一种纳流级耐高压电化学微泵的制作方法

本发明涉及了一种适用于微流控芯片中流体精确驱动与控制的纳流级耐高压电化学微泵(electrochemicalmicropump)，属于微流控技术(microfluidics)领域，也属于电化学技术领域。

背景技术：

微流控是指在微米尺度(几十到几百微米)通道内操纵微量(微升甚至飞升)流体的一门科学和技术，其目标是在只有几个平方厘米甚至更小的微流控芯片上集成化学生物分析所需要的样品预处理、反应、分离和检测等基本操作单元，最终实现芯片实验室(labonachip)的目标。自从1990年manz等人提出微全分析系统概念以来，微流控技术已经在多个领域取得重要进展，包括在微流控芯片上进行药物输送和药物筛选、细胞培养、人体器官合成和蛋白质组学研究等。此外，也已经实现了多种常规实验室分析系统在微流控芯片上的集成，其中包括使用最为广泛的高分辨分离系统，如毛细管电泳和液相色谱等。

近年来，随着临床检测和现场分析需求的日益增长，对分析仪器的集成化、便携化和分析性能提出了更高的要求。在液相色谱应用中，为了实现色谱仪的小型化以及获得更高的分离效率，通常需要使用更小内径(几十到几百微米)的色谱柱和更小粒径(2～5μm)的树脂填料。因此，迫切需要一种能够产生高压力、低流量的微泵为液相色谱芯片提供驱动力。然而，传统的高压液相色谱泵通常体积大、笨重，流量一般在μl/min到ml/min之间，不适合液相色谱芯片的需求。在已报道的多种流体驱动方式中，电渗式和电化学式微泵是两种能够产生高压力、低流量的流体驱动方法，而且易于集成到微流控芯片中，因此可以应用于高压液相色谱芯片中流体的驱动与控制。电渗微泵是利用电解液在外加电场作用下的电渗现象来驱动液体，具有加工工艺简单、可连续输液、流速均匀分布、输出压力高等优点，然而，电渗微泵的驱动电压较高(通常为几百伏到几千伏)，会产生大量的焦耳热，此外，要求电解液具有恒定的ph值以及导电性，因而限制了电渗微泵的进一步应用。电化学微泵是利用电解液在外加电压或电流作用下发生电化学反应产生气体来驱动流体，具有驱动电压或电流低、能耗少、输出压力高、操作简单等优点，因此非常适合于高压液相色谱芯片的应用。

参阅图1，文献[1](j.w.munyanetal.,labonachip,2003,3(4):217-220)提出了一种基于双铂丝电极的电化学微泵，该微泵主要由pmma基底10、pdms盖板13和密封帽15构成。将直径8微米的双铂丝电极16插入到kno3溶液17中，通过在双铂丝电极16上施加一定的电压，将kno3溶液17电解生成氢气和氧气，产生的气体通过连接通道14驱动pmma微通道12中流体11运动。在施加电压为8v时(对应的电流为7.9ma)，该电化学微泵能够产生约300kpa的压力。文献[2](j.xieetal.,analyticalchemistry,2004,76(13):3756-3763)提出了一种基于电子束蒸发工艺的梳齿状pt/ti(200nm/30nm)金属电极电化学微泵，由玻璃基底金属电极层、su-8微通道结构层、pdms腔室层和玻璃盖片层构成，通过施加恒定电流，电解液发生电化学反应产生气体，驱动su-8微通道中流体运动。该电化学微泵能够产生200psi(～1.4mpa)的高压力。文献[3](h.kimetal.,sensorsandactuatorsa:physical,2018,277:73-84)提出了一种基于pcb工艺的电化学微泵，由pcb电极芯片和pmma夹具构成，该电化学微泵能够产生547kpa的压力。

上述基于不同电极制作工艺的电化学微泵各具有优缺点，双铂丝电极制作工艺非常简单，然而电极依靠手工，其制作精度和重复性难以保证；电子束蒸发工艺的金属电极制作精度高，然而其加工成本较高，电解过程中电极容易脱落，导致电极失效；pcb工艺的金属电极制作成本低，然而电解过程中电极容易被氧化腐蚀，析出沉淀，电极寿命短。在液相色谱芯片应用中，为了实现色谱仪的小型化以及获得更高的分离效率，通常需要使用更小柱径的色谱柱和更小粒径的填料。因此，迫切需要一种能够产生高压力(>1000psi)、低流量(100～1000nl/min)且工作可靠(电极寿命>24h)的微泵。现有技术中的电化学微泵均不能满足这个要求。

技术实现要素：

为克服现有微泵驱动压力低、电极寿命短、重复性差等不足，本发明提出了一种纳流级耐高压电化学微泵，通过增加电极厚度以及将金属电极密封和组装消除了电极脱落问题，将电极使用寿命从普通的几十分钟延长至几个月。此外，该电化学微泵能够产生高达84.2bar的压力和纳流级流量，非常适合于高压液相色谱芯片方面的应用。

参阅图2(a)、2(b)，本发明提出的纳流级耐高压电化学微泵，其特征在于：主要包含主结构体25，基底20，金属丝22，压力传感器27和输液管28；所述主结构体25上有贯通空腔；所述金属丝22固定于基底20上构成电化学微泵的电极；主结构体25和基底20连接并保持连接处密封，同时使电化学微泵的电极，即金属丝22位于主结构体25上贯通空腔的底部；所述压力传感器27置于主结构体25上贯通空腔的顶部并保持连接处密封；主结构体25的贯通空腔形成密封腔室，其内有电解液29；所述主结构体25上还有一流体输出孔44，所述流体输出孔44连接手紧接头二24b并通过输液管28将密封腔室内的电解液29输出。

参阅图2(c)，通过在所述电极22上施加恒定电流或电压，主结构体25内填充的电解液29发生电解反应，产生大量气泡，电解液腔室内的压力逐渐增加，从而在电解液29的两端产生压强差，驱动电解液29从密封腔室流出输液管28。

作为一种优选方式，所述主结构体25和基底20的材料为聚合物。

作为一种优选方式，所述金属丝22通过双面胶带21粘接固定在基底20上。

作为一种优选方式，所述电极与主结构体25之间采用o型密封圈一23a密封，所述压力传感器27与主结构体25之间采用o型密封圈二23b密封。

作为一种优选方式，参阅图3(a)，所述主结构体25和基底20之间的连接方式具体为：基底20包含四个螺纹孔30，主结构体25上有对应的四个通孔42，所述螺纹孔30与通孔42、螺钉26配合，提供主结构体25和基底20之间的连接。

作为一种优选方式，所述金属丝22固定于基底20的具体连接方式为：基底20上有两组阵列沟槽31；所述沟槽31用于金属丝22的准直，即通过两侧位置对称的沟槽将金属丝限制在一条直线上，通过拉力将其拉直，沟槽之间的间距作为金属丝间距，沟槽的宽度用来限制金属丝直径；参阅图3(b)，阵列沟槽31由若干单个小沟槽构成，其尺寸满足关系l1≥2*w1，w2≥w1；其中，w1是沟槽宽度，w2是沟槽间距，l1是沟槽长度。

参阅图4，作为一种优选方式，主结构体25和基底20的连接处密封具体方式为：o型密封圈一23a置于主结构体25贯通空腔底部的密封槽一40a内实现密封。作为一种优选方式，主结构体25和压力传感器27的连接处密封具体方式为：o型密封圈二23b置于主结构体25贯通空腔顶部的密封槽二40b内实现密封。

作为一种优选方式，所述主结构体25上的密封腔室还通过一个加液孔41与外界连通，用于添加电解液29，之后通过手紧接头一24a密封。

参阅图5，为使用了上述纳流级耐高压电化学微泵的一个液相色谱芯片，芯片由缓冲液入口50，样品入口51，填充柱52，柱塞53，缓冲液出口54，检测池55和样品出口56构成；其特征在于：待分离样品通过样品入口51进入到液相色谱芯片微通道中，并从样品出口56流出，即以双t型进样方式进样；本发明提出的电化学微泵提供驱动力，将缓冲液从缓冲液入口50泵入液相色谱芯片微通道，带动样品进入填充柱52进行分离，并在检测池55处对被分离组分进行检测，最后缓冲液带动被分离组分从缓冲液出口54流出。其中，柱塞53的作用是用于保留树脂填料在微通道中形成填充柱。

本发明的有益效果：本发明提出的纳流级耐高压电化学微泵能够输出1000psi以上的高压，在不同背压下可以输出nl/min～μl/min量级的流量，满足大部分液相色谱芯片需求；而且，所述电化学微泵的电极是通过金属丝密封组装方式得到，既避免了电极脱落问题又保证了电极制作精度，使电极寿命从普通的几十分钟可以延长至几个月，重复使用率大大提高；另外，可以直接利用所述电化学微泵输出的电解液作为缓冲液，也可以间接利用所输出的电解液驱动特氟龙管中预先填充的流动相作为缓冲液，因此，它具有比电渗微泵更广的溶剂适用性；所述电化学微泵的输出流量可以根据不同背压调整施加电压或电流即可，易于控制，而且功耗低(mw量级)、重量轻、体积小，可以用于微流控芯片上流体的精确驱动与控制。此外，本发明提出的电化学微泵由多对金属丝电极组成，根据实际应用中对压力以及流量的需求，可选用不同对数的金属丝电极。

附图说明

图1是现有技术中电化学微泵之一结构示意图。其中，10-pmma基底，11-流体，12-pmma微通道，13-pdms盖板，14-连接通道，15-密封帽，16-双铂丝电极，17-kno3溶液；

图2(a)是实施例中纳流级耐高压电化学微泵爆炸示意图。其中，20-基底，21-双面胶带，22-金属丝，23a-o型密封圈一，23b-o型密封圈二，24a-手紧接头一，24b-手紧接头二，25-主结构体，26-螺钉，27-压力传感器，28-输液管；

图2(b)是实施例中纳流级耐高压电化学微泵组装示意图；

图2(c)是实施例中纳流级耐高压电化学微泵截面示意图。其中，29-电解液；

图3(a)是实施例中纳流级耐高压电化学微泵电极基底示意图。其中，30-螺纹孔，31-沟槽；

图3(b)是实施例中纳流级耐高压电化学微泵电极基底沟槽示意图。其中，w1-沟槽宽度，w2-沟槽间距，l1-沟槽长度；

图4是实施例中纳流级耐高压电化学微泵主结构体示意图。其中，40a-密封槽一，40b-密封槽二，41-加液孔，42-通孔，43-电解液腔室，44-流体输出孔；

图5是实施例中液相色谱芯片结构示意图。其中，50-缓冲液入口，51-样品入口，52-填充柱，53-柱塞，54-缓冲液出口，55-检测池，56-样品出口；

图6是实施例中纳流级耐高压电化学微泵流量测试结果图；

图7是实施例中纳流级耐高压电化学微泵在不同背压条件下流量测试结果图；

图8是实施例中纳流级耐高压电化学微泵压力测试结果图；

图9是实施例中纳流级耐高压电化学微泵与液相色谱芯片联用实现蛋白质分离的色谱图。

具体实施方式

实施例一

参阅图2(a)，本发明提出的纳流级耐高压电化学微泵包含基底20，双面胶带21，金属丝22，o型密封圈一23a，o型密封圈二23b，手紧接头一24a，手紧接头二24b，主结构体25，螺钉26，压力传感器27和输液管28；其特征在于：金属丝22通过双面胶带21固定于基底20上构成电化学微泵的电极；主结构体25和基底20连接并通过o型密封圈一23a保持连接处密封，同时使电化学微泵的电极，即金属丝22位于主结构体25上贯通空腔的底部；所述压力传感器27置于主结构体25上贯通空腔的顶部并通过o型密封圈二23b保持连接处密封；主结构体25的贯通空腔形成密封腔室，其内有电解液29；所述主结构体25上还有一流体输出孔44，所述流体输出孔44连接手紧接头二24b并通过输液管28将密封腔室内的电解液29输出。

本实施例中纳流级耐高压电化学微泵的制作材料和零部件都具有抗酸碱腐蚀性且耐有机溶剂，基底20和主结构体25的制作材料选用聚醚醚酮(peek)，金属丝22是直径为0.1mm的4对铂丝，输液管28选用内径0.8mm、外径1.6mm的特氟龙管，螺钉尺寸为m2×30mm，沟槽宽度w1为100μm，沟槽间距w2为400μm，沟槽长度l1为3mm。

本实施例中纳流级耐高压电化学微泵的技术参数：外形尺寸为30mm×28mm×35mm(长×宽×高)，电解腔室尺寸为(内径×高)。电解液选用1mna2so4溶液，流量测试实验中驱动流体选用去离子水，色谱分离实验中驱动流体为缓冲液，电化学微泵工作模式为恒定电流驱动。

参阅图6，本实施例中纳流级耐高压电化学微泵在施加电流从100μa增加到12ma时，其输出流量为446nl/min到127.6μl/min；在施加电流大于1ma时，电解效率大于90％，其最大电解效率为97.3％。

参阅图7，本实施例中纳流级耐高压电化学微泵在背压从41.66bar减小到6.12bar时，在施加电流从1ma增加到10ma时，其输出的流量变化范围为350nl/min～16.7μl/min。

参阅图8，本实施例中纳流级耐高压电化学微泵在施加电流为20ma时，其最大输出压力为84.2bar，满足大多数液相色谱芯片的高压需求。

参阅图9，本实施例中纳流级耐高压电化学微泵与液相色谱芯片联用，在2分钟时间内实现了糖化血红蛋白样品中三种组分的快速分离，并通过在415nm波长处对其进行了检测。其测试条件如下：填料选用glyhb-5(5μmps-dvb)，填充柱尺寸为20mm×100μm×50μm(l×w×h)，缓冲液为ph＝6.0的50mm磷酸盐溶液与100mmnacl溶液的混合液，样品为稀释100倍的hba1c校准品水溶液，测试温度为25℃，进样量为5nl。

从以上实验结果可以看出，本发明提出的纳流级耐高压电化学微泵具有高输出压力(～84.2bar)、低流量(350nl/min～16.7μl/min)以及使用寿命长的优点，而且与液相色谱芯片联用，实现了蛋白质样品的快速分离和检测。

实施例二

其特征在于：纳流级耐高压电化学微泵基底20和主结构体25的制作材料选用聚醚酰亚胺(pei)，所述基底20和主结构体25连接方式为胶水粘接，并通过密封垫片保持连接处密封；压力传感器27与主结构体25的密封选用密封垫片；金属丝22是直径为0.05mm的6对铂丝；沟槽宽度w1为50μm，沟槽间距w2为200μm，沟槽长度l1为2mm；电解液选用0.1mnacl溶液；电化学微泵工作方式为恒压驱动。

实施例三

其特征在于：纳流级耐高压电化学微泵基底20和主结构体25的制作材料选用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，所述基底20和主结构体25连接方式为压力敏感胶带粘接，并通过密封胶条保持连接处密封；压力传感器27与主结构体25的密封选用密封胶条；金属丝22是直径为0.3mm的3对铂丝；沟槽宽度w1为300μm，沟槽间距w2为500μm，沟槽长度l1为3mm；电解液选用0.01mnaoh溶液；电化学微泵工作方式为恒流驱动。