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一种基于热驱动的微流控反应装置及方法制造方法及图纸

技术编号:20075572 阅读:17 留言:0更新日期:2019-01-15 00:47
本发明专利技术公开了一种基于热驱动的微流控反应装置及方法,属于微流控芯片技术和有机合成领域。该装置包括微流控反应芯片,所述的微流控反应芯片中设有微通道,且微通道的两端分别设有通道入口和通道出口;所述通道入口和通道出口处设有用于对通道进行封闭的闭锁装置;所述微通道中包含顺次连接的第一管段、第二管段和第三管段;所述的第二管段的内管壁上具有用于对流经该管段的液体产生扰流的扰动部;所述第一管段和第三管段的至少一段上设有用于调节该管段内流体温度的温控装置。本发明专利技术结构简单,操作方便,可在密闭条件下实现芯片微通道内流体的加温加压反应的同时实现高效混合,达到常规有机反应中磁力搅拌器的搅拌效果。

A Microfluidic Reaction Device and Method Based on Thermal Drive

The invention discloses a microfluidic reaction device and method based on thermal drive, belonging to the field of microfluidic chip technology and organic synthesis. The device comprises a microfluidic reaction chip, in which a microchannel is arranged, and the two ends of the microchannel are respectively provided with a channel entrance and a channel outlet; the channel entrance and the channel outlet are provided with a blocking device for closing the channel; the microchannel includes the first, second and third pipe segments connected sequentially; The inner pipe wall is provided with a perturbation section for disturbing the flow of liquid through the pipe section; at least one section of the first pipe section and the third pipe section is provided with a temperature control device for regulating the temperature of the fluid in the pipe section. The invention has the advantages of simple structure and convenient operation, can realize the heating and pressurizing reaction of the fluid in the microchannel of the chip under the closed condition, and realize the high efficiency mixing, thus achieving the stirring effect of the magnetic stirrer in the conventional organic reaction.

【技术实现步骤摘要】
一种基于热驱动的微流控反应装置及方法
本专利技术属于微流控芯片领域,具体涉及一种基于热驱动的微流控反应装置及方法。
技术介绍
微流控技术起源于一种调节微流体通道中流体的技术,这项技术在生物化学工程中有着广泛的应用。微流控技术的出现,促进了有机化学、材料科学和生物医学等相关领域的发展,开辟了得到理想产品的新途径,同时在分子水平上为深入研究机理提供了可能性。在微流控芯片中进行化学反应,提高了反应的可控性、安全性以及选择性,使用的试剂量小、反应快速、占地面积小。其中,主要的两大优势是:(ⅰ)能在短的时间/空间尺度内进行混合和传热/传质;(ⅱ)可以精确控制到nm和pL水平。这些优点主要来源于热和质量的传递与尺寸有关。流体体积小使得雷诺数低,流体越来越受粘度而不是惯性的影响。此外,通道内表面积与体积的比例大,确保了整个反应器的热均匀性以及装置和所含流体之间的高传热性。为解决微流控加温加压反应系统的在线混合问题,常见的基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的微流控芯片系统采用主动的微泵阀实现在线混合,但是微泵阀的材料需要是弹性有机材料,所以基本上在强酸强碱、有机溶剂等常见有机反应体系中受到很大限制。合成过程通常包括多步反应,而这些多步反应可以通过微反应器快速连续地完成,从而简化了整个反应并提高了合成效率。在微流控芯片中进行多步合成,需要按正确的顺序引入试剂,协调好每个反应,尤其需要尽可能缩短在合成期间流体的停留/混合时间。同时,在合成过程中经常涉及加热反应。在常规反应器中,可以通过恒温磁力加热搅拌器和搅拌磁子的配合使用,实现反应液的加热搅拌功能。而在微流控芯片中,由于通道尺寸太小,若是在反应芯片内预置一微型磁珠,会出现死体积和热惯性较大等问题,从而影响合成反应速度和产率。另外,在微流控芯片中对流体进行加热搅拌操作,也存在一系列问题。比如,芯片中的气体受热会膨胀,液体试剂在膨胀气体作用下在微通道内易呈现无序沸腾的状态,而难以使其处于加热的部位,因此需要在密闭条件下进行反应,而密闭随之带来通道内的压力增加,故需要选择耐高压材质的芯片。因此,亟需一种新的微流控技术以突破这个瓶颈状态,实现密闭芯片通道内流体的快速混合及高效加温加压合成反应。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题,本专利技术提供一种基于热驱动的微流控反应系统,基于多温区热泵驱动原理,结构简单,操作方便,目的是实现芯片通道内流体的加温加压反应的同时实现混合,达到常规有机反应中磁力搅拌器的搅拌效果。同时,实现芯片通道内多种流体的快速混合及高效合成反应,以用于高效的合成反应。本专利技术所采用的具体技术方案如下:基于热驱动的微流控反应装置,其包括微流控反应芯片,所述的微流控反应芯片中设有微通道,且微通道的两端分别设有通道入口和通道出口;所述通道入口和通道出口处设有用于对通道进行封闭的闭锁装置;所述微通道中包含顺次连接的第一管段、第二管段和第三管段;所述的第二管段的内管壁上具有用于对流经该管段的液体产生扰流的扰动部;所述第一管段和第三管段中至少一段上设有用于调节该管段内流体温度的温控装置。本专利技术中,微通道是指用于实现微流控反应的细小通道,其尺寸一般为100-2000μm。由于在微通道中,无法安装搅拌转子等设备,因此第二管段中的液体试剂的推动主要是由其两端的第一管段和第三管段中的压力差所带来的。两个管段中初始的气体温度和压力相同,温控装置通过控制两个管段中的温度不同,使两者产生温度差,进而产生压力差,使第二管段中的液体试剂被推动着来回往复。闭锁装置是指能够控制管道开闭的装置,可以是手动开闭,也可以是自动开闭,但为了实现自动控制,优选为自动开闭。基于该技术方案,还可以进一步提供如下优选方案,且各优选方案中的技术特征在没有冲突情况下均可相互组合。作为优选,所述的闭锁装置为两个阀门,其中第一阀门设置于与所述通道入口相连的入口管道上,第二阀门设置于与所述通道出口相连的出口管道上。此种方式下,能够方便地对微通道的密闭状态进行控制,无需增设复杂的结构。作为优选,所述第一管段和第三管段上均设有所述的温控装置。在第二管段两侧同时设置温控装置,能够实现大跨度、快速的温度调节。而且,这两个温控装置通过加热温度的不同,还能够改变反应的压力条件。作为优选,所述的第二管段上也设有用于调节该管段内液体温度的温控装置,此处的温控装置可以改变管内液体试剂的反应温度,用于适应不同温度下的反应需求。作为优选,所述的温控装置具有多个时,不同温控装置的温度均独立控制。每个温控装置均独立控制,能够尽可能地满足不同的反应需求。作为优选,所述的温控装置设置于微流控反应芯片的底部,以便对芯片上方对应位置进行加热。作为优选,所述的温控装置为加热器,其成本较低、维护方便。作为优选,所述的微流控反应芯片采用耐腐蚀材质,优选为石英、硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃,以避免芯片与试剂产生反应。作为优选,所述的通道入口有多个,所有通道入口均通过支路通道汇流至微通道的前端。使用过程中,可以通过不同的通道入口注入不同试剂或者气体,可实现芯片通道内多种流体的快速混合及高效合成反应。但需要注意的是,若具有多个入口,每个入口均需要设置闭锁装置,在进行混合搅拌过程中,需要保持各入口均密闭。作为优选,所述的第二管段的内壁呈波纹状,表面均布有凸起和凹陷,用于对流经该管段的液体产生扰流。该波纹状的管段能够较好地实现对流体的连续扰动,且加工工艺简单,且内壁不易阻塞,通道尺寸易调整,死体积小。但该管段的波纹状管壁可以覆盖整个第二管段,也可以间隔设置多段,不做限定。本专利技术的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述微流控反应装置的混合反应方法,其操作步骤如下:首先,通过所述通道入口,往微芯片中注入反应惰性气体,使气体充满整个微通道;接着将需要参与反应的液体试剂全部注入微流控反应芯片中的微通道内,再注入一定量反应惰性气体使液体试剂被推至所述第二管段中,使第一管段、第二管段和第三管段内分别为惰性气体、液体试剂、惰性气体;然后通过所述闭锁装置封闭微通道的通道入口和通道出口,保持微通道呈密闭状态;然后控制所述的温控装置,使第一管段和第三管段中气体温度不同,第二管段中的液体试剂在压力差推动下流动,并通过所述的扰动部使液体试剂扰动混合;不断改变第一管段和第三管段中气体温度,从而改变压力差方向,使第二管段中的液体试剂往复流动,直至反应完成。本专利技术中,气体温差方向是指第一管段和第三管段的温度差的方向,例如第一管道温度较高,第三管段温度较低,则温差方向为第一管段朝向第三管段,此时第二管段中的液体试剂所受的压力也与温差方向相同;不断地改变该温差方向,即可以使第二管段中的液体试剂不断来回被推动,达到常规有机反应中磁力搅拌器的搅拌效果。另外,注入部分气体使液体试剂被推至第二管段时,液体试剂尽量全部位于第二管段中,且液体段两侧依然具有部分具有扰动部的第二管段空余,以在后续来回往复过程中达到最佳扰动效果。但事实上,本专利技术并不限定所有的液体试剂必须完全位于第二管段中,因为当两侧压差足够大时,即使液体试剂部分位于第二管段外,其也能够在被推动行进过程中经过第二管段的扰动部,然后实现混合。和现有技术相比,本专利技术的有益效果为:1、本专利技术结构简单,操作方便,可在密闭条件下实现芯片通道内流体的加温加压反应的同本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于热驱动的微流控反应装置,其特征在于,包括微流控反应芯片(1),所述的微流控反应芯片(1)中设有微通道,且微通道的两端分别设有通道入口和通道出口;所述通道入口和通道出口处设有用于对通道进行封闭的闭锁装置;所述微通道中包含顺次连接的第一管段、第二管段和第三管段;所述的第二管段的内管壁上具有用于对流经该管段的液体产生扰流的扰动部;所述第一管段和第三管段中至少一段上设有用于调节该管段内流体温度的温控装置。

【技术特征摘要】
1.一种基于热驱动的微流控反应装置,其特征在于,包括微流控反应芯片(1),所述的微流控反应芯片(1)中设有微通道,且微通道的两端分别设有通道入口和通道出口;所述通道入口和通道出口处设有用于对通道进行封闭的闭锁装置;所述微通道中包含顺次连接的第一管段、第二管段和第三管段;所述的第二管段的内管壁上具有用于对流经该管段的液体产生扰流的扰动部;所述第一管段和第三管段中至少一段上设有用于调节该管段内流体温度的温控装置。2.如权利要求1所述的基于热驱动的微流控反应装置,其特征在于,所述的闭锁装置为两个阀门,其中第一阀门(5)设置于与所述通道入口相连的入口管道上,第二阀门(6)设置于与所述通道出口相连的出口管道上。3.如权利要求1所述的基于热驱动的微流控反应装置,其特征在于,所述第一管段和第三管段上均设有所述的温控装置。4.如权利要求1~3任一所述的基于热驱动的微流控反应装置,其特征在于,所述的第二管段上也设有用于调节该管段内液体温度的温控装置。5.如权利要求1所述的基于热驱动的微流控反应装置,其特征在于,所述的温控装置具有多个时,不同温控装置的温度均独立控制。6.如权利要求1所述的基于热驱动的微流控反应装置,其特征在于,所述的温控装置设置于微流控反应芯片(1)的底部;优选的,所述的温控装...

【专利技术属性】
技术研发人员:潘建章方群张宏田梅徐光明
申请(专利权)人:浙江大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

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