CN105665046A - 一种快速温度跃升微流芯片系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速温度跃升微流芯片系统，包括：芯片，芯片包括基片、盖片、电磁阀、制冷装置和加热装置，基片具有微流通道，微流通道依次形成恒温储液区、温度跳变区和测试区，盖片覆盖并密封基片，电磁阀连通微流通道，制冷装置紧贴基片的恒温储液区设置，加热装置紧贴基片的温度跳变区设置，测试区暴露于同步辐射光的照射下进行测试；用于安装固定芯片的支架；用于调节支架的位置的二维调整平台，二维调整平台包括水平位置调节模块和垂直位置调节模块；以及注射泵，注射泵具有本体和与本体相连的第一阀口，阀口与芯片的微流通道连通。本发明的芯片系统可实现溶液样品的快速温度跳变，用于同步辐射反应动力学的研究。

Description

一种快速温度跃升微流芯片系统

技术领域

本发明涉及一种用于研究反应动力学的芯片系统，更具体地涉及一种与同步辐射测量相结合的快速温度跃升微流芯片系统。

背景技术

反应动力学的研究是研究反应机理的主要途径。对于反应半衰期短于1s的快反应，采用常规分析技术无法对反应进行研究。反应动力学具有多种研究方法，包括连续流/停流技术、温度跃升弛豫技术、闪光光解技术等等。其中，温度跃升弛豫技术是一种研究溶液中快反应的常用实验技术，即在短暂时间内对平衡体系施加一个温度扰动，并且结合检测设备，例如色谱、质谱、核磁共振及吸收光谱等系统，通过测定溶液的某一特性来监测反应进程。因此，温度跃升弛豫装置设计的关键是选取一个与检测手段相匹配的迅速升温方案。

同步辐射装置是利用电子在磁场中做高速运动产生同步辐射光的大型科学实验装置。同步辐射光源是一种新型光源，覆盖了X射线、真空紫外、可见光到远红外波段，而且连续可调。同步辐射光源具有高通亮、高空间分辨、高时间分辨特征，是探测物质结构及解析反应机理强有力的工具。

目前，产生温度跃升的方法主要有电容器放电、微波以及脉冲激光。利用电容器放电法产生温度跳变，需要较高的盐浓度和离子强度，并且导电溶液需加上数千伏的电压，这将导致分子的极化等不利影响；微波法仅适用于极性溶液；脉冲激光法需考虑吸收介质在某一激光波长的光敏度。考虑到上述温度跃升装置的复杂性，若与同步辐射光源探测手段相结合，还需要根据具体的线站要求和布局，进行软件及硬件多方面改造，较为不便。

近年来，同步辐射结合微流控混合型芯片实验技术逐渐成为反应动力学研究热点。微流控芯片将生物和化学领域中所涉及的基本操作单元集成到几个平方厘米的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统。利用微流体的动力聚焦混合方式或低雷诺数下的层流混合机制，将反应物在微流芯片内快速推进并迅速混合，以同步辐射光为探针，实现反应动力学动态研究。同步辐射结合微流芯片实验系统组成方便、成本低、功能集成度高。

但是，到目前为止，将微流芯片用于同步辐射反应动力学的研究主要是利用微尺度下流体的流动特性，使得溶液快速混合，主要应用在连续流/停流技术中。而利用微通道内流体流动换热明显强于常规尺度换热的特性，将微流芯片与同步辐射相结合应用到温度跃升弛豫的研究尚未见报道。

发明内容

本发明旨在提供一种快速温度跃升微流芯片系统，该系统可结合同步辐射X射线测量技术，用于温度跃升弛豫的反应动力学相关研究。

本发明所述的快速温度跃升微流芯片系统，包括：芯片，该芯片包括基片、盖片、电磁阀、制冷装置和加热装置，基片具有微流通道，该微流通道依次形成恒温储液区、温度跳变区和测试区，盖片覆盖并密封基片，电磁阀连通微流通道，制冷装置紧贴基片的恒温储液区设置，加热装置紧贴基片的温度跳变区设置，测试区暴露于同步辐射光的照射下进行测试；用于安装固定该芯片的支架；用于调节支架的位置的二维调整平台，该二维调整平台包括水平位置调节模块和垂直位置调节模块；以及注射泵，该注射泵具有本体和与该本体相连的第一阀口，所述阀口与芯片的微流通道连通。

微流通道包括相对独立的第一微通道、第二微通道和第三微通道，其中，第一微通道的入口端与注射泵相连通，第一微通道的出口端与电磁阀相连，第二微通道的入口端与样品液体相连通，第二微通道的出口端与电磁阀相连，第三微通道的入口端与电磁阀相连。

微流通道还包括依次设置于第三微通道下游的第四微通道和第五微通道，该第四微通道形成温度跳变区，该第五微通道形成测试区。

第四微通道为宽度先发散后收敛的微通道。优选地，该第四微通道为矩形-梯形微通道。

与第一、第二、第三和第五微通道相比，第四微通道的宽度较大且深度较小。

该芯片还包括有设置于第一微通道的测试位置处的温感探头。

该注射泵还包括与空气连通的第二阀口。

该注射泵还包括与清洗液连通的第三阀口。

该支架包括底板和垂直于该底板的安装板，该安装板具有贯通孔，芯片被固定于该贯通孔内。

该加热装置为溅射在玻璃基底上的图案化的Pt电极。

通过本发明的快速温度跃升微流芯片系统，样品溶液可以在恒温储液区进行恒温预处理，待温度恒定后，样品可被快速推进到温度跳变区，样品温度迅速上升，然后进入同步辐射X射线测试区进行测试，由于样品采取连续流进样方式，即样品发生温度跃升后，反应时间的长短与样品在微流通道中流过的距离成正比，在不同的距离处，通过同步辐射X射线探测样品的动态信息，进行反应动力学的研究。根据本发明的快速温度跃升微流芯片系统还具有以下有益效果：组成方便、操作简单；利用微流控芯片功能集成的优势，在计算机的精确控制下，注射泵、电磁阀、制冷装置、加热装置等相互配合，实现了溶液样品自动进样、恒温预处理，微流通道自动清洗、干燥等功能；芯片可以根据实验结果改进升级并自由替换成其他芯片，而实验系统其他部件均可重复使用，降低加工制造成本；该系统的控制及数据采集界面是基于同步辐射光源控制系统平台编写的，采用的相关控制器及驱动器为同步辐射专用，满足同步辐射实验站的具体需求和布局，与实验站其它设备集成为一体。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的快速温度跃升微流芯片系统的示意图；

图2是图1的支架的整体结构示意图；

图3示出了图1的安装在支架上的芯片的整体结构；

图4是图3的盖片的透视图；

图5是图3的基片的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

图1是根据本发明的一个优选实施例的快速温度跃升微流芯片系统的示意图，该快速温度跃升微流芯片系统1包括计算机11、二维调整平台12、注射泵13、液体源14、支架15和芯片16。其中，芯片16被固定于支架15，而支架15被设置于二维调整平台12上，从而通过二维调整平台12调整芯片16的具体位置。注射泵13与芯片16相连，而计算机11分别与二维调整平台12、注射泵13和芯片16通讯连接。

二维调整平台12包括水平位置调节模块121和垂直位置调节模块122。支架15被固定于垂直位置调节模块122上，而垂直位置调节模块122被固定于水平位置调节模块121上，该水平位置调节模块121和垂直位置调节模块122与计算机11通讯连接，从而通过计算机11控制水平位置调节模块121和垂直位置调节模块122，从而精确控制支架15的具体位置，由此精确调节芯片16相对于同步辐射光斑的位置。

注射泵13包括本体131和与本体相连的第一阀口132、第二阀口133、第三阀口134和第四阀口135。其中，第一阀口132与芯片16通过导管连通，第二阀口133与空气连通，而第三阀口134和第四阀口135分别与液体源14连通。在操作过程中，该注射泵13接收计算机11的信号选择阀口、设置进样体积与速度，实现液体进样、微通道清洗和干燥等功能。

液体源14包括盛放样品溶液的第一容器141、盛放废液的第二容器142、盛放第一清洗液的第三容器143和盛放第二清洗液的第四容器144，其中，第一容器141和第二容器142分别与芯片16相连，而第三容器143和第四容器144分别与注射泵13的第三阀口134和第四阀口135相连。

图2是根据本发明的一个优选实施例的快速温度跃升微流芯片系统的支架的整体结构示意图，该支架15为T字形，其包括底板151和垂直于该底板151的安装板152，该安装板152的中心具有贯通孔152a，芯片16被固定于该贯通孔152a内，如图3所示。该底板151的底座设有螺丝孔，从而便于将支架15固定在垂直位置调节模块122上。

图3示出了安装在支架上的芯片的整体结构，芯片16包括基片161、盖片162、电磁阀163、制冷装置164和加热装置165。其中，盖片162覆盖基片161，两者被固定于安装板152的贯通孔152a内，电磁阀163安装于盖片162上，制冷装置164被设置于支架15的底板151上并紧贴基片161，而加热装置165被夹置于基片161与盖片162之间并紧贴基片161。

图4是盖片的透视图，盖片162具有矩形本体1621，该矩形本体1621适合于容置在安装板152的贯通孔152内进行安装固定。该矩形本体1621上开设有通槽1622，基片161的测试区从通槽1622露出，从而暴露于同步辐射光的照射下。

图5是基片的俯视图，基片161上加工有微流通道，可划分为恒温储液区、温度跳变区以及同步辐射X射线测试区。具体地，基片161上具有相对独立的第一微通道1611、第二微通道1612和第三微通道1613，其中，第一微通道1611的入口端1611a与注射泵13通过导管相连通，第一微通道1611的出口端1611b与电磁阀163相连，第二微通道1612的入口端1612a与液体源14的第一容器141通过导管相连通，第二微通道1612的出口端1612b与电磁阀163相连，第三微通道1613的入口端1613a与电磁阀163相连，由此，电磁阀163被用来连通第一微通道1611、第二微通道1612和第三微通道1613。当第一微通道1611与第三微通道1613由电磁阀163衔接时，两者共同组成恒温储液微通道。第三微通道1613的下游依次连接第四微通道1614和第五微通道1615，第三微通道1613的出口分为两路后，宽度增加，深度减小，延展形成第四微通道1614，该第四微通道1614在本实施例中为矩形-梯形微通道；第四微通道1614的出口重新汇聚为一路后，宽度减小、深度增加而形成第五微通道1615，该第五微通道1615的出口端1615b与液体源14的第二容器142通过导管相连。计算机11与注射泵13、电磁阀163通讯连接，从而通过计算机11控制注射泵和电磁阀的工作状态，从而改变微流通道内的流体的流动速度与方向。

结合图3，制冷装置164与基片161紧密接触并且直接冷却第一微通道1611、第二微通道1612和第三微通道1613。加热装置165同样与基片161紧密接触并加热第四微通道1614，从而使得该第四微通道1614成为温度跳变区。第五微通道1615由kapton膜进行密封，形成同步辐射X射线测试区。在本实施例中，该第五微通道1615的临近出口端的部位形成有废液缓存微通道1616。在本实施例中，在第一微通道1611的测试位置1611c所对应的盖片162上留有矩形槽，与计算机11通讯连接的微型温感探头(未示出)设置于盖片162的该矩形槽内，从而将恒温储液微通道内的温度实时反馈给制冷装置164，实现恒温储液微通道内的精确的温度控制。在本实施例中，该电磁阀163为两位三通电磁阀。在本实施例中，该加热装置165为外置的金属微加热电极，其为溅射在玻璃基底上的图案化的Pt电极，从而满足加热区的横向跨度仅为0.5-1mm的要求。

结合上述快速温度跃升微流芯片系统的具体结构，以下详细说明本发明的工作流程：将芯片16固定支架15上，然后将支架15固定在二维调整平台12上，通过计算机11调节水平位置调节模块121和垂直位置调节模块122，将芯片16的第五微通道1615的某一位置对准同步辐射光斑。随后通过计算机11设置注射泵13的进样体积和进样速度，将第一阀口132设为进样阀口，同时通过计算机11设置电磁阀163的工作状态，使得第一微通道1611的出口端1611b与第二微通道1612的出口端1612b连通，启动进样操作后，注射泵13将样品溶液从第一容器141吸入到第一微通道1611中。开启制冷装置164，在第一微通道1611的测试位置1611c处的微型温感探头显示第一微通道1611内液体恒定在设定温度后，通过计算机11设置电磁阀163的工作状态，使得第一微通道1611的出口端1611b与第三微通道1613的入口端1613a连通，并控制注射泵13将第一微通道1611内的液体经由第三微通道1613快速推进到第四微通道1614。与此同时，计算机11接通加热装置165的控制电路，在第四微通道1614内延展流动的样品溶液与加热装置165发生较为强烈的对流换热，溶液温度迅速跃升。温度跃升后的样品溶液持续流入第五微通道1615，打开光束快门，进行同步辐射X射线测量。

测量完成后，设置注射泵13的进样体积和进样速度，并将第三阀口134设为进样阀口，启动进样操作后，注射泵13将清洗液从第三容器143吸入到注射泵13内。设定第一阀口132为进样口，通过计算机11设置电磁阀163的工作状态，使得第一微通道1611的出口端1611b与第三微通道1613的入口端1613a连通，启动排样操作后，注射泵13将其内部的清洗液推进到微流芯片通道内，清洗液经由第一微通道1611、第三微通道1613、第四微通道1614和第五微通道1615后，排入到第二容器142。另外，当注射泵13的第二阀口133设为进样阀口时，同上述操作，可将空气通入微流芯片通道内，实现微通道干燥功能。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种快速温度跃升微流芯片系统，其特征在于，包括：

芯片，该芯片包括基片、盖片、电磁阀、制冷装置和加热装置，基片具有微流通道，该微流通道依次形成恒温储液区、温度跳变区和测试区，盖片覆盖并密封基片，电磁阀连通微流通道，制冷装置紧贴基片的恒温储液区设置，加热装置紧贴基片的温度跳变区设置，测试区暴露于同步辐射光的照射下进行测试；

用于安装固定该芯片的支架；

用于调节支架的位置的二维调整平台，该二维调整平台包括水平位置调节模块和垂直位置调节模块；以及

注射泵，该注射泵具有本体和与该本体相连的第一阀口，所述阀口与芯片的微流通道连通。

2.根据权利要求1所述的快速温度跃升微流芯片系统，其特征在于，微流通道包括相对独立的第一微通道、第二微通道和第三微通道，其中，第一微通道的入口端与注射泵相连通，第一微通道的出口端与电磁阀相连，第二微通道的入口端与样品液体相连通，第二微通道的出口端与电磁阀相连，第三微通道的入口端与电磁阀相连。

3.根据权利要求2所述的快速温度跃升微流芯片系统，其特征在于，微流通道还包括依次设置于第三微通道下游的第四微通道和第五微通道，该第四微通道形成温度跳变区，该第五微通道形成测试区。

4.根据权利要求3所述的快速温度跃升微流芯片系统，其特征在于，第四微通道为宽度先发散后收敛的微通道。

5.根据权利要求3所述的快速温度跃升微流芯片系统，其特征在于，与第一、第二、第三和第五微通道相比，第四微通道的宽度较大且深度较小。

6.根据权利要求2所述的快速温度跃升微流芯片系统，其特征在于，该芯片还包括有设置于第一微通道的测试位置处的温感探头。

7.根据权利要求1所述的快速温度跃升微流芯片系统，其特征在于，该注射泵还包括与空气连通的第二阀口。

8.根据权利要求1所述的快速温度跃升微流芯片系统，其特征在于，该注射泵还包括与清洗液连通的第三阀口。

9.根据权利要求1所述的快速温度跃升微流芯片系统，其特征在于，该支架包括底板和垂直于该底板的安装板，该安装板具有贯通孔，芯片被固定于该贯通孔内。

10.根据权利要求1所述的快速温度跃升微流芯片系统，其特征在于，该加热装置为溅射在玻璃基底上的图案化的Pt电极。