CN110586211A - 一种基于数控气阀调节通道压力的微流控芯片制备及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数控气阀调节通道内压力的微流控芯片。其能够精确控制芯片内通道压力，具有响应快速，可连续调节等特点。该芯片主要部件包括：气动电磁阀；微流控通道；注射泵；连接导管；聚二甲基硅氧烷薄膜；气体通道；控制器；电磁阀驱动板；驱动电源；控制程序。该芯片在微流控通道下方集成多个气动阀，通过控制各气动阀的开关时序对通道内流体压力进行快速调节。本发明通过个人计算机作为上位机发出控制指令，控制器将指令转换为电平信号发送至电磁阀驱动板，驱动板根据电平信号将驱动电压输送至电磁阀，电磁阀通过连接导管与芯片相连，从而控制芯片中气动阀的开关时序。该技术有望在材料合成及分析等领域的应用中发挥作用。

Description

一种基于数控气阀调节通道压力的微流控芯片制备及控制 方法

技术领域

本发明涉及计算机科学，电气工程，微流控芯片和材料化学领域，特别涉及一种基于数控气阀调节通道压力的微流控芯片制备及控制方法。

背景技术

微流控芯片是一种可集成化的技术平台，被学术界称为微全分析系统或芯片实验室。微流控芯片的功能包含将生物及化学等领域的单元操作集成在一块几平方厘米的微区域内，通过对微小区域内的物质进行操控从而完成普通生物及化学实验室中的绝大多数操作，微流控芯片不仅能完成普通实验室中的绝大多数操作任务，而且具有许多普通实验室所没有的功能。

微反应技术是一种将微结构内在的优势应用到反应过程的技术，体现这种技术的设备或器件称为微反应器。微反应器是一种单元反应界面尺度为微米量级的微型反应系统。它的基本特征是：线性尺寸小，物理量梯度高，表面积/体积比大，流动为低雷诺数层流。微反应的这些特征使之有可能通过并行单元来实现柔性生产、规模放大、快速和高通量筛选等。

运用微流控技术原理在微反应器中进行化学反应具有显著的优势。利用微反应器能够操控小体积试剂的特点，可以使用高浓度试剂进行高反应速率的单元操作，从而缩短反应时间，同时减少副产物的产生，降低纯化难度。由于微反应器中的每个微区所含试剂量极少，从而可以大大提高合成反应的安全性，降低防护成本。另外微反应器具有很强的可设计属性，可拓展性，能够充分满足科研需求。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于数控气阀调节通道压力的微流控芯片制备及控制方法。

本发明的装置结合了微流控芯片技术、计算机科学及电气自动化控制的优势，将单片机、驱动板、电磁阀、微流控芯片集成于一体，实现对微化学反应环境的精细操控。

本发明中，为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于数控气阀调节通道压力的微流控芯片制备及控制方法，其特征在于包括上位机（PC）、单片机（B）、驱动板（C）、气动电磁阀（D）、驱动电源（PWR）、微流控芯片；所述上位机与单片机用数据线（USB）连接；所述单片机（B）与驱动板（C）通过PCI插槽堆叠组合；所述驱动电源（PWR）、驱动板（C）、气动电磁阀（D）用杜邦线（L-01~08）顺序连接；所述气瓶（A）与气动电磁阀（D）通过气体导管连接；所述气动电磁阀（D）与微流控芯片通过气体软管（P-01~10）连接。

本发明中，基于软光刻技术制备的气阀调节通道压力的微流控芯片，包括：

所述用于进行化学反应的微流控通道，该通道上设有连续相入口（4）、分散相入口（6）及产品出口（9）；连续相及分散相的相遇部位为“类十字”交叉结构，该结构有利于对分散相形成强有力的剪切作用，同时横向的连续相通道与纵向的分散相通道的夹角大于直角，该结构能够防止连续相回流至分散相通道内，从而精确控制液滴的尺寸大小及均匀度；

所述用于调节反应通道内压力的多组气路通道层（3），该气路通道层位于反应通道层（1）下部，气路通道层与反应通道层之间用一隔膜层（2）分隔。

本发明中，所述隔膜（2）起到将反应通道（1）与气路通道（3）分隔的作用，与反应通道（1）与气路通道（3）共同构成气动阀结构（14~18）。

本发明中，所述气动阀（14~18）的位置在连续相与分散相“十字”交叉结构下游及通道产品出口之间间隔分布。

本发明中，微流控芯片三层结构的相互位置关系是反应通道层（1）、隔膜（2）、气路通道层（3）；三层结构之间紧密结合，并保证气体不能从气路通道与隔膜结合部发生渗漏，反应试剂不能从反应通道与隔膜结合部发生渗漏。

作为优选，所述反应通道层（1）与隔膜（2）、隔膜（2）与气路通道层（3）采用等离子体清洗后键合；采用该技术方案时，可以在结合处发生不可逆键合，保证结合部位的密封性及耐压性能良好。

作为优选，所述芯片反应通道（7）宽度10-1000 µm，长1-20 cm，分散相通道（5）宽度10-300 µm，通道入口及出口的储液池（4,6,9）直径为500-1500 µm，通道外围定位孔（8）的直径为500-3000 µm，反应通道层各部分通道高度均为20-300 µm。

本发明中，所述芯片气路通道定位孔（12）直径为500-3000 µm，气路通道（13）宽度10-1000 µm，气路层通道各部分高度均为20-300µm。

本发明中，所述隔膜通孔（11）位于反应通道层定位孔与气路通道层定位孔之间，通孔直径为0.5-5 mm，隔膜厚度为1-100 μm。

本发明中利用不互溶的双液相体系，在传统的液滴芯片下方集成多组可控气阀，通过程序控制电磁阀开关顺序及开关时间、开关周期等参数，连续可控地调节液滴芯片中的压力，通道内压力可在表压为1KPa-20KPa之间连续调节。

本发明中，一种基于气阀调节通道压力的微流控芯片控制方法，包括以下步骤：

上位机（PC）编写并发送控制参数至单片机（B）；

单片机（B）将控制参数转换为电平信号发送至驱动板（C）；驱动电源（PWR）给驱动板（C）提供驱动电压；

驱动板（C）根据单片机的电平信号将驱动电压提供给气动电磁阀（D）；

气动电磁阀（D）根据驱动电压的通断控制微流控芯片上气阀（14-18）的开关。

本发明中，所述控制参数包括气阀序号、气阀维持单一状态的时间以及相邻气阀的间隔停歇时间。

本发明中，所述气阀内所通气体为氮气或空气。

本发明的有益成果

（1）适用于在芯片内进行微液滴反应实验，也适用于连续相反应实验。

（2）在进行化学合成反应实验过程中，可实现连续稳定运行，若并联多组芯片可实现高通量化学合成使用，并可对实验过程进行实时观测并及时调节反应条件。

（3）该芯片结构简单，体积小，成本低，制备方便。

（4）该装置以模块化零部件组装，可拓展性强。

综合而言，本发明具有可预期的较为巨大的经济价值及社会价值。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为上位机、单片机、驱动版、气动电磁阀、驱动电源、微流控芯片所组成控制系统的链接关系示意图；

图2为电磁阀各接口示意图；

图3为集成多组气阀结构的微流控芯片整体结构分解关系示意简图；

图4为微流控芯片上层反应通道结构示意图；

图5为微流控芯片下层气体通路结构示意图；

图6为微流控芯片整体结构示意简图。

具体实施方式

以下将通过实施例对本发明的有关细节做进一步说明，但实施例并不限于本发明的保护范围。

实施例1 集成气阀微流控液滴芯片的制备

根据实际需要，使用CAD软件设计芯片的形状尺寸；利用软光刻技术制备各层芯片组件。该芯片能够在外部设备的控制下进行化学合成反应，并在合成过程中实时观察合成情况，该芯片构成如下：反应通道层（1）、PDMS膜层（2）、气流通道层（3）；三者从上至下依次叠放布置；其中：

所述反应通道的结构构成如下：连续相入口（4）、分散相入口（6）、分散相通道（5）、水相与油相相遇处“十字”型结构、主通道（7）、液滴出口（9）。

芯片连续相入口（4）、分散相入口（6）、液滴出口（9）处的缓冲区为直径2mm的圆形区域。芯片连续相通道及分散相通道（5）宽度均为150 µm，主通道（7）宽度为300 µm，反应通道层（1）所有通道高度均为100 µm。定位孔（8）为直径为3 mm高度100 µm的圆形凹槽。

所述PDMS薄膜层厚度为20 µm，通气孔直径为1 mm。

所述气路通道入口同时也是气路层定位孔（12）在反应通道定位孔（8）正下方，其直径为3 mm，气路通道宽度为300 µm，高度为100 µm 。气路通道与主通道正交放置，重叠处构成气阀结构（14-18），相邻气阀间主通道长度为5cm。

实施例2基于集成数控气阀的微流控芯片控制

一种集成数控气阀的微流控芯片控制方法，包括以下步骤：

将包含控制参数的指令输入上位机（PC），上位机（PC）将指令发送至控制器（B）；

控制器（B）将控制参数转换为电平信号发送至驱动板（C）；驱动板（C）根据控制器（B）发送的电平信号将驱动电源（PWR）供给到电磁阀（D）上；

电磁阀在通电状态下（A）气口与压力气体入口（P）导通，与（A）相接气阀关闭，（B）气口与大气入口（S）导通，与（B）相接气阀打开；电磁阀在无电流接通状态下（A）气口与大气入口（R）导通，与（A）相接气阀打开，（B）气口与压力气体入口（P）导通，与（B）相接气阀关闭。

实施例3 用于合成双金属MOFs材料的微流控芯片

实验中所用芯片如图6所示。整个芯片如上所述分为三层，使用等离子体清洗后键合处理后结合；所述连续相入口（19）通过注射泵向通道内注入矿物油，分散相入口（20,21,22）处分别通过注射泵向通道内注入16mmoL/L均苯三甲酸甲醇溶液、32mmoL/L硝酸铜甲醇溶液及32mmoL/L硝酸钴甲醇溶液。出口处（23）接玻璃容器（E）收集液滴产物并及时进行分离及洗涤操作。

所述上位机通过输入控制参数：芯片气阀由通道上游至下游依次关闭，操作间隔0.25s，关闭时间为0.25s，气阀（14-18）依次顺序循环；所述芯片气阀（14-18）在同一时刻有且仅有一组气阀处于关闭状态。

所述一级入口（19）流体流速为3.0 mL/h，所述二级入口（20,21,22）流体流速均为0.5 mL/h。

实施例4用于合成金银核壳纳米粒子

实验中所用芯片如图。整个芯片如上所述分为三层，使用PLASMA处理后结合。所述一级入口（19）通入硝酸银水溶液，所述二级入口（20,21,22）分别通入氯金酸水溶液、硼氢化钠水溶液、聚乙烯吡咯烷酮水溶液。所述二级入口处的三种溶液在“十字”结构之前连续相通道（5）先反应生成纳米金种，在“十字”结构后反应通道（7）由于加入硝酸银水溶液，从而在金纳米粒子外继续反应生成银包金纳米颗粒。所述出口处（23）接玻璃容器（E）收集反应产物。

所述上位机通过输入控制参数控制电磁阀（14-18）的开关次序及开关时间，具体参数如下：14、16、18号气阀同时关闭，15、17号气阀同时打开，持续时间为0.5s，15、17号气阀同时关闭，14、 16、 18号气阀同时打开，持续时间为0.5 s，如此交替连续变换。

所述一级入口（19）流体流速为1.5 mL/h，所述二级入口（20,21,22）流体流速均为0.5 mL/h。

Claims (6)

1.一种基于数控气阀调节通道压力的微流控芯片制备及控制方法，其特征在于：该芯片主要由上位机（PC）、单片机（B）、驱动版（C）、气动电磁阀（D）、驱动电源（PWR）、微流控芯片组成；各组件如图1所示依次连接；其中：

所述个人计算机作为上位机，单片机作为控制器，驱动板集成TB6612NG芯片或L298N芯片，电磁阀采用二位二通、二位三通、二位五通或三位五通型号中的一种或多种，驱动电压采用12V或24V直流电源，微流控芯片采用玻璃、硅弹性体、热塑性塑料、热固性塑料中的一种或几种制作而成；

所述上位机安装有程序编译软件，用于编写、转换及发送控制参数；

所述控制器，用于将控制参数转换为电平信号并发送至驱动板；

所述驱动电源将驱动电压提供给驱动板；

所述驱动板根据控制器发送的电平时序信号将驱动电压供给气动电磁阀；

所述气动电磁阀的进气口（P）与气瓶相连，气动电磁阀执行气口（A,B）与芯片气路通道相连，气动电磁阀回气口（R,S）与大气相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于气阀调节通道压力的微流控芯片，其特征在于所述的气动电磁阀包括多组并联电磁阀，各电磁阀进气口通过汇流板与气瓶相连，各电磁阀回气口通过汇流板与环境相连；

所述执行气口通过转接头与连接导管的一端相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于气阀调节通道压力的微流控芯片，其特征在于所述电磁阀与微流控芯片相连的管路材质为聚四氟乙烯、聚丙烯、硅胶等材质中的一种；

所述连接导管内径为0.1-5mm，导管壁厚为0.05-5mm。

4. 所述一种基于气阀调节通道压力的微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片能够连续调节其通道内部压力，精细控制通道内化学反应的反应条件，该芯片结构如下：反应通道层 (1)、聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜层 (2)、气路通道层 (3)；三者从上至下依次叠放布置；其中：

所述反应通道层结构如下：连续相入口（4）、连续相通道（5）、反应试剂入口（6）、液滴反应通道（7）、定位标记（8）、产品出口（9）；

所述PDMS薄膜层上预留贯通该层的气路通孔 (11)，位于反应通道层定位孔正下方；

所述气路通道结构包括：定位孔 (12)、气路通道 (13)。

5. 根据权利要求4所述的一种基于气阀调节通道压力的微流控芯片，其特征在于所述的微流控芯片反应通道入口及出口缓冲区直径为500-5000 μm，连续相及分散相通道宽度为20-1000 μm，反应通道宽度为100-8000 μm，反应通道层所有通道高为20-300 μm；

所述聚二甲基硅氧烷薄膜层预留气孔直径为500-5000 μm，薄膜厚度为5-100 μm；

气路通道定位孔直径为500-5000 μm，气路通道宽度为100-8000 μm，气路层通道高度为20-300 μm。

6.根据权利要求4所述的一种基于气阀调节通道压力的微流控芯片，其特征在于反应通道层，聚二甲基硅氧烷薄膜层及气路通道层的结合方式采用等离子体清洗后键合或者机械夹具紧固的方式固定。