CN209451370U - 一种偏场加热的交流电热微混合装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种偏场加热的交流电热微混合装置，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等部件，芯片设置在玻璃基片上，液体入口Ⅰ、液体入口Ⅱ和液体入口Ⅲ与液体通道Ⅰ的一端相连通，液体通道Ⅰ的另一端与液体入口Ⅳ、液体入口Ⅴ交汇后与液体通道Ⅱ的一端连通，液体通道Ⅱ的另一端分别连接液体出口Ⅰ、液体出口Ⅱ、液体出口Ⅲ，所述液体通道Ⅰ和液体通道Ⅱ外壁面两侧设有对称横向放置的电极块，所述的液体通道Ⅰ和液体通道Ⅱ下部芯片内设有一块以上水平放置的长方体形加热板。本实用新型可以使两相液体充分混合，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，有效的提高了微芯片的萃取效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种偏场加热的交流电热微混合的集成装置，属于微流控技术领域。
背景技术
微流控芯片是由微通道形成网络，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，可控流体贯穿整个系统，将生物、化学等实验室的，基本功能微缩到一块几平方厘米的芯片上，可以实现多种生物、化学分析过程。微反应器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。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，其在微流控芯片技术中已有广泛的应用，如微流体输送，DNA 排序，细胞分离等。
现有技术中水相溶液和萃取试剂两相连续流过液体通道，通过两相之间的扩散传质作用进行常规萃取，该萃取的萃取效率低、反应速度慢。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种偏场加热的交流电热微混合的集成装置，用于解决现有的多相液体萃取效率低、反应速度慢的问题。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。本实用新型集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：一种偏场加热的交流电热微混合装置，包括玻璃基片1、液体入口Ⅰ2、液体入口Ⅱ3、液体入口Ⅲ4、电极板5、芯片6、液体入口Ⅳ7、液体通道Ⅱ8、液体出口Ⅰ9、液体出口Ⅱ10、液体出口Ⅲ11、液体入口Ⅴ12、液体通道Ⅰ13、长方体形加热板14；
所述芯片6设置在玻璃基片1上，芯片6上设有液体入口Ⅰ2、液体入口Ⅱ3、液体入口Ⅲ4、液体入口Ⅳ7、液体入口Ⅴ12、液体通道Ⅰ13、液体通道Ⅱ8、液体出口Ⅰ9、液体出口Ⅱ10、液体出口Ⅲ11；液体入口Ⅰ2、液体入口Ⅱ3和液体入口Ⅲ4与液体通道Ⅰ13的一端相连通，液体通道Ⅰ13的另一端与液体入口Ⅳ7、液体入口Ⅴ8交汇后与液体通道Ⅱ8的一端连通，液体通道Ⅱ8的另一端分别连接液体出口Ⅰ9、液体出口Ⅱ10、液体出口Ⅲ11，液体通道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8处于同一水平面上，液体通道Ⅰ13和液体通道Ⅱ8外壁面两侧对称设有若干组水平放置的电极板5，且相同一侧电极板5的电极相同，相对两侧电极板5的电极相反，液体通道Ⅰ13和液体通道Ⅱ8外壁面两侧对称设有若干组水平放置的电极板5，且相同一侧电极板5的电极相同，相对两侧电极板5的电极相反，液体通道Ⅰ13和液体通道Ⅱ8下端的芯片6内每一对电极板5正投影之间设有一块水平放置的长方体形加热板14。
优选地，所述长方体形加热板14宽度的顶边与液体通道Ⅰ13和液体通道Ⅱ8宽度的顶边的正投影位于同一水平线上。
优选地，所述芯片6采用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制成。
优选地，所述液体入口Ⅳ7和液体入口Ⅴ12的进液方向与液体通道Ⅰ13和液体通道Ⅱ8垂直。
优选地，所述芯片6长45mm，宽15mm，厚5mm；所述玻璃基片1长60mm，宽25mm，厚5mm。
优选地，所述长方体形加热板14长度的一侧边与液体通道Ⅰ13、液体通道Ⅱ8长度一侧边的正投影之间的距离为h4，h4= 0.03～0.07mm。
优选地，所述液体入口Ⅰ2、液体入口Ⅱ3、液体入口Ⅲ4、液体入口Ⅳ7、液体入口Ⅴ12、液体出口Ⅰ9、液体出口Ⅱ10、液体出口Ⅲ11的直径均为1mm，液体通道Ⅰ13和液体通道Ⅱ8宽d2为0.5mm，高h3为0.35mm，长方体形加热板14的宽d3为0.2mm，长为0.6mm，高度h1为0.1mm，每块电极板5长L1为0.6mm，宽度d1为0.15mm，高度h2为0.2mm。
本实用新型的有益效果是：
（1）偏场加热的交流电热微混合装置主要是通过施加电压来驱动流体，本实用新型应用交流电渗驱动，其电压低、速度快，电渗速度正比于交流电压平方值。通常很低的电压即可获得与直流电渗类似的电渗速度，从而避免了电化学反应与气泡的产生和焦耳热问题的出现。而且电渗流的速度还可以同电压来控制，用电压方向的变化来控制流体运动的方向，控制微流系统中流体不同位置的流量。
（2）当交流电信号通过对称的电极施加到溶液中时，产生的交流电热流
动也是对称的。然而，当外部偏置热源介入时，溶液的温度梯度就失去了对称性，从而引起溶液向某一方向的运动，通道中的温度分布发生了改变，不再具备对称性，通道中温度最高的位置为加热片一侧的电极附近区域，正是由于通道中温度梯度分布的非对称性，促使微通道中的流体产生了显著的横向流动即垂直于溶液初始分界面的运动，两相液体的横向流动对微通道中两相接触面的拉伸与折叠起到了重要的作用。本专利就是应用了这种方式可以进行流体驱动，能大大提高两相液体之间的混合。
（3）本实用新型高效提升了两相液体萃取效率，通过传统两相萃取入口改为两水相入口先包裹有机相液体，再经过十字型管道时有机相液体包裹水相液体，实现两相液体互相包裹，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。
（4）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。
（5）本实用新型装置使用简单，主要利用电场力驱动扰流，以及电热板的加热的偏置作用，起到很强的扰流作用，因其无机械运动部件、成本低以及流体运动效率高等优点，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是液体通道内部结构的放大图；
图3为图2沿A-A线的剖视图。
图中各标号为：1-玻璃基片、2-液体入口Ⅰ、3-液体入口Ⅱ、4-液体入口Ⅲ、5-电极板、6-芯片、7-液体入口Ⅳ、8-液体通道Ⅱ、9-液体出口Ⅰ、10-液体出口Ⅱ、11-液体出口Ⅲ、12-液体入口Ⅴ、13-液体通道Ⅰ、14-长方体形加热板。
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1-3所示，一种偏场加热的交流电热微混合装置，包括玻璃基片1、液体入口Ⅰ2、液体入口Ⅱ3、液体入口Ⅲ4、电极板5、芯片6、液体入口Ⅳ7、液体通道Ⅱ8、液体出口Ⅰ9、液体出口Ⅱ10、液体出口Ⅲ11、液体入口Ⅴ12、液体通道Ⅰ13、长方体形加热板14；
所述芯片6设置在玻璃基片1上，芯片6上设有液体入口Ⅰ2、液体入口Ⅱ3、液体入口Ⅲ4、液体入口Ⅳ7、液体入口Ⅴ12、液体通道Ⅰ13、液体通道Ⅱ8、液体出口Ⅰ9、液体出口Ⅱ10、液体出口Ⅲ11；液体入口Ⅰ2、液体入口Ⅱ3和液体入口Ⅲ4与液体通道Ⅰ13的一端相连通，液体通道Ⅰ13的另一端与液体入口Ⅳ7、液体入口Ⅴ8交汇后与液体通道Ⅱ8的一端连通，液体通道Ⅱ8的另一端分别连接液体出口Ⅰ9、液体出口Ⅱ10、液体出口Ⅲ11，液体通道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8处于同一水平面上，液体通道Ⅰ13和液体通道Ⅱ8外壁面两侧对称设有若干组水平放置的电极板5，且相同一侧电极板5的电极相同，相对两侧电极板5的电极相反，液体通道Ⅰ13和液体通道Ⅱ8下端的芯片6内每一对电极板5正投影之间设有一块水平放置的长方体形加热板14（如图3所示）。
进一步地，所述长方体形加热板14宽度的顶边与液体通道Ⅰ13和液体通道Ⅱ8宽度的顶边的正投影位于同一水平线上（如图3所示）。
进一步地，所述芯片6采用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制成。由于整个芯片6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Ⅳ7和液体入口Ⅴ12的进液方向与液体通道Ⅰ13和液体通道Ⅱ8垂直。
进一步地，所述芯片6长45mm，宽15mm，厚5mm；所述玻璃基片1长60mm，宽25mm，厚5mm。
进一步地，所述长方体形加热板14长度的一侧边与液体通道Ⅰ13、液体通道Ⅱ8长度一侧边的正投影之间的距离为h4，h4= 0.03～0.07mm（如图3所示）。
进一步地，所述液体入口Ⅰ2、液体入口Ⅱ3、液体入口Ⅲ4、液体入口Ⅳ7、液体入口Ⅴ12、液体出口Ⅰ9、液体出口Ⅱ10、液体出口Ⅲ11的直径均为1mm，液体通道Ⅰ13和液体通道Ⅱ8宽d2为0.5mm，高h3为0.35mm，长方体形加热板14的宽d3为0.2mm，长为0.6mm，高度h1为0.1mm，每块电极板5长L1为0.6mm，宽度d1为0.15mm，高度h2为0.2mm。
本实用新型的工作原理是：先给液体入口Ⅰ2、液体入口Ⅲ4中注入水相液体，待水相充满液体管道Ⅰ13和液体通道Ⅱ8并从液体出口Ⅰ9、液体出口Ⅱ10、液体出口Ⅲ11流出后，再同时从液体入口Ⅰ2、液体入口Ⅲ4注入水相液体，从液体入口Ⅱ3注入有机相液体，有机相和水相两相液体共同进入液体管道Ⅰ13内，实现水相和油相之间的萃取，液体通道Ⅰ13外设有一块以上的电极板5，且液体通道Ⅰ13下部的芯片6内还设有与电极板5相对应的长方体形加热板14，经过电极板5和加热板14对两相液体的扰流，使两相液体进行混合萃取，提高萃取效果，当两相液体流入液体管道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8、液体入口Ⅳ7、液体入口Ⅴ12形成的十字型通道后，液体入口Ⅳ7、液体入口Ⅴ12均通入有机相液体至液体通道Ⅱ8内，进行多级萃取，实现有机相包裹水相液体进行液液萃取，液体流入液体通道Ⅱ8中，液体通道Ⅱ8外侧设有电极板5、下部的芯片6内设有加热板14，再次进行扰流，待萃取结束后液体从液体出口Ⅰ9、液体出口Ⅱ10、液体出口Ⅲ11中流出。
本实用新型中液体管道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8外两侧设有对称的电极板5，电极板5在液体管道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8固体壁面(电介质)外侧施加一个垂直电场，由于电介质不导电，因此垂直电极并不是直接作用在微通道溶液上，外侧的垂直电场通过极化作用可以改变壁面内侧的电位势，在液体管道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8内液体每流经一对电极板5时对应着液体通道下方芯片6内设有一块长方体形加热板14，由于长方体形加热板14并非设置在在液体管道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8下方的中间位置，而是偏向液体通道一边，且与其通道边缘对齐的，致使交流电热流动不再具备对称性，产生了较强的横向流动，在液体流过长方体形加热板14后一小段距离内产生了涡流和扰动，使得稳定的层流发生了较大的扰动，扰动使得水相和有机相中目标分子从高浓度到低浓度的扩散过程加快。从而促进两相液体接触面被拉伸、折叠，增大了接触面积，促进了两种溶液的混合，显著地提高了液液萃取的萃取效率。
本实用新型芯片6采用PDMS聚二甲基硅氧烷材料，与两相液体接触时，固体表面发生水解被极化，形成硅烷醇表面基团，这些基团可能带正电，负电或中性，与两相液体的PH值有关，壁面电荷吸引溶液中的异性离子，排斥同性离子。施加电场作用下，液体管道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8内液体流向发生了扭曲，在电极板5附近液体区域产生了一个局部漩涡，且同时偏场热通量作用于液体管道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8时，液体管道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8的温度分布发生了改变，不再具备对称性，由于通道中温度梯度分布的非对称性，促使液体管道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8中的流体产生了显著的横向流动即垂直于溶液初始分界面的运动。交流电热体积力造成的流体横向流动对液体管道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8中溶液接触面的拉伸与折叠，使得流动呈现紊乱性，从而可以改变层流内部初始分布、增强了相界面处的目标分子的传递过程，使它们之间互相包裹，有效地提高了液体管道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8的混合，从而显著地提高了液液萃取的萃取效率。
本实用新型中液体管道Ⅰ13与液体通道Ⅱ8、液体入口Ⅳ7、液体入口Ⅴ12形成的十字型通道中实现多级萃取互相包裹，在三个通道合并后，起到很强的扰流作用，液体流经液体通道Ⅱ8，使它们之间互相包裹，大大提高了两相液体之间的反应效率，最后采取液体出口Ⅰ9、液体出口Ⅱ10、液体出口Ⅲ11三个分支出口来收集混合液体。
本实用新型采用PDMS材料制作芯片6，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以及外设电场，可以使两相液体充分混合，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，可靠性高，模型简化，容易理解，操作简单方便。
而本实用新型中偏场加热的交流电热微混合装置的突出优势在于通过设计出在液体入口、液体的出口，液体管道两侧电极板15及与电极板15相对应下方的长方体形加热板14，可以极大的提高液液萃取效率和缩短萃取时间。
上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型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 (7)
1.一种偏场加热的交流电热微混合装置，其特征在于：包括玻璃基片（1）、液体入口Ⅰ（2）、液体入口Ⅱ（3）、液体入口Ⅲ（4）、电极板（5）、芯片（6）、液体入口Ⅳ（7）、液体通道Ⅱ（8）、液体出口Ⅰ（9）、液体出口Ⅱ（10）、液体出口Ⅲ（11）、液体入口Ⅴ（12）、液体通道Ⅰ（13）、长方体形加热板（14）；
所述芯片（6）设置在玻璃基片（1）上，芯片（6）上设有液体入口Ⅰ（2）、液体入口Ⅱ（3）、液体入口Ⅲ（4）、液体入口Ⅳ（7）、液体入口Ⅴ（12）、液体通道Ⅰ（13）、液体通道Ⅱ（8）、液体出口Ⅰ（9）、液体出口Ⅱ（10）、液体出口Ⅲ（11）；液体入口Ⅰ（2）、液体入口Ⅱ（3）和液体入口Ⅲ（4）与液体通道Ⅰ（13）的一端相连通，液体通道Ⅰ（13）的另一端与液体入口Ⅳ（7）、液体入口Ⅴ（12）交汇后与液体通道Ⅱ（8）的一端连通，液体通道Ⅱ（8）的另一端分别连接液体出口Ⅰ（9）、液体出口Ⅱ（10）、液体出口Ⅲ（11），液体通道Ⅰ（13）与液体通道Ⅱ（8）处于同一水平面上，液体通道Ⅰ（13）和液体通道Ⅱ（8）外壁面两侧对称设有若干组水平放置的电极板（5），且相同一侧电极板（5）的电极相同，相对两侧电极板（5）的电极相反，液体通道Ⅰ（13）和液体通道Ⅱ（8）下端的芯片（6）内每一对电极板（5）正投影之间设有一块水平放置的长方体形加热板（14）。
2.根据权利要求1所述的一种偏场加热的交流电热微混合装置，其特征在于：所述长方体形加热板（14）宽度的顶边与液体通道Ⅰ（13）和液体通道Ⅱ（8）宽度的顶边的正投影位于同一水平线上。
3.根据权利要求1所述的一种偏场加热的交流电热微混合装置，其特征在于：所述芯片（6）采用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种偏场加热的交流电热微混合装置，其特征在于：所述液体入口Ⅳ（7）和液体入口Ⅴ（12）的进液方向与液体通道Ⅰ（13）和液体通道Ⅱ（8）垂直。
5.根据权利要求1所述的一种偏场加热的交流电热微混合装置，其特征在于：所述芯片（6）长45mm，宽15mm，厚5mm；所述玻璃基片（1）长60mm，宽25mm，厚5mm。
6.根据权利要求1所述的一种偏场加热的交流电热微混合装置，其特征在于：所述长方体形加热板（14）长度的一侧边与液体通道Ⅰ（13）、液体通道Ⅱ（8）长度一侧边的正投影之间的距离为h4，h4= 0.03～0.07mm。
7.根据权利要求1所述的一种偏场加热的交流电热微混合装置，其特征在于：所述液体入口Ⅰ（2）、液体入口Ⅱ（3）、液体入口Ⅲ（4）、液体入口Ⅳ（7）、液体入口Ⅴ（12）、液体出口Ⅰ（9）、液体出口Ⅱ（10）、液体出口Ⅲ（11）的直径均为1mm，液体通道Ⅰ（13）和液体通道Ⅱ（8）宽d2为0.5mm，高h3为0.35mm，长方体形加热板（14）的宽d3为0.2mm，长为0.6mm，高度h1为0.1mm，每块电极板（5）长L1为0.6mm，宽度d1为0.15mm，高度h2为0.2mm。
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| CN115869651A (zh) * | 2023-02-13 | 2023-03-31 | 西北农林科技大学 | 一种基于射频波的固液提取系统 |
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