CN111604097A - 基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置及反应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置，包括反应发生部分与发电部分，发电部分包括摩擦发电组件与整流电路，摩擦发电组件包括从上往下依次设置的驱动电极、基板、第一摩擦电极、第一摩擦材料、第二摩擦材料和第二摩擦电极，第一摩擦材料与第二摩擦材料之间具有间隙，第一摩擦电极与第一摩擦材料相连接，第二摩擦电极与第二摩擦材料相连接，驱动电极、第一摩擦电极、第二摩擦电极均与所述整流电路相连接。本发明还公开了一种反应方法。本发明操作灵活；可以防止交叉混合和交叉污染，进行多步反应的可行性；设置载体液滴，使有机溶剂包裹在载体液滴中，可以使有机溶剂随着可移动电极运动；对液滴进行稳定控制，加速融合与反应。

Description

基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置及反应方法
技术领域
本发明涉及微液滴控制技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置及反应方法。
背景技术
随着生物化学技术的高速发展，对于其研究设备的改良和优化需求也不断提升。数字微流控的发展为生化反应提供了新的思路，首先得到应用的是连续流微流控设备，待反应试剂从不同的入口通过气泵、阀门等装置泵入数字微流控芯片中，在芯片内汇聚并反应。但是该方法存在一定的缺陷，反应物和副反应物有时会产生固体，堵塞管道，并且容易造成交叉污染。为了解决以上问题，提出了以液滴为封闭的反应空间的方法，但是，对于有机溶剂，介电湿润效应并不能够充分改变表面张力从而驱动液滴，这使得EWOD对于有机溶剂的驱动存在天然的限制。故需要一种载体液滴，可以响应EWOD效应，又可以将待反应的有机溶剂包裹进去。同时，有机反应往往需要很多步骤，所以在使用EWOD效应制作微流控芯片时，需要大量的电极和复杂的控制电路，反应过程越复杂，芯片的制作难度就越大。
摩擦纳米发电机(TENG)的发明为电子设备的简化与微型化带来了新的解决方法，摩擦纳米发电机可以将我们生活中常见的机械能转化为电能，作为电子设备或电力系统的发电机，其高电压低电流的特点很适合EWOD驱动液滴的需要。在这里，TENG可以为各种机电系统提供驱动电源和控制信号，可以作为实现人机交互的桥梁，制成可穿戴的可移动发电机，不仅减少了对于电极的需求，也使得对于液滴的控制更加灵活，摆脱传统微流控芯片一片一用的限制。所以，摩擦纳米发电机在微流控领域具有很大的应用前景。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置及反应方法。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置，包括反应发生部分与发电部分，所述发电部分包括摩擦发电组件与整流电路，所述摩擦发电组件包括从上往下依次设置的驱动电极、基板、第一摩擦电极、第一摩擦材料、第二摩擦材料和第二摩擦电极，所述第一摩擦材料与第二摩擦材料之间具有间隙，所述第一摩擦电极与第一摩擦材料相连接，所述第二摩擦电极与第二摩擦材料相连接，所述驱动电极、第一摩擦电极、第二摩擦电极均与所述整流电路相连接。
作为本发明的进一步改进，所述整流电路为桥式整流电路，所述桥式整流电路的第一输入端、第二输入端分别与第一摩擦电极、第二摩擦电极相连接，所述桥式整流电路的第一输出端、第二输出端均与所述驱动电极相连接，所述驱动电极与第一摩擦电极之间连接有第一开关，所述驱动电极与第二摩擦电极之间连接有第二开关。
作为本发明的进一步改进，所述第二摩擦电极上安装有指套。
作为本发明的进一步改进，所述第一摩擦材料与第二摩擦材料相对的接触面分别为第一接触面、第二接触面，所述第一接触面上、第二接触面上均制作有多个凸起。
作为本发明的进一步改进，所述凸起呈四面体。
作为本发明的进一步改进，所述凸起采用光刻技术加工而成。
作为本发明的进一步改进，所述基板为硅板。
作为本发明的进一步改进，所述反应发生部分包括内部中空的反应平台、开设在所述反应平台上端的至少一个液滴出入口，所述至少一个液滴出入口与所述反应平台的内部相连通。
一种基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应方法，包括以下步骤：
(1)将第一载体液滴滴入反应平台；
(2)将发电部分移至第一载体液滴下方，来回按压第一摩擦材料和第二摩擦材料，使驱动电极带电；
(3)移动发电部分，第一载体液滴随着驱动电极运动；
(4)将第一待反应液滴滴入反应平台，使第一载体液滴与第一待反应液滴相结合，第一载体液滴包裹第一待反应液滴；
(5)重复步骤(1)～(4)，使第二载体液滴包裹第二待反应液滴；
(6)移动发电部分，使第一载体液滴与第二载体液滴混合，第一待反应液滴与第二待反应液滴接触；
(7)闭合第一开关和第二开关，第一待反应液滴与第二待反应液滴混合和反应。
本发明的有益效果是：
(1)利用摩擦纳米发电机发电驱动液滴，取代传统电机，简化了装置结构，使该装置更便携。
(2)通过将电极与纳米发电机制作成为可移动设备，可以简化微流控设备的制作，还可以使对于液滴运动的控制更加灵活。
(3)使用基于液滴的反应，可以防止交叉混合和交叉污染，也避免了固态的反应物与副反应物造成的管道堵塞，每个液滴充当间歇反应器，这表明进行多步反应的可行性，其中可能涉及溶剂交换和组合合成。
(4)通过设置载体液滴，使有机溶剂包裹在载体液滴中，可以使有机溶剂随着可移动电极运动，大大增加了该设备的适用性。
(5)通过设置桥式整流电路，将感应生电生成的交流电整流成为直流电，可以对液滴进行稳定的控制，当待反应液滴融合后，关闭桥式整流器，使电场变为交变电场，液滴在交变电场的作用下开始震荡，液滴内产生流体流动，加速待反应溶液的融合与反应。
(6)通过对摩擦材料表面进行表面处理，采用光刻技术加工成四面体状凸起，可以增加接触面积，提高感应电压。
(7)反应平台采用PDMS材质，具有良好的生物相容性和疏水性，适用于生化反应的进行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的优选实施例的发电部分的结构示意图；
图2为本发明的优选实施例的反应发生部分的结构示意图；
图3为本发明的第一摩擦材料表面示意图；
图4为本发明的优选实施例的介电湿润驱动原理图；
图5为本发明的优选实施例的发电原理图；
图6A-图6E为本发明的优选实施例的工作原理步骤图；
图中：10、反应发生部分，12、发电部分，14、驱动电极，16、基板，18、第一摩擦电极，20、第一摩擦材料，22、第二摩擦材料，24、第二摩擦电极，26、桥式整流电路，28、第一开关，30、第二开关，32、指套，34、第一接触面，36、第二接触面，38、凸起，40、反应平台，42、液滴入口，44、液滴出口。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1、图2所示，一种基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置，包括反应发生部分10与发电部分12，发电部分12包括摩擦发电组件与整流电路，摩擦发电组件包括从上往下依次设置的驱动电极14、基板16、第一摩擦电极18、第一摩擦材料20、第二摩擦材料22和第二摩擦电极24，基板16用于放置驱动电极14且能够实现驱动电极14与第一摩擦材料20与第二摩擦材料22之间具有间隙，第一摩擦电极18与第一摩擦材料20相连接，第二摩擦电极24与第二摩擦材料22相连接，驱动电极14、第一摩擦电极18、第二摩擦电极24均与整流电路相连接。
本发明优选整流电路为桥式整流电路26，桥式整流电路26的第一输入端、第二输入端分别与第一摩擦电极18、第二摩擦电极24相连接，桥式整流电路26的第一输出端、第二输出端均与驱动电极14相连接，驱动电极14与第一摩擦电极18之间连接有第一开关28，驱动电极14与第二摩擦电极24之间连接有第二开关30。
为了便于发电部分12的移动，本发明优选第二摩擦电极24上安装有指套32。
如图1、图3所示，本发明优选第一摩擦材料20与第二摩擦材料22相对的接触面分别为第一接触面34、第二接触面36，第一接触面34上、第二接触面36上均制作有多个凸起38，增加第一接触面34与第二接触面36的接触面积，提高感应电压。
为了进一步增大接触面积，本发明优选凸起38呈四面体。
本发明优选凸起38采用光刻技术加工而成，加工简便，且加工质量好。
本发明优选基板16为硅板。
本发明优选反应发生部分10包括内部中空的反应平台40、开设在反应平台40上端的至少一个液滴出入口，至少一个液滴出入口与反应平台40的内部相连通。具体的，反应平台40为封闭的内部中空的盒子，液滴出入口的数量为两个，分别为液滴入口42、液滴出口44。进一步优选液滴入口42、液滴出口44呈圆形。优选反应平台40采用PDMS材质制成，但并不局限于PDMS材质，也可以为PET材质。
液滴在电场力的作用下，会产生介电湿润效应，其可以用Young—Lippmann方程(1)表示：
Figure BDA0002520702610000061
式中，θ0为0电压时液滴与固体表面之间的接触角，θ(V)表示电压为V时液滴与固体表面的接触角，ε0是真空中的介电常数，εd是相对介电常数，γld是气液表面张力，t为介电层厚度，V为施加的电压。
图4为介电湿润驱动原理图，当液滴下方的电极接通直流电后，对应的接触角随之变化，液滴形状也发生变形。液滴初始状态如图4(a)所示，当右侧电极通电、左侧电极未通电时，液滴状态如图4(b)所示，液滴左侧接触角仍为θ0，液滴轮廓的曲率半径为ρ0，而液滴右侧接触角为θ(V)，液滴轮廓的曲率半径为ρ(V)，根据压力差与曲率半径的关系(2)，可以计算液滴内部的Laplace压力差，即为驱动液滴的力。
Figure BDA0002520702610000062
当液滴下方的电极接通交流电后，对应的接触角会随着交变电压而不断变化，在图4(c)中所示的两种状态中不断变化，同时，液滴内部也会形成流体流动，可以加速溶剂的融合和反应。
摩擦纳米发电机的发电原理如图5所示，当两个束缚电子能力不同的摩擦材料接触时，束缚电子能力强的材料上会带负电，束缚电子能力弱的材料带正电，当反复接触时，一个摩擦材料先达到饱和，另一个材料仍然在得/失电子，此时，与之相连接的电极就会产生电子的转移。然后，两电极之间形成电势差。
以下介绍本发明的一种生化液滴反应方法，使用上述装置，包括以下步骤：
(1)将第一载体液滴46滴入反应平台40；
(2)将发电部分12移至第一载体液滴46下方，来回按压第一摩擦材料20和第二摩擦材料22，使驱动电极14带电；
(3)移动发电部分12，第一载体液滴46随着驱动电极14运动；
(4)将第一待反应液滴48滴入反应平台40，使第一载体液滴46与第一待反应液滴48相结合，第一载体液滴46包裹第一待反应液滴48；
(5)重复步骤(1)～(4)，使第二载体液滴50包裹第二待反应液滴52；
(6)移动发电部分12，使第一载体液滴46与第二载体液滴50混合，第一待反应液滴48与第二待反应液滴52接触；
(7)闭合第一开关28和第二开关30，第一待反应液滴48与第二待反应液滴52混合和反应。
为了更进一步的说明本发明的生化液滴反应方法，作为优选方案，包括以下步骤：
(1)将第一载体液滴46通过液滴入口42滴入反应平台40内部；
(2)手指套入指套32，将发电部分12移至第一载体液滴46下方，如图6A，来回按压第一摩擦材料20和第二摩擦材料22，第一摩擦材料20和第二摩擦材料22反复接触感应生电，使第一摩擦电极18与第二摩擦电极24间产生电势差，使驱动电极14带电，产生电场；
(3)如图6B，第一载体液滴46在电场的作用下产生介电湿润效应，接触角减小，移动发电部分12，第一载体液滴46随着驱动电极14运动；
(4)将第一待反应液滴48通过液滴入口42滴入反应平台40，移动发电部分12使第一载体液滴46向第一待反应液滴48运动，使第一载体液滴46与第一待反应液滴48相结合，第一载体液滴46包裹第一待反应液滴48，如图6C，移动发电部分12，第一待反应液滴48随着第一载体液滴46移开；
(5)将第二载体液滴50通过液滴入口42滴入反应平台40内部，手指套入指套32，将发电部分12移至第二载体液滴50下方，来回按压第一摩擦材料20和第二摩擦材料22，第一摩擦材料20和第二摩擦材料22反复接触感应生电，使第一摩擦电极18与第二摩擦电极24间产生电势差，使驱动电极14带电，产生电场，第二载体液滴50在电场的作用下产生介电湿润效应，接触角减小，移动发电部分12，第二载体液滴50随着驱动电极14运动，将第二待反应液滴52通过液滴入口42滴入反应平台40，移动发电部分12使第二载体液滴50向第二待反应液滴52运动，使第二载体液滴50与第二待反应液滴52相结合，第二载体液滴50包裹第二待反应液滴52；
(6)如图6D，移动发电部分12，使第一载体液滴46向第二载体液滴50运动，使第一载体液滴46与第二载体液滴50混合，第一待反应液滴48与第二待反应液滴52接触，如图6E，图中只示出了第一载体液滴46，第二载体液滴50由于与第一载体液滴46混合在一起了未示出；
(7)闭合第一开关28和第二开关30，使驱动电极14上产生交变电场，如图5，第一载体液滴46和第二载体液滴50在交变电场的作用下震荡，如图4(c)，加速第一待反应液滴48与第二待反应液滴52混合和反应；
(8)按照生化反应需要，重复步骤(1)～(7)，将所有待反应物滴入反应平台40并发生反应；
(9)将两个发电部分12分别放在第一载体液滴46的两边，来回按压第一摩擦材料20和第二摩擦材料22，并同时将两个发电部分12向两边缓慢移动做背离运动，将反应生成物分成相同的两份，完成反应生成物的分离操作；
(10)移动发电部分12，将第一载体液滴46和反应生成物移动至液滴出口44处，使用移液管将反应生成物从第一载体液滴46中吸出，反应结束。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置，其特征在于，包括反应发生部分与发电部分，所述发电部分包括摩擦发电组件与整流电路，所述摩擦发电组件包括从上往下依次设置的驱动电极、基板、第一摩擦电极、第一摩擦材料、第二摩擦材料和第二摩擦电极，所述第一摩擦材料与第二摩擦材料之间具有间隙，所述第一摩擦电极与第一摩擦材料相连接，所述第二摩擦电极与第二摩擦材料相连接，所述驱动电极、第一摩擦电极、第二摩擦电极均与所述整流电路相连接。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置，其特征在于，所述整流电路为桥式整流电路，所述桥式整流电路的第一输入端、第二输入端分别与第一摩擦电极、第二摩擦电极相连接，所述桥式整流电路的第一输出端、第二输出端均与所述驱动电极相连接，所述驱动电极与第一摩擦电极之间连接有第一开关，所述驱动电极与第二摩擦电极之间连接有第二开关。
3.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置，其特征在于，所述第二摩擦电极上安装有指套。
4.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置，其特征在于，所述第一摩擦材料与第二摩擦材料相对的接触面分别为第一接触面、第二接触面，所述第一接触面上、第二接触面上均制作有多个凸起。
5.根据权利要求4的基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置，其特征在于，所述凸起呈四面体。
6.根据权利要求4或5所述的基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置，其特征在于，所述凸起采用光刻技术加工而成。
7.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置，其特征在于，所述基板为硅板。
8.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应装置，其特征在于，所述反应发生部分包括内部中空的反应平台、开设在所述反应平台上端的至少一个液滴出入口，所述至少一个液滴出入口与所述反应平台的内部相连通。
9.一种基于摩擦纳米发电机的生化液滴反应方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将第一载体液滴滴入反应平台；
(2)将发电部分移至第一载体液滴下方，来回按压第一摩擦材料和第二摩擦材料，使驱动电极带电；
(3)移动发电部分，第一载体液滴随着驱动电极运动；
(4)将第一待反应液滴滴入反应平台，使第一载体液滴与第一待反应液滴相结合，第一载体液滴包裹第一待反应液滴；
(5)重复步骤(1)～(4)，使第二载体液滴包裹第二待反应液滴；
(6)移动发电部分，使第一载体液滴与第二载体液滴混合，第一待反应液滴与第二待反应液滴接触；
(7)闭合第一开关和第二开关，第一待反应液滴与第二待反应液滴混合和反应。
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