一种气动式辅助萃取装置及方法与流程

本发明涉及一种气动式辅助萃取装置及方法，属于微流控技术领域。

背景技术：

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。用于实验室流体处理的玻璃基板上的芯片结构，该结构的设计通过使用comsolmultiphysics进行仿真模拟，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。微小流体控制阀（简称微型阀）是微流体控制系统的关键部件之一，是微流量系统中不可缺少的重要组成部分，也是微流体通断和流向控制的重要元器件。它的性能直接影响着整个微流体控制系统的工作状况。随着微型阀在各个领域中的广泛应用，对其所能达到的精度要求越来越高。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种气动式辅助萃取装置，本发明解决了现有的多相液体萃取效率低、反应速度慢的问题，本发明不同于传统反应器，其突出优势在于通过设计在液体管道内部辅助结构以及两侧的控制微阀，气控微混合室，在结构上，液体通道和气控装置上下设计，可以达到更好的混合效果，可以极大的提高液液萃取效率和缩短萃取时间。

本发明的技术方案是：一种气动式辅助萃取装置，包括液体通道、液体入口ⅰ、两个通道电磁阀、两个气控管道微阀ⅰ、气控电磁阀ⅰ、芯片、液体出口、两个气控管道微阀ⅱ、气控微混合室、气控电磁阀ⅱ、电磁阀控制线、液体入口ⅱ、玻璃基片；

所述芯片放置在玻璃基片上，所述芯片上设有液体入口ⅰ、液体入口ⅱ、液体出口，所述芯片内设有液体通道，所述液体通道的一端设有两条分支通道，所述液体入口ⅰ、液体入口ⅱ分别通过分支通道与液体通道的一端连通，且液体通道一端的上、下两侧分别设有通道电磁阀，液体通道的另一端与液体出口连通，所述液体通道的下方设有气控微混合室，所述气控微混合室两侧的液体通道的上、下两端分别设有气控管道微阀ⅰ、气控管道微阀ⅱ，所述芯片内设有气控电磁阀ⅰ、气控电磁阀ⅱ，且气控电磁阀ⅰ、气控电磁阀ⅱ分别位于液体通道的上方和下方，且气控电磁阀ⅰ通过电磁阀控制线分别控制气控微混合室两侧的液体通道上端的气控管道微阀ⅰ，气控电磁阀ⅱ通过电磁阀控制线分别控制气控微混合室两侧的液体通道下端的气控管道微阀ⅱ。

所述液体通道内设有辅助结构，所述辅助结构包括一个以上的半圆形凸起，分别布置在液体通道的上、下内壁上，且位于上内壁的辅助结构的凸起向下，位于下内壁的辅助结构的凸起向上，所述气控管道微阀ⅰ气控管道微阀ⅱ的结构相同，均包括控制器ⅰ、一个以上的气体管道、一个以上的膜片，所述控制器ⅰ位于液体通道外侧，所述一个以上的气体管道、一个以上的膜片均位于液体通道内，且所述一个以上的膜片分别位于一个以上的气体管道的上方，所述气控管道微阀ⅰ与气控管道微阀ⅱ相对布置，即气控管道微阀ⅰ的气体管道与气控管道微阀ⅱ的气体管道相反布置，所述气控管道微阀ⅰ、气控管道微阀ⅱ的一个以上的气体管道、一个以上的膜片分别位于液体通道的上、下内壁的辅助结构的一个以上的半圆形凸起之间。

所述气控微混合室包括两个微气室ⅰ、两个微气室ⅱ、两个控制器ⅱ，所述两个微气室ⅰ之间通过管道连接，所述两个微气室ⅱ之间通过管道连接，且其中一个微气室ⅰ上设有气室入口ⅰ，气室入口ⅰ的入口处设有控制器ⅱ，其中一个微气室ⅱ上设有气室入口ⅱ，气室入口ⅱ的入口处设有控制器ⅱ，所述气室入口ⅰ的入口处的控制器ⅱ通过电磁阀控制线与气控电磁阀ⅰ，所述气室入口ⅱ入口处的控制器ⅱ通过电磁阀控制线与气控电磁阀ⅱ连接，所述两个微气室ⅰ、两个微气室ⅱ的厚度h2均为0.35mm，所述两个微气室ⅰ、两个微气室ⅱ充满气鼓起时呈球形，体积均为1mm³。

所述芯片、两个微气室ⅰ、两个微气室ⅱ均采用pdms聚二甲基硅氧烷材料制成，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。

所述芯片长45mm，宽15mm，厚5mm。

所述液体入口ⅰ、液体入口ⅱ、液体出口的直径均为0.5mm，所述液体通道宽d2为0.5mm，高h3为0.35mm，气控微混合室的长为4mm，宽度d3为3mm，高h3为0.35mm，玻璃基片厚度为0.1mm。

所述两个气控管道微阀ⅰ、两个气控管道微阀ⅱ的长均为7mm，宽均为0.3mm，高均为0.3mm。

所述气控管道微阀ⅰ、气控管道微阀ⅱ的控制器ⅰ与液体通道的距离为1~2mm。

本发明的目的之二在于提供一种利用该装置进行辅助萃取的方法，具体步骤如下：首先向液体入口ⅰ注入水相，待水相充满装置后，再向液体入口ⅱ中注入有机相，两个入口液相中分别含有不同的化学物质且两者可以相互反应，通过控制液体入口ⅰ、液体入口ⅱ流量及速度，可在液体通道中提高二者反应效率，在两相液体混合后液体通道的两侧的通道电磁阀控制液体通道内流量的大小，液体通道的两侧的通道电磁阀通电后，两个通道电磁阀的电磁铁相互吸引，从而挤压液体通道上下壁面，实现控制液体通道内流量的大小，气控电磁阀ⅰ同时控制两个气控管道微阀ⅰ和气室入口ⅰ的入口处的控制器，气控电磁阀ⅱ同时控制两个气控管道微阀ⅱ和气室入口ⅱ的入口处的控制器，交替给气控电磁阀ⅰ、气控电磁阀ⅱ通电，即当两个气控管道微阀ⅰ和气室入口ⅰ工作时，两个气控管道微阀ⅱ和气室入口ⅱ的入口处的控制器不工作，此时，两个气控管道微阀ⅰ的一个以上的气体管道充满气体，一个以上的膜片向下鼓起，两个微气室ⅰ充满气体，而当两个气控管道微阀ⅱ和气室入口ⅱ的入口处的控制器工作时，两个气控管道微阀ⅰ和气室入口ⅰ不工作，此时，两个气控管道微阀ⅱ的一个以上的气体管道充满气体，一个以上的膜片向上鼓起，两个微气室ⅱ充满气体，一个以上的膜片交替鼓起并同辅助结构构成液体通道两侧涡流和扰动，另外，两个微气室ⅰ、两个微气室ⅱ充满气体后使其上方的液体通道产生变形，加快液体间的萃取效率，达到更好的两相液体萃取效果。

本发明先给液体入口ⅰ2中注入水相，待水相充满装置后，再往液体入口ⅱ12中注入有机相，两个入口液相中分别含有不同的化学物质且两者可以相互反应，通过控制液体入口ⅰ2和液体入口ⅱ12的流量及速度，可在液体通道1中提高二者反应效率，在两相液体混合后液体通道的两侧设有通道电磁阀3，其中通道电磁阀3中的电磁铁接通直流电，当通电后液体管道1两侧的电磁铁相互吸引，从而挤压液体管道壁面的芯片薄膜，来实现控制液体管道1的流量的大小，对该通道的流体进行限流，使管道的流量减少，可以达到较好的微阀节流作用。

液体通道1内两侧安有管道辅助结构14，本发明液体通道1从进液管道至液体出口内部的混合管道我们采用增加管道辅助结构14来提高该装置的萃取效率，每个辅助结构后的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。因此，半圆形辅助结构不仅促进了目标分子在各液相内的垂直方向上的分子运动，而且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。

控制气控微混合室9的两个微气室ⅰ17、两个微气室ⅱ18中的气体，从而促进气控微混合室9上方的液体通道1内流通液体的涡流和扰动，增强相界面处的目标分子的传递过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明可以高效提升两相液体萃取效率，通过在液体管道上设置通道电磁阀从而可以很好的控制两相液体的流量的大小，对该通道的流体进行限流，使管道的流量减少，可以达到较好的微阀节流作用。

（2）本发明液体管道两侧中设有辅助结构，而且辅助结构的每两个半圆形凸起之间都对应一个气体管道，通过对气控电磁阀ⅰ、气控电磁阀ⅱ的控制，可以控制气体管道内的气体，并且气控电磁阀ⅰ、气控电磁阀ⅱ交替通电，而使液体管道内两侧气体管道内气体交叉填充，从而使两侧的膜片交替鼓起，起到很强的扰流作用，大大提高了两相液体之间的反应效率。

（3）本发明通过在液体管道下方设置了气控微混合室，通过气控微混合室的气体，从而提高了上方液体通道内液液萃取的效率，缩短了萃取时间。

（4）本发明使用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）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。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明液体通道中的辅助结构及气控管道微阀ⅰ、气控管道微阀ⅱ供气时的示意图；

图3是本发明气控管道微阀ⅰ不通气、气控管道微阀ⅱ不通气时的示意图；

图4是气控微混合室的结构示意图；

图中各标号：1-液体通道、2-液体入口ⅰ、3-通道电磁阀、4-气控管道微阀ⅰ、5-气控电磁阀ⅰ、6-芯片、7-液体出口、8-气控管道微阀ⅱ、9-气控微混合室、10-气控电磁阀ⅱ、11-电磁阀控制线、12-液体入口ⅱ、13-玻璃基片、14-辅助结构、15-膜片、16-气体管道、17-微气室ⅰ、18-微气室ⅱ、19-气室入口ⅰ、20-气室入口ⅱ、21-控制器ⅰ、22-控制器ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1所示，本气动式辅助萃取装置，包括液体通道1、液体入口ⅰ2、两个通道电磁阀3、两个气控管道微阀ⅰ4、气控电磁阀ⅰ5、芯片6、液体出口7、两个气控管道微阀ⅱ8、气控微混合室9、气控电磁阀ⅱ10、电磁阀控制线11、液体入口ⅱ12、玻璃基片13；

所述芯片6放置在玻璃基片13上，所述芯片6上设有液体入口ⅰ2、液体入口ⅱ12、液体出口7，所述芯片6内设有液体通道1，所述液体通道1的一端设有两条分支通道，所述液体入口ⅰ2、液体入口ⅱ12分别通过分支通道与液体通道1的一端连通，且液体通道1一端的上、下两侧分别设有通道电磁阀3，液体通道1的另一端与液体出口7连通，所述液体通道1的下方设有气控微混合室9，所述气控微混合室9两侧的液体通道1的上、下两端分别设有气控管道微阀ⅰ4、气控管道微阀ⅱ8，所述芯片6内设有气控电磁阀ⅰ5、气控电磁阀ⅱ10，且气控电磁阀ⅰ5、气控电磁阀ⅱ10分别位于液体通道1的上方和下方，且气控电磁阀ⅰ5通过电磁阀控制线11分别控制气控微混合室9两侧的液体通道1上端的气控管道微阀ⅰ4，气控电磁阀ⅱ10通过电磁阀控制线11分别控制气控微混合室9两侧的液体通道1下端的气控管道微阀ⅱ8。

所述液体通道1内设有辅助结构14，如图2所示，所述辅助结构14包括多个半圆形凸起，分别布置在液体通道1的上、下内壁上，两侧交叉分布均匀，且位于上内壁的辅助结构14的凸起向下，位于下内壁的辅助结构14的凸起向上，所述气控管道微阀ⅰ4气控管道微阀ⅱ8的结构相同，如图3所示，均包括控制器ⅰ21、12个气体管道16、12个膜片15，所述控制器ⅰ21位于液体通道1外侧，所述12个气体管道16、12个膜片15均位于液体通道1内，且所述12个膜片15分别位于12个气体管道16的上方，所述气控管道微阀ⅰ4与气控管道微阀ⅱ8相对布置，即气控管道微阀ⅰ4的气体管道16与气控管道微阀ⅱ8的气体管道16相反布置，所述气控管道微阀ⅰ4、气控管道微阀ⅱ8的气体管道16、膜片15分别位于液体通道1的上、下内壁的辅助结构14的相邻两半圆形凸起之间。

如图4所示，所述气控微混合室9包括两个微气室ⅰ17、两个微气室ⅱ18、两个控制器ⅱ22，所述两个微气室ⅰ17之间通过管道连接，所述两个微气室ⅱ18之间通过管道连接，且其中一个微气室ⅰ17上设有气室入口ⅰ19，气室入口ⅰ19的入口处设有控制器ⅱ22，其中一个微气室ⅱ18上设有气室入口ⅱ20，气室入口ⅱ20的入口处设有控制器ⅱ22，所述气室入口ⅰ19的入口处的控制器ⅱ22通过电磁阀控制线11与气控电磁阀ⅰ5，所述气室入口ⅱ20入口处的控制器ⅱ22通过电磁阀控制线11与气控电磁阀ⅱ10连接，所述两个微气室ⅰ17、两个微气室ⅱ18的厚度h2均为0.35mm，所述两个微气室ⅰ17、两个微气室ⅱ18充满气鼓起时呈球形，体积均为1mm³。

所述芯片6、两个微气室ⅰ17、两个微气室ⅱ18均采用pdms聚二甲基硅氧烷材料制成。

所述芯片6长45mm，宽15mm，厚5mm。

所述液体入口ⅰ2、液体入口ⅱ12、液体出口7的直径均为0.5mm，所述液体通道1宽d2为0.5mm，高h3为0.35mm，气控微混合室9的长为4mm，宽度d3为3mm，高h3为0.35mm，玻璃基片13厚度为0.1mm。

所述两个气控管道微阀ⅰ4、两个气控管道微阀ⅱ8的长均为7mm，宽均为0.3mm，高均为0.3mm。

所述气控管道微阀ⅰ4、气控管道微阀ⅱ8的控制器ⅰ21与液体通道1的距离为1~2mm。

本实施例装置辅助萃取的步骤如下所示：首先向液体入口ⅰ2注入水相，待水相充满装置后，再向液体入口ⅱ12中注入有机相，两个入口液相中分别含有不同的化学物质且两者可以相互反应，通过控制液体入口ⅰ2、液体入口ⅱ12流量及速度，可在液体通道1中提高二者反应效率，在两相液体混合后液体通道1的两侧的通道电磁阀3控制液体通道1内流量的大小，液体通道1的两侧的通道电磁阀3通电后，两个通道电磁阀3的电磁铁相互吸引，从而挤压液体通道1上下壁面，实现控制液体通道1内流量的大小，而液体通道1上除了微气室9外，从进口到出口都设有辅助结构来增加扰动两相液体混合。气控电磁阀ⅰ5同时控制两个气控管道微阀ⅰ4和气室入口ⅰ19的入口处的控制器22，气控电磁阀ⅱ10同时控制两个气控管道微阀ⅱ8和气室入口ⅱ20的入口处的控制器22，交替给气控电磁阀ⅰ5、气控电磁阀ⅱ10通电，即当两个气控管道微阀ⅰ4和气室入口ⅰ19工作时，两个气控管道微阀ⅱ8和气室入口ⅱ20的入口处的控制器22不工作，此时，两个气控管道微阀ⅰ4的各气体管道16充满气体，各膜片15向下鼓起，两个微气室ⅰ17充满气体，而当两个气控管道微阀ⅱ8和气室入口ⅱ20的入口处的控制器ⅱ22工作时，两个气控管道微阀ⅰ4和气室入口ⅰ19不工作，此时，两个气控管道微阀ⅱ8的各气体管道16充满气体，各膜片15向上鼓起，两个微气室ⅱ18充满气体，各膜片15交替鼓起并同辅助结构14构成液体通道1两侧涡流和扰动，另外，两个微气室ⅰ17、两个微气室ⅱ18充满气体后对其上方的液体通道1产生向上的推力，使液体通道1流速变小，达到更好的两相液体萃取效果。

通过comsolmultiphysics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以及气控装置，可以极大地提高液液层流萃取的萃取效率。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明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，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。