一种主动式电渗萃取微混合的集成装置及其萃取集成方法与流程

本发明涉及一种主动式电渗萃取微混合的集成装置及其萃取集成方法，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。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种主动式电渗萃取微混合的集成装置及其萃取集成方法，用于解决现有的多相液体萃取效率低、反应速度慢的问题。本发明采用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。本发明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。

本发明采用的技术方案是：一种主动式电渗萃取微混合的集成装置，包括1-玻璃基片、2-液体入口ⅰ、3-液体入口ⅱ、4-电极块、5-芯片、6-液体入口ⅲ、7-液体通道ⅱ、8-液体出口ⅰ、9-液体出口ⅱ、10-液体入口ⅳ、11-液体通道ⅰ、12-长方体形肋板；

所述芯片5设置在玻璃基片1上，所述芯片5上设有液体入口ⅰ2、液体入口ⅱ3、液体入口ⅲ6、液体入口ⅳ10、液体通道ⅰ11、液体通道ⅱ7、液体出口ⅰ8、液体出口ⅱ9；液体入口ⅰ2、液体入口ⅱ3与液体通道ⅰ11的一端相连通，液体通道ⅰ11的另一端与液体入口ⅲ6、液体入口ⅳ10交汇后与液体通道ⅱ7的一端连通，液体通道ⅱ7的另一端分别连接液体出口ⅰ8、液体出口ⅱ9，液体通道ⅰ11与液体通道ⅱ7处于同一水平面上，所述液体通道ⅰ11和液体通道ⅱ7外壁面两侧交替设有横向放置的电极块4，且相同一侧电极板4的电极相同，不同侧电极板4的电极相反，所述的液体通道ⅰ11和液体通道ⅱ7内部设有一块以上竖向放置的长方体形肋板12。

优选地，所述液体通道ⅰ11和液体通道ⅱ7内每块电极块4前端设有一块长方体形肋板12。

优选地，所述芯片5采用pdms聚二甲基硅氧烷材料制成。

优选地，所述液体入口ⅲ6和液体入口ⅳ10的进液方向与液体通道ⅰ11和液体通道ⅱ7垂直。

优选地，所述芯片5长45mm，宽15mm，厚5mm；所述玻璃基片1长60mm，宽25mm，厚5mm。

优选地，所述液体入口ⅰ2、液体入口ⅱ3、液体入口ⅲ6、液体入口ⅳ10、液体出口ⅰ8、液体出口ⅱ9的直径均为1mm，液体通道ⅰ11和液体通道ⅱ7宽d2为0.5mm，高h2为0.35mm，长方体形肋板12的宽d1为0.2mm，长l1为0.1mm，高度h2为0.35mm，每块电极板4长l2为0.7mm，宽度d3为0.15mm，高度h1为0.2mm。

一种利用所述一种主动式电渗萃取微混合的集成装置进行萃取集成的方法，具体步骤为：先给液体入口ⅰ2注入水相液体，待水相充满液体管道ⅰ11和液体通道ⅱ7并从液体出口ⅰ8、液体出口ⅱ9流出后，再同时从液体入口ⅰ2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ⅰ11内，实现水相和油相之间的萃取，液体通道ⅰ11外设有一块以上的电极板4，且液体通道ⅰ11内还设有与电极板4相对应的长方体形肋板12，经过电极板4和长方体形肋板12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ⅰ11与液体通道ⅱ7、液体入口ⅲ6、液体入口ⅳ10形成的十字型通道后，液体入口ⅲ6、液体入口ⅳ10均通入有机相液体至液体通道ⅱ7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ⅱ7中，液体通道ⅱ7外侧设有电极板4、内侧设有长方体形肋板12，再次进行扰流，待萃取结束后最后液体从液体出口ⅰ8、液体出口ⅱ9中流出。

本发明的有益效果是：

（1）电渗流主要是通过施加电压来驱动流体，本发明应用交流电渗驱动，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）本发明利用被动式肋板辅助结构，以及交流电场力的驱动，使两相先后经过二者液体起到很强的扰流作用，高效提升了两相液体萃取效率，增加了两相液体萃取的效率。

（3）本发明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十字型有机相包裹水相液体，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）本发明装置使用简单，主要利用电场力驱动，以及被动式肋板辅助结构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是本发明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-电极板、5-芯片、6-液体入口ⅲ、7-液体通道ⅱ、8-液体出口ⅰ、9-液体出口ⅱ、10-液体入口ⅳ、11-液体通道ⅰ、12-长方体形肋板。

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1-3所示，一种主动式电渗萃取微混合的集成装置，包括玻璃基片1、液体入口ⅰ2、液体入口ⅱ3、电极块4、芯片5、液体入口ⅲ6、液体通道ⅱ7、液体出口ⅰ8、液体出口ⅱ9、液体入口ⅳ10、液体通道ⅰ11、长方体形肋板12；

所述芯片5设置在玻璃基片1上，所述芯片5上设有液体入口ⅰ2、液体入口ⅱ3、液体入口ⅲ6、液体入口ⅳ10、液体通道ⅰ11、液体通道ⅱ7、液体出口ⅰ8、液体出口ⅱ9；液体入口ⅰ2、液体入口ⅱ3与液体通道ⅰ11的一端相连通，液体通道ⅰ11的另一端与液体入口ⅲ6、液体入口ⅳ10交汇后与液体通道ⅱ7的一端连通，液体通道ⅱ7的另一端分别连接液体出口ⅰ8、液体出口ⅱ9，液体通道ⅰ11与液体通道ⅱ7处于同一水平面上，所述液体通道ⅰ11和液体通道ⅱ7外壁面两侧交替设有横向放置的电极块4，且相同一侧电极板4的电极相同，不同侧电极板4的电极相反，所述的液体通道ⅰ11和液体通道ⅱ7内部设有一块以上竖向放置的长方体形肋板12。

进一步地，所述液体通道ⅰ11和液体通道ⅱ7内每块电极块4前端设有一块长方体形肋板12。

进一步地，所述芯片5采用pdms聚二甲基硅氧烷材料制成。由于整个芯片5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ⅲ6和液体入口ⅳ10的进液方向与液体通道ⅰ11和液体通道ⅱ7垂直。

进一步地，所述芯片5长45mm，宽15mm，厚5mm；所述玻璃基片1长60mm，宽25mm，厚5mm。

进一步地，所述液体入口ⅰ2、液体入口ⅱ3、液体入口ⅲ6、液体入口ⅳ10、液体出口ⅰ8、液体出口ⅱ9的直径均为1mm，液体通道ⅰ11和液体通道ⅱ7宽d2为0.5mm，高h2为0.35mm，长方体形肋板12的宽d1为0.2mm，长l1为0.1mm，高度h2为0.35mm，每块电极板4长l2为0.7mm，宽度d3为0.15mm，高度h1为0.2mm。

一种利用所述一种主动式电渗萃取微混合的集成装置进行萃取集成的方法，具体步骤为：先给液体入口ⅰ2注入水相液体，待水相充满液体管道ⅰ11和液体通道ⅱ7并从液体出口ⅰ8、液体出口ⅱ9流出后，再同时从液体入口ⅰ2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ⅰ11内，实现水相和油相之间的萃取，液体通道ⅰ11外设有一块以上的电极板4，且液体通道ⅰ11内还设有与电极板4相对应的长方体形肋板12，经过电极板4和长方体形肋板12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ⅰ11与液体通道ⅱ7、液体入口ⅲ6、液体入口ⅳ10形成的十字型通道后，液体入口ⅲ6、液体入口ⅳ10均通入有机相液体至液体通道ⅱ7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ⅱ7中，液体通道ⅱ7外侧设有电极板4、内侧设有长方体形肋板12，再次进行扰流，待萃取结束后最后液体从液体出口ⅰ8、液体出口ⅱ9中流出。

本发明液体管道ⅰ11与液体通道ⅱ7内部从进液管道至液体出口内部的混合管道采用两侧非对称长方体形肋板12来提高该装置的萃取效率，在经过每个辅助结构后液体流出的横截面积减半，流速增大，且在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，长方体形肋板12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。

本发明液体管道ⅰ11与液体通道ⅱ7外两侧设有与长方体形肋板12对应的电极板4，在液体管道ⅰ11与液体通道ⅱ7内液体每流经一个长方体形肋板12后对应着另一侧设有一块电极板4，电极板4在液体管道ⅰ11与液体通道ⅱ7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，本发明芯片5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ⅰ11与液体通道ⅱ7内液体流向发生了扭曲，且在电极板4附近液体区域产生了一个局部漩涡，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ⅰ11与液体通道ⅱ7的混合，从而显著地提高了液液萃取的萃取效率。

本发明液体管道ⅰ11与液体通道ⅱ7、液体入口ⅲ6、液体入口ⅳ10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，液体流经液体通道ⅱ7，混合液体又会出现层流状态，液体管道ⅱ7上也设有和液体管道ⅰ11所述肋板辅助结构和电极板4，最后采取液体出口ⅰ8、液体出口ⅱ9两个分支出口来收集混合液体。

本发明采用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，本发明集液滴生成、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。

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。