基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置及使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置及使用方法；基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置，包括样品溶液通道，其特征在于：样品溶液通道的上方设置有多孔光热蒸发层，多孔光热蒸发层的上方设置有载气通道，多孔光热蒸发层的外侧设置有光源；所述多孔光热蒸发层由亲水多孔光热介质层和疏水气体扩散层组成；所述亲水多孔光热介质层对液体产生毛细抽吸力，使样品溶液进入亲水多孔光热介质层，同时，亲水多孔光热介质层吸收光源的入射光产生光热效应使样品溶液吸热蒸发产生气体，进而实现对样品溶液的蒸发浓缩；所述疏水气体扩散层为疏水结构，位于亲水多孔光热介质层上部；本发明专利技术可广泛应用在晶体提纯、药物合成、食品工程等领域。

Microfluidic Sample Concentration Device Based on Photothermal Evaporation and Its Application

【技术实现步骤摘要】
基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置及使用方法
本专利技术涉及微流控领域，特别是涉及一种基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置及使用方法。
技术介绍
微流控芯片由20世纪90年代在分析化学领域发展起来，作为分析系统、生物医药器件、化学及生物化学工具正发挥着越来越重要的作用。微流控芯片以其极大的比表面积、极低的样品需求量，实现了极高的分析效率，许多微流控芯片可在数秒至数十秒的时间内，以远低于常规实验室要求的样品用量完成测定、分离或其他更复杂的操作，这是其他常规分析、检测手段难以企及的。除此以外，与传统的分析、检测方法相比，微流控芯片还具有系统外部连接少，污染少，可实现实时、原位、连续检测以及方便实现批量实验等一系列优点，微流控芯片在未来的科学研究领域具有极大的应用前景。在生化检测与化工合成过程中，样品浓缩是一个重要的中间环节，对分析检测、结晶提纯、药物合成、食品工程等领域至关重要，相关实际的应用随处可见：有研究人员表示，在利用NMR(核磁共振技术)对600nL的人类脑脊髓液进行检测时，因极低的样品质量和设备对待测目标存在一定的反应时间，为了能够检测出1nM的代谢产物，研究人员起码需要将样品的浓度提升9倍并连续检测18个小时——从中可以看出，针对许多特定的研究环境，极少的样品含量、极低的样品浓度给科学实验或工程实际造成很大的影响，而这又与微流控芯片的自身性能完美切合，“样品浓缩”便成为了微流控芯片的一个重要用途。主要的样品浓缩方式包括液相萃取、膜分离法、毛细电泳、蒸发浓缩等。其中，蒸发浓缩具有操作简单，普适性强，对外部辅助设备要求低等优点，这极大地引起科研工作者们的兴趣和研究热情。基于蒸发浓缩的微流控芯片的核心环节在于在微米尺度的流道或腔体内对样品溶剂组分进行蒸发，目前蒸发浓缩的方式主要包括被动式和主动式两大类。基于蒸发浓缩的被动式微流控芯片主要是使样品溶液在在微通道中自然的蒸发，从而达到对样品溶液的浓缩效果。虽然利用该技术的微流体分析方法相较于传统分析方法有一定的优越性，但其仍存在增发速率、浓缩速率较低的问题，进行推广应用的前景并不优越。而基于蒸发浓缩的主动式微流控芯片则主要通过气相减压、强制对流、电热和光热等方式实现样品溶液的快速浓缩，具有很大的应用前景。其中，气相减压的蒸发方式对微流控装置气密性及机械强度要求较高，多用于表面预处理、微加工等环节。强制对流的蒸发方式广泛用于易挥发溶剂的去除，然而其应用受到工质本身物性限制，难以用于挥发性较低的工质。随着MEMS(Micro-ElectromechanicalSystems,微机电系统)技术的发展，电热蒸发与光热蒸发成为最为广泛应用的主动蒸发技术。电热蒸发通过微加工手段在微流控装置中嵌入电热元件，通过电加热方式对流体进行蒸发，但其芯片结构复杂，设计加工成本较高。与电热方式相比，光热蒸发依靠光与流体间的光热效应，对流体进行非接触式加热驱动蒸发过程，无需复杂的微加工技术与外部设备辅助。由于光在介质中传播速度快，且作用范围精确可调，在微流控装置中进行流体加热具有天然的反应灵敏、局部可控的优势，从而获得了研究者的广泛关注。综上所述，利用光热技术的基于蒸发浓缩的微流控芯片具有很大的应用前景，但仍存在一些问题制约了其投入大范围的应用。首先，目前比较通用的制作微通道的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)，虽然PDMS材料具有一定的透气性，但其主流的“封装式”设计，仍难于满足高效蒸发情况下系统快速排气的要求，过多的气体在微通道内的堆积会对蒸发过程产生抑制作用，并在液相流道中形成气液两相流动，增大流体流动阻力，干扰流动的稳定性。再者，将微流控芯片用于对样品溶液浓缩蒸发时，因其微通道固有的特征尺寸较小的特点，难于保证有一个合理的气液蒸发面积，这大大降低了蒸发的效率。最后，基于蒸发浓缩的微流控芯片整体的蒸发效率还有待提高，目前比较常见的蒸发浓缩装置是，在微通道中负载光热转换介质，如金、银等贵金属，通过控制光束对其进行照射来加热样品溶液，以达到浓缩蒸发的效果，虽然上述提到的光热介质具有较高的光热转换效率，但基于微通道内自由气液界面的蒸发体系效率仍然较低，仍具有很大的改进空间。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置及使用方法，以提高蒸发速率和蒸发稳定性。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置，包括样品溶液通道，其特征在于：所述样品溶液通道的上方设置有多孔光热蒸发层，是装置的蒸发场所；所述多孔光热蒸发层的上方设置有载气通道，所述多孔光热蒸发层的外侧设置有光源；所述多孔光热蒸发层由亲水多孔光热介质层和疏水气体扩散层组成；所述亲水多孔光热介质层对液体产生毛细抽吸力，使样品溶液进入亲水多孔光热介质层，同时，亲水多孔光热介质层吸收光源的入射光产生光热效应使样品溶液吸热蒸发产生气体，进而实现对样品溶液的蒸发浓缩；所述疏水气体扩散层为疏水结构，位于亲水多孔光热介质层上部，疏水气体扩散层用以允许亲水多孔光热介质层对样品溶液进行蒸发浓缩过程中产生的气体通过，但同时阻隔液相样品溶液通过，以实现气液分离，防止气体堵塞流道，进而提高整体装置蒸发浓缩的效率；所述载气通道具有气体微通道结构，该气体微通道的进口与吹扫气体存储装置的出气口连通，该气体微通道的出口与外部装置的进气口连通；通过在气体微通道的进口通入吹扫气体，由吹扫气体裹挟样品溶液在蒸发浓缩过程中产生的气体离开多孔光热蒸发层，使气体分子通过气体微通道的出口输送到外部装置。本专利技术提出一种由多孔介质结构提供输运样品溶液的动力、光热材料通过吸收入射光提供样品溶液蒸发浓缩的能量的微流控样品浓缩装置。本专利技术摒弃一般的在微通道中进行溶液蒸发的惯例，由位于微通道上部的多孔光热介质作为溶液蒸发的场所，为蒸汽传输提供了更大的通路，提高了蒸发过程中蒸汽传输的效率；并由疏水气体扩散层对气液两相进行分离，有效提升了蒸发面积，同时解决了自由气液界面不可控的问题，提高了蒸发稳定性；亲水多孔光热介质层有效强化了微通道内蒸发过程，溶液进入亲水多孔介质层后在光热效应作用下蒸发速率可以大幅提高。根据本专利技术所述的基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置的优选方案，所述样品溶液通道具有微通道结构，采用聚二甲基硅氧烷、橡胶或树脂类材料利用软光刻技术制成。根据本专利技术所述的基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置的优选方案，所述亲水多孔光热介质层由泡沫碳作为基质。本专利技术的第二个技术方案是：基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置的使用方法，其特征在于：该浓缩装置包括样品溶液通道，所述样品溶液通道的上方设置有多孔光热蒸发层，所述多孔光热蒸发层的上方设置有载气通道，所述多孔光热蒸发层的外侧设置有光源；所述多孔光热蒸发层由亲水多孔光热介质层和疏水气体扩散层组成；所述疏水气体扩散层为疏水结构，位于亲水多孔光热介质层上部；所述载气通道具有气体微通道结构，该气体微通道的进口与吹扫气体存储装置的出气口连通，该气体微通道的出口与外部装置的进气口连通。利用微量注射泵稳定地将样品溶液通入样品溶液通道中，所述亲水多孔光热介质层对液体产生毛细抽吸力，使样品溶液进入亲水多孔光热介质层；再调节射入该亲水多孔光热介质层的光源，根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置，包括样品溶液通道(1)，其特征在于：所述样品溶液通道(1)的上方设置有多孔光热蒸发层(2)，所述多孔光热蒸发层(2)的上方设置有载气通道(3)，所述多孔光热蒸发层(2)的外侧设置有光源(4)；所述多孔光热蒸发层(2)由亲水多孔光热介质层(5)和疏水气体扩散层(6)组成；所述亲水多孔光热介质层(5)对液体产生毛细抽吸力，使样品溶液进入亲水多孔光热介质层(5)，同时，亲水多孔光热介质层(5)吸收光源(4)的入射光产生光热效应使样品溶液吸热蒸发产生气体，进而实现对样品溶液的蒸发浓缩；所述疏水气体扩散层(6)为疏水结构，位于亲水多孔光热介质层(5)上部，疏水气体扩散层(6)用以允许亲水多孔光热介质层(5)对样品溶液进行蒸发浓缩过程中产生的气体通过，但同时阻隔液相样品溶液通过；所述载气通道(3)具有气体微通道结构，该气体微通道的进口与吹扫气体存储装置的出气口连通，该气体微通道的出口与外部装置的进气口连通；通过在气体微通道的进口通入吹扫气体，由吹扫气体裹挟样品溶液在蒸发浓缩过程中产生的气体离开多孔光热蒸发层(2)，使气体分子通过气体微通道的出口输送到外部装置。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置，包括样品溶液通道(1)，其特征在于：所述样品溶液通道(1)的上方设置有多孔光热蒸发层(2)，所述多孔光热蒸发层(2)的上方设置有载气通道(3)，所述多孔光热蒸发层(2)的外侧设置有光源(4)；所述多孔光热蒸发层(2)由亲水多孔光热介质层(5)和疏水气体扩散层(6)组成；所述亲水多孔光热介质层(5)对液体产生毛细抽吸力，使样品溶液进入亲水多孔光热介质层(5)，同时，亲水多孔光热介质层(5)吸收光源(4)的入射光产生光热效应使样品溶液吸热蒸发产生气体，进而实现对样品溶液的蒸发浓缩；所述疏水气体扩散层(6)为疏水结构，位于亲水多孔光热介质层(5)上部，疏水气体扩散层(6)用以允许亲水多孔光热介质层(5)对样品溶液进行蒸发浓缩过程中产生的气体通过，但同时阻隔液相样品溶液通过；所述载气通道(3)具有气体微通道结构，该气体微通道的进口与吹扫气体存储装置的出气口连通，该气体微通道的出口与外部装置的进气口连通；通过在气体微通道的进口通入吹扫气体，由吹扫气体裹挟样品溶液在蒸发浓缩过程中产生的气体离开多孔光热蒸发层(2)，使气体分子通过气体微通道的出口输送到外部装置。2.根据权利要求1所述的基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置，其特征在于：所述样品溶液通道(1)具有微通道结构，采用聚二甲基硅氧烷、橡胶或树脂类材料制成。3.根据权利要求1或2所述的基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置，其特征在于：所述亲水多孔光热介质层(5)由泡沫碳作为基质。4.基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置的使用方法，其特征在于：该浓缩装置包括样品溶液通道(1)，所述样品溶液通道(1)的上方...

【专利技术属性】
技术研发人员：何雪丰，谭颜斯阳，陈蓉，朱恂，廖强，叶丁丁，张彪，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50