CN115569677A - 一种基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双重泵效应的正渗透与电渗(FO)流集成芯片，该装置通过利用定向毛细管压力差造成的两次泵效应将FO技术与电渗流技术集成到一张芯片中，渗透膜夹在上、下两层基片中间，膜是上、下微通道唯一的联通媒介，而纳米级通道则是上层芯片微通道的唯一联通媒介。通过调节微通道尺寸，利用亲水材料微通道毛细管压力差，能产生垂直于膜片与平行于纳米通道的双重泵效应，泵效应将FO过程和电渗流过程有机结合。本发明操作安全、简单，芯片可拆卸，无额外能耗，可以同时弥补传统FO技术和传统电渗流技术的缺陷，大大提升离子浓缩的效率。
Description
技术领域
本发明涉及水处理检测技术领域，尤其涉及一种基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片。
背景技术
微流控芯片，又称芯片实验室或微流控芯片实验室，指的是将在传统分析实验室中需要分步完成的样品制备、富集、分离、收集、检测、反应等功能集成到一个几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规生物或化学实验室的各种功能的一种技术。
电渗流是一种基于离子浓差极化(ICP)原理的电动分子浓度效应(EMC)。作为最引人注目的纳米电动现象之一，能够实现超过百万倍的分子预浓缩，并已广泛用于逆流聚焦(CFF)(浓缩富集和分离)、海水淡化和电泳。然而，高电压会产生大量热，这会导致分子破坏和其他潜在危险，但如若配备冷却装置会大大增加系统的成本和复杂性，因此无法大规模推广；而低电压则无法实现高倍率的分子预浓缩。由此引发了思考，若在电渗流过程之前能够将样品进行预浓缩，则EMC过程将会增加带电分子的捕捉效率，大大提高预浓缩的效率，主要体现在短历时，高浓缩倍率。基于上述思考，决定将渗透技术与电渗流技术进行耦合。
渗透(FO)是近年来发展起来的一种以汲取液渗透压为推动力的新型膜分离技术。FO过程是一种以选择性分离膜两侧的渗透压差为驱动力，溶液中的水分子等溶剂能从高水化学势区(原料液侧)通过选择性分离膜向低水化学势区(汲取液侧)传递，而溶质分子或离子却被阻挡的一种膜分离过程。渗透技术具有能耗低、截留效果强、高水通量、膜污染小、结构稳定、对温度和PH适应范围大等优势，但由于浓差极化现象的存在大大延长了渗透过程的耗时，同时降低了浓缩效率。浓差极化是指分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，溶质(离子或不同分子量溶质)被截留，在膜与本体溶液界面或临近膜界面区域浓度越来越高；在浓度梯度作用下，溶质又会由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂透过通量下降。
已知流体在微观尺度下有明显区别于宏观尺度的特性，例如毛细管作用，当含有细微缝隙的物体与液体接触时，在浸润情况下液体沿缝隙上升或渗入，在不浸润情况下液体沿缝隙下降的现象。在浸润情况下，缝隙越细，液体上升越高。此处就是指液体在细管状物体的内侧因为内聚力以及附着力的差异，克服摩擦力沿管壁移动。当膜作为上下通道联通的唯一媒介时，若上、下层通道存在尺寸差异，则会产生一个定向的跨膜压差，从而对膜的分离过程产生一定的影响。考虑通过恰当的通道尺寸设计，控制毛细管力的合力的方向，进而产生定向的压力，以此合力来取代汲取液产生的汲取势，即可以节省汲取液的消耗，又克服了离子浓差极化效应带来的通量降低，一举两得。
目前尚未有在微流控芯片中将FO技术与电渗流技术进行整合的报道。
发明内容
本发明的目的在于以微通道中毛细管力克服现有渗透技术的不足，进而以渗透技术克服电渗流技术的缺陷，提供一种基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片。
本发明的技术方案概述如下：
一种基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片，包括上基片和下基片，上基片的近下表面处设置有第一上微通道和第二上微通道，第一上微通道的两端分别与第一进样管和第一出样管连接，第一进样管和第一出样管贯穿位于第一上微通道以上的上基片设置；第二上微通道的两端分别与第二进样管和第二出样管连接，第二进样管和第二出样管贯穿位于第二上微通道以上的上基片设置；第一上微通道的长度长于第二上微通道，第一上微通道和第二上微通道间仅通过并排设置于上基片中的纳米级通道连接，第一上微通道上与纳米级通道连接的两侧分别设有电极VL和电极VR；在上基片底部的前中部设置有与第一上微通道相通的圆形向上凹道；
在下基片的近上表面处设置有下微通道，下微通道的两端分别与进液管和出液管连接；进液管和出液管分别贯穿位于下微通道以上的下基片并贯穿上基片设置；在下基片的下微通道的中部设置有与下微通道相通的圆形向下凹道；圆形渗透膜设置在上基片的圆形向上凹道和下基片的所述圆形向下凹道之间，圆形向上凹道和圆形向下凹道的直径相同；圆形渗透膜的直径大于圆形向上凹道的直径；
第一上微通道、第二上微通道、从进液管到圆形渗透膜间的下微通道、从圆形渗透膜到出液管间的下微通道的截面均为矩形；第一上微通道的截面积大于第二上微通道的截面积，从圆形渗透膜到第一出样管间的第一上微通道的截面积大于从圆形渗透膜到出液管间的下微通道的截面积。
优选的，第一上微通道、第二上微通道、从进液管到圆形渗透膜间的下微通道、从圆形渗透膜到出液管间的下微通道的截面均为正方形。
优选的，第一上微通道的截面积与从进液管到圆形渗透膜间的下微通道的截面积相等。有利于减小进下微通道的阻力，使其在到达圆形渗透膜片时压力与第一上微通道一致。
优选的，第一上微通道的截面积为500μm×500μm，第二上微通道的截面积为50μm×50μm～499μm×499μm；从进液管到圆形渗透膜间的下微通道的截面积为500μm×500μm，从圆形渗透膜到出液管间的下微通道的截面积为50μm×50μm～499μm×499μm，纳米级通道的截面积为300nm×300nm。
优选的，第一上微通道的截面积为500μm×500μm，第二上微通道的截面积为50μm×50μm；从进液管到圆形渗透膜间的下微通道的截面积为500μm×500μm，从圆形渗透膜到出液管间的下微通道的截面积为50μm×50μm。
优选的，电极VL和电极VR数值为一大一小产生电势差。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用亲水材料上、下微通道的毛细管作用，设计不同通道数量、尺寸的上、下层芯片，通道尺寸越小毛细管作用越明显，最终使芯片产生垂直于渗透膜的沿重力方向的额外跨膜压差(刨除汲取液的消耗)，以及平行于纳米通道的额外压力差(促进带电离子的定向迁移)，实现微通道提供驱动力的效果。
(2)本发明减少了渗透(FO)过程中汲取液的投入，仅依靠泵效应即可实现样品中水分子的定向分离。同时在上层芯片(上基片)末端嵌入电渗流模块，通过FO过程的预浓缩效应，使得单位时间内通过纳米通道的分子数大大增加，进而提高了纳米级通道对分子的捕捉效率，最终实现二次浓缩。
(3)本发明通过微观系统中渗透过程和电渗流过程的整合，电渗流过程弥补了FO过程浓缩倍率低，浓缩时间长的缺陷，FO过程反过来弥补了低压电渗流在稀溶液中离子捕捉效率低的问题，实现了预浓缩的效果，从而保证了电渗流过程的低压高效运行；既实现了渗透过程的无汲取液自发驱动，又提升了电渗流过程的离子捕捉效率，最终实现1+1>2的效果；此外本设计还可以降低操作电压，实现低压高效浓缩。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理，其中：
图1为本发明一种基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片的结构示意图；
图2为图1的剖面图；
图3为图1的俯视图。
附图标记：1、第一进样管；2、进液管；3、第二进样管；4、第一出样管；5、出液管；6、第二出样管；7、圆形向上凹道；8、纳米级通道；9、电极VL；10、电极VR；11、电极(接地)；12、第一上微通道；13、第二上微通道；14、下微通道；15、圆形向下凹道；16、上基片；17、下基片；18、圆形渗透膜。
具体实施方式
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
本发明提供了一种基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片(见图1～3)，包括上、下两层基片，在上基片16的近下表面处设置有两条上微通道，其中，第一上微通道12的两端分别与第一进样管1和第一出样管4连接，第二上微通道13的两端分别与第二进样管3和第二出样管6连接；两条上微通道的唯一连接部分是上基片16中多条并排设置的的纳米级通道8，第一上微通道上与纳米级通道连接的两侧分别设有电极9(VL)和电极10(VR)；第一进样管1和第一出样管4分别贯穿位于第一上微通道12以上的上基片16设置，第二进样管3和第二出样管6分别贯穿位于第二上微通道13以上的上基片16设置；在上基片16底部的前中部设置有与第一上微通道12相通的圆形向上凹道7，第二上微通道13上设有电极(接地)11；
在下基片17的近上表面处设置有下微通道14，下微通道14的两端分别与进液管2和出液管5连接；进液管2和出液管5分别贯穿位于下微通道14以上的下基片17并贯穿上基片16设置；在下基片17的下微通道14的中部设置有与下微通道14相通的圆形向下凹道15；圆形渗透膜18设置在上基片16的圆形向上凹道7和下基片17的圆形向下凹道15之间，圆形向上凹道7和圆形向下凹道15的直径相同；圆形渗透膜18的真径大于圆形向上凹道7的直径；
两个上微通道的截面为矩形，以圆形渗透膜18为界限，下微通道14的前半段(从进液管2到圆形渗透膜18之间)和后半段(从圆形渗透膜18到出液管5之间)的截面也为矩形，第一上微通道12后半段(从圆形渗透膜18到第一出样管4之间)截面积大于下微通道14后半段(从圆形渗透膜18到出液管5之间)截面积。
优选地，第一上微通道12的截面积和下微通道14前半段(从进液管2到圆形渗透膜18之间)的截面积可以保持一致，有利于减小进下微通道14的阻力，使其在到达圆形渗透膜片时压力与第一上微通道一致；两个上微通道的截面为正方形，第一上微通道12的截面积为500μm×500μm，第二上微通道13的截面积为50μm×50μm；下微通道14的前半段和后半段的截面也为正方形，前半段(从进液管2到圆形渗透膜18之间)截面积为500μm×500μm，后半段(从圆形渗透膜18到出液管5之间)截面积为50μm×50μm。纳米级通道8的截面积为300nm×300nm。
上基片16、下基片17、第一进样管1、第二进样管4、第一出样管3、第二出样管6、进液管2、出液管4均选用亲水材质。
渗透膜的尺寸优选直径为1cm的圆。
圆形向上、向下凹道的高选500μm，与上、下微通道截面的边长相等。
上、下微通道的截面还可以选为其他形状，但要保证第一上微通道12的后半段(从圆形渗透膜18到第一出样管4之间)截面积大于下微通道14的后半段(从圆形渗透膜18到出液管5之间)截面积。
第二上微通道13的截面积还可以为50μm×50μm～499μm×499μm，下微通道14的后半段截面尺寸也还可以为50μm×50μm～499μm×499μm之间，均小于第一上微通道12的截面尺寸，以产生大于第一上微通道12的毛细管力，进而对圆形渗透膜18产生一个从上到下的抽吸力，实现样品的快速浓缩。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (6)
1.一种基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片，包括上基片和下基片，其特征在于，所述上基片的近下表面处设置有第一上微通道和第二上微通道，所述第一上微通道的两端分别与第一进样管和第一出样管连接，所述第一进样管和所述第一出样管贯穿位于所述第一上微通道以上的所述上基片设置；所述第二上微通道的两端分别与第二进样管和第二出样管连接，所述第二进样管和所述第二出样管贯穿位于所述第二上微通道以上的所述上基片设置；所述第一上微通道的长度长于所述第二上微通道，所述第一上微通道和所述第二上微通道间仅通过并排设置于所述上基片中的纳米级通道连接，所述第一上微通道上与所述纳米级通道连接的两侧分别设有电极VL和电极VR；在所述上基片底部的前中部设置有与所述第一上微通道相通的圆形向上凹道；
在所述下基片的近上表面处设置有下微通道，所述下微通道的两端分别与进液管和出液管连接；所述进液管和所述出液管分别贯穿位于所述下微通道以上的所述下基片并贯穿所述上基片设置；在所述下基片的所述下微通道的中部设置有与所述下微通道相通的圆形向下凹道；圆形渗透膜设置在所述上基片的所述圆形向上凹道和所述下基片的所述圆形向下凹道之间，所述圆形向上凹道和所述圆形向下凹道的直径相同；所述圆形渗透膜的直径大于所述圆形向上凹道的直径；
所述第一上微通道、所述第二上微通道、从所述进液管到所述圆形渗透膜间的所述下微通道、从所述圆形渗透膜到所述出液管间的所述下微通道的截面均为矩形；所述第一上微通道的截面积大于所述第二上微通道的截面积，从所述圆形渗透膜到所述第一出样管间的所述第一上微通道的截面积大于从所述圆形渗透膜到所述出液管间的所述下微通道的截面积。
2.根据权利要求1所述的基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片，其特征在于，所述第一上微通道、所述第二上微通道、从所述进液管到所述圆形渗透膜间的所述下微通道、从所述圆形渗透膜到所述出液管间的所述下微通道的截面均为正方形。
3.根据权利要求2所述的基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片，其特征在于，所述第一上微通道的截面积与从所述进液管到所述圆形渗透膜间的所述下微通道的截面积相等。
4.根据权利要求3所述的基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片，其特征在于，所述第一上微通道的截面积为500μm×500μm，所述第二上微通道的截面积为50μm×50μm～499μm×499μm；从所述进液管到所述圆形渗透膜间的所述下微通道的截面积为500μm×500μm，从所述圆形渗透膜到所述出液管间的所述下微通道的截面积为50μm×50μm～499μm×499μm，所述纳米级通道的截面积为300nm×300nm。
5.根据权利要求4所述的基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片，其特征在于，所述第一上微通道的截面积为500μm×500μm，所述第二上微通道的截面积为50μm×50μm；从所述进液管到所述圆形渗透膜间的所述下微通道的截面积为500μm×500μm，从所述圆形渗透膜到所述出液管间的所述下微通道的截面积为50μm×50μm。
6.根据权利要求1所述的基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片，其特征在于，所述电极VL和所述电极VR数值为一大一小产生电势差。
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2022
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