CN209451369U - 一种微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，属于微流控技术领域。包括玻璃基片，芯片，液体入口Ⅰ、液体入口Ⅱ，液体入口Ⅲ、液体入口Ⅳ、液体入口Ⅴ、液体入口Ⅵ、液体通道Ⅰ、液体通道Ⅱ、液体出口，本实用新型采用PDMS材料制作微通道结构，能够在一定的变形条件下恢复到原来的状态而结构没有发生永久性破坏。本实用新型集液滴生成、液滴收集于一体，通过对两相液体的管道设置，可以使两相充分混合，从而提高了液液萃取效率可控地实现液滴运动、内部混合和反应，同时增加了萃取界面的比表面积，有效的提供了微芯片的萃取效率，极大的提高液液萃取效率和缩短萃取时间，本实用新型解决了现有的多相液体萃取效率低、反应速度慢的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，属于微流控技术领域。
背景技术
微反应器将反应空间受限在尺寸范围为数十到数百微米的通道内部。该尺度下反应体系具有高的比表面积和高的传质性能，不仅可以通过精确的过程控制大幅度地缩短反应时间和降低样品消耗，更重要的是以微反应器为基本单元直接进行数量的增加便可实现模块的集成，进而实现高通量的产品可控制备，从而避免了传统反应器直接几何放大导致的难于预期的非理想行为。不同于传统反应器，高效混合的微结构辅助集成装置的突出优势在于通过设计出在液体入口、液滴形成管道及液滴拉伸管道，可以极大的提高液液萃取效率和缩短萃取时间。
微流体器件广泛用于集成电子、精密仪器、医疗设备和生物制药等领域，微流体器件适合各种流量控制系统的开发，其控制技术包括光、电、气、磁、热、气相变化等。本实用新型不同于传统反应器，在传统反应器中反应装置简单，通过水相溶液和萃取试剂两相连续流过液体通道，仅通过两相之间的扩散传质作用进行常规萃取，萃取的效率低、反应速度慢。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，本实用新型采用PDMS材料制作微通道结构，能够在一定的变形条件下恢复到原来的状态而结构没有发生永久性破坏。采用PDMS材料制作微通道结构，能够在一定的变形条件下恢复到原来的状态而结构没有发生永久性破坏。本实用新型对于层流萃取及液滴生成反应有重要的应用价值，从而可高效的提高液液萃取效率。
本实用新型采用的技术方案是：一种微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，包括玻璃基片1，芯片2，芯片2设置在玻璃基片1上，芯片2上设有液体入口Ⅰ3、液体入口Ⅱ4，液体入口Ⅲ5、液体入口Ⅳ6、液体入口Ⅴ7、液体通道Ⅱ8、液体出口9，液体入口Ⅵ10、液体通道Ⅰ11；
所述液体入口Ⅰ3、液体入口Ⅱ4、液体入口Ⅲ5、液体入口Ⅳ6均与液体通道Ⅰ11入口端相接通，液体通道Ⅰ11的出口端与液体入口Ⅴ7、液体入口Ⅵ10交汇后与液体通道Ⅱ8的入口端连通，液体通道Ⅱ8的出口端连接液体出口9；液体通道Ⅰ11的入口端和出口端水平设置，入口端和出口端之间设有一个以上依次连接的V形微通道，且每个V形微通道内部及相邻两个V形微通道之间形成的弯曲角度为90度；液体通道Ⅱ8的入口端和出口端水平设置，入口端和出口端之间设有三级拉伸折叠微通道，且随着进液方向，拉伸折叠微通道长度逐渐增加，液体入口Ⅴ7和液体入口Ⅵ10的进液方向与液体通道Ⅰ11出口端和液体通道Ⅱ8入口端垂直。
具体地，所述三级拉伸折叠微通道包括三段向左凸起且长度逐步递增的微通道和三段向右凸起且长度逐步递增的微通道，液体通道Ⅱ8的入口端连接第一段向左凸起折叠微通道的起始端，第一段向左凸起微通道末端连接第一段相右凸起微通道的起始端，第二段先向左凸起后向右凸起的微通道末端连接第三段向左凸起的台阶状微通道的起始端，第三段向右凸起的微通道的末端连接液体通道Ⅱ8的出口端。
优选地，所述液体通道Ⅰ11和液体通道Ⅱ8内每个直角弯曲处均设有锯齿形辅助结构。
优选地，所述芯片2采用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制成。
优选地，所述液体入口Ⅰ3的进液管道水平设置，液体入口Ⅱ4、液体入口Ⅲ5、液体入口Ⅳ6三个进液管道流进液体入口Ⅰ3的进液管道内再一起流入液体通道Ⅰ11内。
优选地，所述的液体入口Ⅲ5的进液方向与液体入口Ⅰ3的进液管道垂直，所述液体入口Ⅲ5与液体入口Ⅴ7的水平距离为6mm，液体入口Ⅴ7到液体出口9的水平距离为10mm。
优选地，所述液体通道Ⅰ11和液体通道Ⅱ8的宽度均大于各自的高度。
具体地，所述芯片2长25mm，宽10mm，厚5mm，所述液体入口Ⅰ3、液体入口Ⅱ4、液体入口Ⅲ5、液体入口Ⅳ6、液体入口Ⅴ7、液体入口Ⅵ10的直径均为0.2mm，液体通道Ⅰ11和液体通道Ⅱ8的尺寸宽为0.5mm，高为0.35mm。
本实用新型的有益效果是：
（1）本实用新型高效提升了两相液体萃取效率，通过把两相液体入口改为有机相液体包裹水相液体，再被液体入口Ⅰ流出的水相液体所截，形成油水互相包裹的液滴形式，从而增加了两相液体的接触面积提高了层流液液萃取的效率，缩短了萃取时间。
（2）本实用新型液滴生成过程中，共分为两部分，第一部分中，通过控制液体入口Ⅱ、液体入口Ⅳ与液液体入口Ⅰ、液体入口Ⅲ的流量比来控制液滴生成的大小，第二部分中，在通液体入口Ⅴ7、液体入口Ⅵ10流出的有机相液体后，经过微通道的十字形管道后，可以在管道内再次形成液滴，实现有机相水相之间的互相包裹，大大的提高了它们之间的反应效率。
（3）本实用新型的液体管道Ⅰ11设有一个以上的向上弯曲和向下弯曲的微通道，且液体通道Ⅱ8的弯曲通道设计为三级拉伸折叠蜿蜒形微通道，节省材料且增加了通道长度，而且能够实现液滴的拉伸与折叠从而增加了两相接触时间，提高了萃取效率。
（4）本实用新型所述液体通道Ⅰ11和液体通道Ⅱ8中，在设计上为了保证芯片的长期使用，以及减少液体管道内部不流通的液体，在每个直角弯曲处均设有锯齿形辅助结构，来提高两相液体的萃取效率，
（5）本实用新型使用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制作芯片，材料透光性好、生物相容性佳以及良好的化学惰性，该材料韧性比较高，弹性好。
（6）本实用新型装置使用简单，成本低，是一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。
附图说明
图1是本实用新型装置的芯片整体结构示意图；
图2是液体通道Ⅰ内部结构的放大图；
图3是液体通道Ⅱ内部结构的放大图；
图4是十字型微通道液滴形成过程的局部放大图；
图5是液体通道Ⅱ内液滴拉伸折叠的局部放大图。
图中各标号：1-玻璃基片、2-芯片、3-液体入口Ⅰ、4-液体入口Ⅱ、5-液体入口Ⅲ、6-液体入口Ⅳ、7-液体入口Ⅴ、8-液体通道Ⅱ、9-液体出口，10-液体入口Ⅵ、11-液体通道Ⅰ；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。
实施例1：如图1-5所示，一种微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，包括玻璃基片1，芯片2，芯片2设置在玻璃基片1上，芯片2上设有液体入口Ⅰ3、液体入口Ⅱ4，液体入口Ⅲ5、液体入口Ⅳ6、液体入口Ⅴ7、液体通道Ⅱ8、液体出口9，液体入口Ⅵ10、液体通道Ⅰ11；
所述液体入口Ⅰ3、液体入口Ⅱ4、液体入口Ⅲ5、液体入口Ⅳ6均与液体通道Ⅰ11入口端相接通，液体通道Ⅰ11的出口端与液体入口Ⅴ7、液体入口Ⅵ10交汇后与液体通道Ⅱ8的入口端连通，液体通道Ⅱ8的出口端连接液体出口9；液体通道Ⅰ11的入口端和出口端水平设置，入口端和出口端之间设有一个以上依次连接的V形微通道，且每个V形微通道内部及相邻两个V形微通道之间形成的弯曲角度为90度；液体通道Ⅱ8的入口端和出口端水平设置，入口端和出口端之间设有三级拉伸折叠微通道，且随着进液方向，拉伸折叠微通道长度逐渐增加，液体入口Ⅴ7和液体入口Ⅵ10的进液方向与液体通道Ⅰ11出口端和液体通道Ⅱ8入口端垂直。
进一步地，如图1所示，所述三级拉伸折叠微通道包括三段向左凸起且长度逐步递增的微通道和三段向右凸起且长度逐步递增的微通道，液体通道Ⅱ8的入口端连接第一段向左凸起折叠微通道的起始端，第一段向左凸起微通道末端连接第一段相右凸起微通道的起始端，第二段先向左凸起后向右凸起的微通道末端连接第三段向左凸起的台阶状微通道的起始端，第三段向右凸起的微通道的末端连接液体通道Ⅱ8的出口端。
进一步地，所述液体通道Ⅰ11和液体通道Ⅱ8内每个直角弯曲处均设有锯齿形辅助结构。
进一步地，所述芯片2采用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制成。由于整个芯片2是由PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料构成的，材料透光性好，便于实验时观察流体的流动特性，生物相容性佳以及良好的化学惰性，该材料韧性比较高，弹性好，耐久性和耐压性比较高。该装置使用简单，成本低，是一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。
进一步地，所述液体入口Ⅰ3的进液管道水平设置，液体入口Ⅱ4、液体入口Ⅲ5、液体入口Ⅳ6三个进液管道流进液体入口Ⅰ3的进液管道内再一起流入液体通道Ⅰ11内。
进一步地，所述的液体入口Ⅲ5的进液方向与液体入口Ⅰ3的进液管道垂直，所述液体入口Ⅲ5与液体入口Ⅴ7的水平距离为6mm，液体入口Ⅴ7到液体出口9的水平距离为10mm。
进一步地，所述液体通道Ⅰ11和液体通道Ⅱ8的宽度均大于各自的高度。
进一步地，所述芯片2长25mm，宽10mm，厚5mm，所述液体入口Ⅰ3、液体入口Ⅱ4、液体入口Ⅲ5、液体入口Ⅳ6、液体入口Ⅴ7、液体入口Ⅵ10的直径均为0.2mm，液体通道Ⅰ11和液体通道Ⅱ8的尺寸宽为0.5mm，高为0.35mm。
本实用新型的工作原理是：给液体入口Ⅰ3注入水相液体，待水相充满液体管道Ⅰ11和液体通道Ⅱ8并从液体出口9流出后，再同时从液体入口Ⅰ3和液体入口Ⅲ5注入水相液体，从液体入口Ⅱ4和液体入口Ⅳ6中注入有机相液体，由于管道的设计，同时通液后，液体入口Ⅱ4和液体入口Ⅳ6流出的有机相液体包裹着液体入口Ⅲ5流出的水相液体流出后，再受到液体入口Ⅰ3流出的水相液体的垂直冲击，使得有机相包裹的水相液体形成液滴随着液体入口Ⅰ3流出的水相液体流进液体管道Ⅰ11内，当两相液体流入液体管道Ⅰ11与液体通道Ⅱ8，液体从液体入口Ⅴ7、液体入口Ⅵ10通入后形成的十字型通道后，液体入口Ⅴ7和液体入口Ⅵ10均通入有机相液体至液体通道Ⅱ8内，此时水相包裹的有机相外增加一层油相，形成有机相包裹着水相，水相包裹着有机相的层流，层流经过十字形通道8后再次形成液滴，液滴进入拉伸折叠微通道内，液滴被拉伸折叠，进行多级萃取，实现有机相包裹水相液体进行液液萃取，达到多级层流，提高萃取效果，萃取结束后由液体出口10流出。
本实用新型通过COMSOL Multiphysics有限元模拟仿真软件分析了有辅助结构的微通道中的流体的流线和矢量分布，辅助结构通过促进各液相内部的混合和两相交界面处的溶质交换来促进层流萃取效率。通过在层流萃取微芯片中增加辅助结构，可以极大地提高液液层流萃取的萃取效率。
本实用新型中使用PDMS（聚二甲基硅氧烷）材料制作辅助结构，材料透光性好、生物相容性佳以及良好的化学惰性，该材料韧性比较高，弹性好，该装置使用简单，成本低，是一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。
本装置的液体入口部分，通过控制有机相液体入口与水相液体入口的流量比，而且要保证两相液体流出的速度，尽可能让水相夹在有机相中间，通过两相液体在连续相微通道上的接触可提高两相液体层流萃取的反应效率，另外，通过液体入口Ⅰ3的垂直截流形成的液滴和十字聚焦型通道所产生的液滴具有尺寸均一和易于调控的显著优势。
本实用新型中液体管道Ⅰ11与液体通道Ⅱ8的拉伸折叠微通道的液滴拉伸与折叠部分，拐角处锯齿形辅助结构使得管道内不同形状涡流出现有效地强化了液滴内部的宏观传质过程，通过流道的设计使得液滴内流体的分布被物理拉伸、折叠或者变向，可以使混合更充分；待两相液体经过层流反应后，再经过十字聚焦形通道内剪切作用产生的涡流强度可以改变液滴初始分布，且液滴越长，其涡流和内环流的影响越弱；是弯曲通道对于液滴内分布的影响，利用内环流对液滴混合界面进行折叠和拉伸使得待混合的液层越来越薄，经过这两部分形成液滴的辅助萃取增强了相界面处的目标分子的传递过程，从而显著地提高了液液萃取的萃取效率。
上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，其特征在于：包括玻璃基片（1），芯片（2），芯片（2）设置在玻璃基片（1）上，芯片（2）上设有液体入口Ⅰ（3）、液体入口Ⅱ（4），液体入口Ⅲ（5）、液体入口Ⅳ（6）、液体入口Ⅴ（7）、液体通道Ⅱ（8）、液体出口（9），液体入口Ⅵ（10）、液体通道Ⅰ（11）；
所述液体入口Ⅰ（3）、液体入口Ⅱ（4）、液体入口Ⅲ（5）、液体入口Ⅳ（6）均与液体通道Ⅰ（11）入口端相接通，液体通道Ⅰ（11）的出口端与液体入口Ⅴ（7）、液体入口Ⅵ（10）交汇后与液体通道Ⅱ（8）的入口端连通，液体通道Ⅱ（8）的出口端连接液体出口（9）；液体通道Ⅰ（11）的入口端和出口端水平设置，入口端和出口端之间设有一个以上依次连接的V形微通道，且每个V形微通道内部及相邻两个V形微通道之间形成的弯曲角度为90度；液体通道Ⅱ（8）的入口端和出口端水平设置，液体通道Ⅱ（8）入口端和出口端之间设有三级拉伸折叠微通道，且随着进液方向，拉伸折叠微通道长度逐渐增加，液体入口Ⅴ（7）和液体入口Ⅵ（10）的进液方向与液体通道Ⅰ（11）出口端和液体通道Ⅱ（8）入口端垂直。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，其特征在于：所述三级拉伸折叠微通道包括三段向左凸起且长度逐步递增的微通道和三段向右凸起且长度逐步递增的微通道，液体通道Ⅱ（8）的入口端连接第一段向左凸起折叠微通道的起始端，第一段向左凸起微通道末端连接第一段相右凸起微通道的起始端，第二段先向左凸起后向右凸起的微通道末端连接第三段向左凸起的台阶状微通道的起始端，第三段向右凸起的微通道的末端连接液体通道Ⅱ（8）的出口端。
3.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，其特征在于：所述液体通道Ⅰ（11）和液体通道Ⅱ（8）内每个直角弯曲处均设有锯齿形辅助结构。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，其特征在于：所述芯片（2）采用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制成。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，其特征在于：所述液体入口Ⅰ（3）的进液管道水平设置，液体入口Ⅱ（4）、液体入口Ⅲ（5）、液体入口Ⅳ（6）三个进液管道流进液体入口Ⅰ（3）的进液管道内再一起流入液体通道Ⅰ（11）内。
6.根据权利要求5所述的微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，其特征在于：所述的液体入口Ⅲ（5）的进液方向与液体入口Ⅰ（3）的进液管道垂直，所述液体入口Ⅲ（5）与液体入口Ⅴ（7）的水平距离为6mm，液体入口Ⅴ（7）到液体出口（9）的水平距离为10mm。
7.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，其特征在于：所述液体通道Ⅰ（11）和液体通道Ⅱ（8）的宽度均大于各自的高度。
8.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴快速微混合萃取的装置，其特征在于：所述芯片（2）长25mm，宽10mm，厚5mm，所述液体入口Ⅰ（3）、液体入口Ⅱ（4）、液体入口Ⅲ（5）、液体入口Ⅳ（6）、液体入口Ⅴ（7）、液体入口Ⅵ（10）的直径均为0.2mm，液体通道Ⅰ（11）和液体通道Ⅱ（8）的尺寸宽为0.5mm，高为0.35mm。
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20191001 Termination date: 20201221 |
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