本发明专利技术公开了一种基于双重泵效应的正渗透与电渗(FO)流集成芯片，该装置通过利用定向毛细管压力差造成的两次泵效应将FO技术与电渗流技术集成到一张芯片中，渗透膜夹在上、下两层基片中间，膜是上、下微通道唯一的联通媒介，而纳米级通道则是上层芯片微通道的唯一联通媒介。通过调节微通道尺寸，利用亲水材料微通道毛细管压力差，能产生垂直于膜片与平行于纳米通道的双重泵效应，泵效应将FO过程和电渗流过程有机结合。本发明专利技术操作安全、简单，芯片可拆卸，无额外能耗，可以同时弥补传统FO技术和传统电渗流技术的缺陷，大大提升离子浓缩的效率。率。率。
【技术实现步骤摘要】
一种基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片
[0001]本专利技术涉及水处理检测
，尤其涉及一种基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片。
技术介绍
[0002]微流控芯片，又称芯片实验室或微流控芯片实验室，指的是将在传统分析实验室中需要分步完成的样品制备、富集、分离、收集、检测、反应等功能集成到一个几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规生物或化学实验室的各种功能的一种技术。
[0003]电渗流是一种基于离子浓差极化(ICP)原理的电动分子浓度效应(EMC)。作为最引人注目的纳米电动现象之一，能够实现超过百万倍的分子预浓缩，并已广泛用于逆流聚焦(CFF)(浓缩富集和分离)、海水淡化和电泳。然而，高电压会产生大量热，这会导致分子破坏和其他潜在危险，但如若配备冷却装置会大大增加系统的成本和复杂性，因此无法大规模推广；而低电压则无法实现高倍率的分子预浓缩。由此引发了思考，若在电渗流过程之前能够将样品进行预浓缩，则EMC过程将会增加带电分子的捕捉效率，大大提高预浓缩的效率，主要体现在短历时，高浓缩倍率。基于上述思考，决定将渗透技术与电渗流技术进行耦合。
[0004]渗透(FO)是近年来发展起来的一种以汲取液渗透压为推动力的新型膜分离技术。FO过程是一种以选择性分离膜两侧的渗透压差为驱动力，溶液中的水分子等溶剂能从高水化学势区(原料液侧)通过选择性分离膜向低水化学势区(汲取液侧)传递，而溶质分子或离子却被阻挡的一种膜分离过程。渗透技术具有能耗低、截留效果强、高水通量、膜污染小、结构稳定、对温度和PH适应范围大等优势，但由于浓差极化现象的存在大大延长了渗透过程的耗时，同时降低了浓缩效率。浓差极化是指分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，溶质(离子或不同分子量溶质)被截留，在膜与本体溶液界面或临近膜界面区域浓度越来越高；在浓度梯度作用下，溶质又会由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂透过通量下降。
[0005]已知流体在微观尺度下有明显区别于宏观尺度的特性，例如毛细管作用，当含有细微缝隙的物体与液体接触时，在浸润情况下液体沿缝隙上升或渗入，在不浸润情况下液体沿缝隙下降的现象。在浸润情况下，缝隙越细，液体上升越高。此处就是指液体在细管状物体的内侧因为内聚力以及附着力的差异，克服摩擦力沿管壁移动。当膜作为上下通道联通的唯一媒介时，若上、下层通道存在尺寸差异，则会产生一个定向的跨膜压差，从而对膜的分离过程产生一定的影响。考虑通过恰当的通道尺寸设计，控制毛细管力的合力的方向，进而产生定向的压力，以此合力来取代汲取液产生的汲取势，即可以节省汲取液的消耗，又克服了离子浓差极化效应带来的通量降低，一举两得。
[0006]目前尚未有在微流控芯片中将FO技术与电渗流技术进行整合的报道。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的在于以微通道中毛细管力克服现有渗透技术的不足，进而以渗透技术克服电渗流技术的缺陷，提供一种基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片。
[0008]本专利技术的技术方案概述如下：
[0009]一种基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片，包括上基片和下基片，上基片的近下表面处设置有第一上微通道和第二上微通道，第一上微通道的两端分别与第一进样管和第一出样管连接，第一进样管和第一出样管贯穿位于第一上微通道以上的上基片设置；第二上微通道的两端分别与第二进样管和第二出样管连接，第二进样管和第二出样管贯穿位于第二上微通道以上的上基片设置；第一上微通道的长度长于第二上微通道，第一上微通道和第二上微通道间仅通过并排设置于上基片中的纳米级通道连接，第一上微通道上与纳米级通道连接的两侧分别设有电极V
L
和电极V
R
；在上基片底部的前中部设置有与第一上微通道相通的圆形向上凹道；
[0010]在下基片的近上表面处设置有下微通道，下微通道的两端分别与进液管和出液管连接；进液管和出液管分别贯穿位于下微通道以上的下基片并贯穿上基片设置；在下基片的下微通道的中部设置有与下微通道相通的圆形向下凹道；圆形渗透膜设置在上基片的圆形向上凹道和下基片的所述圆形向下凹道之间，圆形向上凹道和圆形向下凹道的直径相同；圆形渗透膜的直径大于圆形向上凹道的直径；
[0011]第一上微通道、第二上微通道、从进液管到圆形渗透膜间的下微通道、从圆形渗透膜到出液管间的下微通道的截面均为矩形；第一上微通道的截面积大于第二上微通道的截面积，从圆形渗透膜到第一出样管间的第一上微通道的截面积大于从圆形渗透膜到出液管间的下微通道的截面积。
[0012]优选的，第一上微通道、第二上微通道、从进液管到圆形渗透膜间的下微通道、从圆形渗透膜到出液管间的下微通道的截面均为正方形。
[0013]优选的，第一上微通道的截面积与从进液管到圆形渗透膜间的下微通道的截面积相等。有利于减小进下微通道的阻力，使其在到达圆形渗透膜片时压力与第一上微通道一致。
[0014]优选的，第一上微通道的截面积为500μm
×
500μm，第二上微通道的截面积为50μm
×
50μm～499μm
×
499μm；从进液管到圆形渗透膜间的下微通道的截面积为500μm
×
500μm，从圆形渗透膜到出液管间的下微通道的截面积为50μm
×
50μm～499μm
×
499μm，纳米级通道的截面积为300nm
×
300nm。
[0015]优选的，第一上微通道的截面积为500μm
×
500μm，第二上微通道的截面积为50μm
×
50μm；从进液管到圆形渗透膜间的下微通道的截面积为500μm
×
500μm，从圆形渗透膜到出液管间的下微通道的截面积为50μm
×
50μm。
[0016]优选的，电极V
L
和电极V
R
数值为一大一小产生电势差。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0018](1)本专利技术利用亲水材料上、下微通道的毛细管作用，设计不同通道数量、尺寸的上、下层芯片，通道尺寸越小毛细管作用越明显，最终使芯片产生垂直于渗透膜的沿重力方向的额外跨膜压差(刨除汲取液的消耗)，以及平行于纳米通道的额外压力差(促进带电离子的定向迁移)，实现微通道提供驱动力的效果。
[0019](2)本专利技术减少了渗透(FO)过程中汲取液的投入，仅依靠泵效应即可实现样品中水分子的定向分离。同时在上层芯片(上基片)末端嵌入电渗流模块，通过FO过程的预浓缩效应，使得单位时间内通过纳米通道的分子数大大增加，进而提高了纳米级通道对分子的捕捉效率，最终实现二次浓缩。
[0020](3)本专利技术通过微观系统中渗透过程和电渗流过程的整合，电渗流过程弥补了FO过程浓缩倍率低，浓缩时间长的缺陷，FO过程反过来弥补了低压电渗流本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片，包括上基片和下基片，其特征在于，所述上基片的近下表面处设置有第一上微通道和第二上微通道，所述第一上微通道的两端分别与第一进样管和第一出样管连接，所述第一进样管和所述第一出样管贯穿位于所述第一上微通道以上的所述上基片设置；所述第二上微通道的两端分别与第二进样管和第二出样管连接，所述第二进样管和所述第二出样管贯穿位于所述第二上微通道以上的所述上基片设置；所述第一上微通道的长度长于所述第二上微通道，所述第一上微通道和所述第二上微通道间仅通过并排设置于所述上基片中的纳米级通道连接，所述第一上微通道上与所述纳米级通道连接的两侧分别设有电极V
L
和电极V
R
；在所述上基片底部的前中部设置有与所述第一上微通道相通的圆形向上凹道；在所述下基片的近上表面处设置有下微通道，所述下微通道的两端分别与进液管和出液管连接；所述进液管和所述出液管分别贯穿位于所述下微通道以上的所述下基片并贯穿所述上基片设置；在所述下基片的所述下微通道的中部设置有与所述下微通道相通的圆形向下凹道；圆形渗透膜设置在所述上基片的所述圆形向上凹道和所述下基片的所述圆形向下凹道之间，所述圆形向上凹道和所述圆形向下凹道的直径相同；所述圆形渗透膜的直径大于所述圆形向上凹道的直径；所述第一上微通道、所述第二上微通道、从所述进液管到所述圆形渗透膜间的所述下微通道、从所述圆形渗透膜到所述出液管间的所述下微通道的截面均为矩形；所述第一上微通道的截面积大于所述第二上微通道的截面积，从所述圆形渗透膜到所述第一出样管间的所述第一上微通道的截面积大于从所述圆形渗透膜到所述出液管间的所述下微通道的截面积。2.根据权利要求1所述的基于双重泵效应的正渗透与电渗流集成芯片，其特征在于，所述第一上微通...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔钊，张梦，王捷，袁扬，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：
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