一种纳流级耐高压电化学微泵制造技术

本发明专利技术公开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。该微泵主要包含主结构体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；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；压力传感器27置于主结构体25上贯通空腔的顶部；主结构体25的贯通空腔形成密封腔室，其内有电解液29；所述密封腔室通过输液管28将电解液29输出。该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。

【技术实现步骤摘要】
一种纳流级耐高压电化学微泵
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
为克服现有微泵驱动压力低、电极寿命短、重复性差等不足，本专利技术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)，本专利技术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，用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.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。

【技术特征摘要】
1.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。2.如权利要求1所述的纳流级耐高压电化学微泵，其特征在于：所述主结构体25和基底20的材料为聚合物。3.如权利要求1所述的纳流级耐高压电化学微泵，其特征在于：所述金属丝22通过双面胶带21粘接固定在基底20上。4.如权利要求1所述的纳流级耐高压电化学微泵，其特征在于：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。5.如权利要求1所述的纳流级耐高压电化学微泵，其特征在于：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。6.如权利要求1所述的纳流级耐高压电化学微泵，其特征在于：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3...

【专利技术属性】
技术研发人员：常洪龙，李丁，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61