1)能够调节激光器(2)发射的激光脉冲的时间特性，激光器(2)发射的激光通过透镜组(3)后，能够照射到液体混合器(9)。
如图3是液体混合器俯视放大示意图，液体混合器(9)包括载玻片(9-1)、样品池I(9-2)、样品池II(9-3)、微通道I(9-4)、微通道II(9-5)、混合腔(9-6)、微通道III(9-7)和储液池(9-8)，液体混合器(9)有两套，样品池I(9-2)、样品池II(9-3)、微通道I(9-4)、微通道II(9-5)、混合腔(9-6)、微通道III(9-7)和储液池(9-8)由一整块高分子材料片一体加工成形并与载玻片(9-1)的上表面紧密贴合，相互平行的微通道I(9-4)和微通道II(9-5)的一端分别连通样品池I(9-2)和样品池II(9-3)、另一端均连通混合腔(9-6)，混合腔(9-6)通过微通道III(9-7)连通储液池(9-8)，微通道III(9-7)在xy水平面内呈U形，液体经过微通道III(9-7)时形成180度弯，微通道III(9-7)由间隔为1.5毫米的三条微通道组成；样品池I(9-2)和样品池II(9-3)的上面均具有一个直径为0.5毫米的进液口，所述进液口为样品池I(9-2)、样品池II(9-3)、微通道I(9-4)、微通道II(9-5)、混合腔(9-6)、微通道III(9-7)和储液池(9-8)与大气连通的开口；样品池I(9-2)、样品池II(9-3)和储液池(9-8)的深度均为250微米，样品池I(9-2)和样品池II(9-3)的容积均为15微升，储液池(9-8)的容积为40微升；微通道I(9-4)和微通道II(9-5)的长度均为10毫米，微通道I(9-4)和微通道II(9-5)的截面均是高度为250微米、宽度为70微米的长方形；混合腔(9-6)的深度为70微米、容积为35微升；微通道III(9-7)的三条微通道的截面均是高度为250微米、宽度为50微米的长方形。
微量液体混合反应装置包括计算机(1)、激光器(2)、透镜组(3)、照相机(4)、底座(5)、旋转马达(6)、旋转轴(7)、旋转片(8)、液体混合器(9)和限位螺丝(10)，xyz为三维坐标系，液体混合器(9)包括载玻片(9-1)、样品池I(9-2)、样品池II(9-3)、微通道I(9-4)、微通道II(9-5)、混合腔(9-6)、微通道III(9-7)和储液池(9-8)，液体混合器(9)有两套；激光器(2)和照相机(4)均连接计算机(1)，透镜组(3)位于激光器(2)的前面，激光器(2)、透镜组(3)和照相机(4)的位置均可调节，旋转马达(6)安装于底座(5)内部，旋转马达(6)的旋转频率可调节，旋转轴(7)沿竖直y方向，旋转轴(7)的下端连接于旋转马达(6)、上端露出底座(5)的上方；旋转片(8)为中心具有螺孔的长方形金属片，旋转片(8)通过螺孔连接于旋转轴(7)的上端，并通过限位螺丝(10)固定，两套液体混合器(9)对称地安装于旋转片(8)的上面，旋转马达(6)能够带动两套液体混合器(9)在xy水平面内转动；照相机(4)位于旋转片(8)上方的15厘米处，并能够将采集到的光信号传输到计算机(1)中，通过计算机(1)能够调节激光器(2)发射的激光脉冲的时间特性，激光器(2)发射的激光通过透镜组(3)后，能够照射到液体混合器(9)；样品池I(9-2)、样品池II(9-3)、微通道I(9-4)、微通道II(9-5)、混合腔(9-6)、微通道III(9-7)和储液池(9-8)由一整块高分子材料片一体加工成形并与载玻片(9-1)的上表面紧密贴合，相互平行的微通道I(9-4)和微通道II(9-5)的一端分别连通样品池I(9-2)和样品池II(9-3)、另一端均连通混合腔(9-6)，混合腔(9-6)通过微通道III(9-7)连通储液池(9-8)，微通道III(9-7)在xy水平面内呈U形，液体经过微通道III(9-7)时形成180度弯，微通道III(9-7)由间隔为1.5毫米的三条微通道组成；样品池I(9-2)和样品池II(9-3)的上面均具有一个直径为0.5毫米的进液口，所述进液口为样品池I(9-2)、样品池II(9-3)、微通道I(9-4)、微通道II(9-5)、混合腔(9-6)、微通道III(9-7)和储液池(9-8)与大气连通的开口；样品池I(9-2)、样品池II(9-3)和储液池(9-8)的深度均为250微米，样品池I(9-2)和样品池II(9-3)的容积均为15微升，储液池(9-8)的容积为40微升；微通道I(9-4)和微通道II(9-5)的长度均为10毫米，微通道I(9-4)和微通道II(9-5)的截面均是高度为250微米、宽度为70微米的长方形；混合腔(9-6)的深度为70微米、容积为35微升；微通道III(9-7)的三条微通道的截面均是高度为250微米、宽度为50微米的长方形。
装置的工作原理：通过样品池I(9-2)和样品池II(9-3)各自的进液口，对样品池I(9-2)和样品池II(9-3)内分别充入15微升待混合液体I和15微升待混合液体II，将液体混合器(9)安装至旋转片(8)，液体混合器(9)中样品池I(9-2)和样品池II(9-3)所在的一侧靠近旋转片(8)的中心，开启旋转马达(6)，旋转马达(6)带动液体混合器(9)在xy水平面内绕旋转轴(7)转动，并增加旋转马达(6)转速，当产生的离心力作用大于液体在微通道I(9-4)和微通道II(9-5)内的毛细管作用时，样品池I(9-2)和样品池II(9-3)中的待混合液体I和待混合液体II分别通过微通道I(9-4)和微通道II(9-5)流向混合腔(9-6)，随着混合器(9)的不断旋转，混合腔(9-6)中的液体通过微通道III(9-7)流向储液池(9-8)，并使得储液池(9-8)中原本存在的一部分空气被压缩在储液池(9-8)中，所述被压缩空气的压强为其中Vca为被压缩在储液池(9-8)中的空气所占的体积，Vc为储液池(9-8)的容积，P0为一个大气压；由于待混合液体I和待混合液体II混合后流入储液池(9-8)中，被压缩空气的压强增加，为了使得混合腔(9-6)中的液体流速保持恒定，需要增加混合器(9)旋转的角频率，一旦样品池I(9-2)和样品池II(9-3)中没有液体，调节旋转马达(6)转速，逐渐减少混合器(9)旋转的角频率，使得离心力下降，储液池(9-8)中的被压缩空气将混合后的液体推回混合腔(9-6)中。
所述一种微量液体混合反应方法实验的步骤为：
步骤一，采用两个移液器同时分别向样品池I(9-2)和样品池II(9-3)的进液口充入15微升的待混合液体I和15微升的待混合液体II，将液体混合器(9)安装至旋转片(8)，使得液体混合器(9)中样品池I(9-2)和样品池II(9-3)所在的一侧靠近旋转片(8)的中心；
步骤二，开启旋转马达(6)，调节旋转马达(6)的旋转频率，5秒时间内从0Hz线性地增加到10Hz，样品池I(9-2)和样品池II(9-3)中的待混合液体I和待混合液体II分别通过微通道I(9-4)和微通道II(9-5)流向混合腔(9-6)；
步骤三，继续调节旋转马达(6)的旋转频率，在8秒时间内继续线性地增加至20Hz并保持60秒，混合腔(9-6)中的液体通过微通道III(9-7)流向储液池(9-8)，并使得储液池(9-8)中原本存在的一部分空气被压缩在储液池(9-8)中；
步骤四，继续调节旋转马达(6)的旋转频率，在30秒时间内线性地减少至0Hz，储液池(9-8)中的被压缩空气将混合后的液体推回混合腔(9-6)中；
步骤五，重复步骤二到步骤四3次，以保证混合器(9)中液体完全混合均匀并最终位于混合腔(9-6)中；
步骤六，调节激光器(2)和透镜组(3)的位置，使得激光器(2)发射的激光通过透镜组(3)后，照射到液体混合器(9)的混合腔(9-6)；
步骤七，调节照相机(4)的位置，并采集液体混合器(9)中液体的图像及相关的光学信息，并将采集到的光信号传输到计算机(1)中；
步骤八，分析并处理计算机(1)中的光信号，判断待混合液体I和待混合液体II混合后的产物的特性。
本发明方法采用特制的微流体结构，并结合离心混合方法，用于小体积的液态反应样品的混合及反应，混合效果好，成本低廉。

Claims (1)

1.一种微量液体混合反应方法，微量液体混合反应装置包括计算机(1)、激光器(2)、透镜组(3)、照相机(4)、底座(5)、旋转马达(6)、旋转轴(7)、旋转片(8)、液体混合器(9)和限位螺丝(10)，xyz为三维坐标系，液体混合器(9)包括载玻片(9-1)、样品池I(9-2)、样品池II(9-3)、微通道I(9-4)、微通道II(9-5)、混合腔(9-6)、微通道III(9-7)和储液池(9-8)，液体混合器(9)有两套；激光器(2)和照相机(4)均连接计算机(1)，透镜组(3)位于激光器(2)的前面，激光器(2)、透镜组(3)和照相机(4)的位置均可调节，旋转马达(6)安装于底座(5)内部，旋转轴(7)沿竖直y方向，旋转轴(7)的下端连接于旋转马达(6)、上端露出底座(5)的上方；旋转片(8)为中心具有螺孔的长方形金属片，旋转片(8)通过螺孔连接于旋转轴(7)的上端，并通过限位螺丝(10)固定，两套液体混合器(9)对称地安装于旋转片(8)的上面，旋转马达(6)能够带动两套液体混合器(9)在xy水平面内转动；照相机(4)位于旋转片(8)上方的15厘米处，并能够将采集到的光信号传输到计算机(1)中，通过计算机(1)能够调节激光器(2)发射的激光脉冲的时间特性，激光器(2)发射的激光通过透镜组(3)后，能够照射到液体混合器(9)；样品池I(9-2)、样品池II(9-3)、微通道I(9-4)、微通道II(9-5)、混合腔(9-6)、微通道III(9-7)和储液池(9-8)由一整块高分子材料片一体加工成形并与载玻片(9-1)的上表面紧密贴合，相互平行的微通道I(9-4)和微通道II(9-5)的一端分别连通样品池I(9-2)和样品池II(9-3)、另一端均连通混合腔(9-6)，混合腔(9-6)通过微通道III(9-7)连通储液池(9-8)，微通道III(9-7)在xy水平面内呈U形，微通道III(9-7)由间隔为1.5毫米的三条微通道组成；样品池I(9-2)和样品池II(9-3)的上面均具有一个直径为0.5毫米的进液口，所述进液口为样品池I(9-2)、样品池II(9-3)、微通道I(9-4)、微通道II(9-5)、混合腔(9-6)、微通道III(9-7)和储液池(9-8)与大气连通的开口；样品池I(9-2)、样品池II(9-3)和储液池(9-8)的深度均为250微米，样品池I(9-2)和样品池II(9-3)的容积均为15微升，储液池(9-8)的容积为40微升；微通道I(9-4)和微通道II(9-5)的长度均为10毫米，微通道I(9-4)和微通道II(9-5)的截面均是高度为250微米、宽度为70微米的长方形；混合腔(9-6)的深度为70微米、容积为35微升；微通道III(9-7)的三条微通道的截面均是高度为250微米、宽度为50微米的长方形，
其特征是：所述一种微量液体混合反应方法实验的步骤为：
步骤一，采用两个移液器同时分别向样品池I(9-2)和样品池II(9-3)的进液口充入15微升的待混合液体I和15微升的待混合液体II，将液体混合器(9)安装至旋转片(8)，使得液体混合器(9)中样品池I(9-2)和样品池II(9-3)所在的一侧靠近旋转片(8)的中心；
步骤二，开启旋转马达(6)，调节旋转马达(6)的旋转频率，5秒时间内从0Hz线性地增加到10Hz，样品池I(9-2)和样品池II(9-3)中的待混合液体I和待混合液体II分别通过微通道I(9-4)和微通道II(9-5)流向混合腔(9-6)；
步骤三，继续调节旋转马达(6)的旋转频率，在8秒时间内继续线性地增加至20Hz并保持60秒，混合腔(9-6)中的液体通过微通道III(9-7)流向储液池(9-8)，并使得储液池(9-8)中原本存在的一部分空气被压缩在储液池(9-8)中：
步骤四，继续调节旋转马达(6)的旋转频率，在30秒时间内线性地减少至0Hz，储液池(9-8)中的被压缩空气将混合后的液体推回混合腔(9-6)中；
步骤五，重复步骤二到步骤四3次，以保证混合器(9)中液体完全混合均匀并最终位于混合腔(9-6)中；
步骤六，调节激光器(2)和透镜组(3)的位置，使得激光器(2)发射的激光通过透镜组(3)后，照射到液体混合器(9)的混合腔(9-6)；
步骤七，调节照相机(4)的位置，并采集液体混合器(9)中液体的图像及相关的光学信息，并将采集到的光信号传输到计算机(1)中；
步骤八，分析并处理计算机(1)中的光信号，判断待混合液体I和待混合液体II混合后的产物的特性。
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