一種用于氣體分離的填充式微流控芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于氣體分離的填充式微流控芯片，包括上層玻璃基片、下層玻璃基片和微通道；其特征在于所述微通道位于上層玻璃基片和下層玻璃基片之間；微通道內(nèi)部填充有擔體，在擔體表面涂敷固定相，微通道上端設有進氣口，微通道下端設有出氣口，進氣口與出氣口位于上、下層玻璃基片的內(nèi)表面左側(cè)，且均與微通道內(nèi)部連通，上層玻璃基片和下層玻璃基片的外表面靠近進氣口和出氣口的一側(cè)對稱地設有凹槽。本發(fā)明微流控芯片采用獨特的微通道設計縮小了芯片本身的體積，采用填充式結(jié)構(gòu)提高了氣體的分離效果；同時配合專用的密封結(jié)構(gòu)能很好地實現(xiàn)微流控芯片的整體密封，采用螺紋緊固密封方式，可反復拆卸，且密封性好。
【專利說明】一種用于氣體分離的填充式微流控芯片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微流控芯片領(lǐng)域，特別是涉及一種用于氣體分離的填充式微流控芯 片。

【背景技術(shù)】
[0002] 微流控芯片是以分析化學為理論基礎(chǔ)，結(jié)合微機電加工技術(shù)（mems)方法，主要以 微管道網(wǎng)絡為結(jié)構(gòu)特征，被廣泛應用于分離分析、生物科學和生命醫(yī)學研究等眾多領(lǐng)域，是 當前微全分析系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的重點。
[0003] 氣體分離分析方法中，以氣相色譜法最為常見，而現(xiàn)代技術(shù)正逐漸將氣相色譜儀 器向著微型化的方面推進。氣相色譜儀上的氣體分離系統(tǒng)由于需要放在保溫箱中空浴加 熱，占據(jù)色譜儀很大的體積，使得色譜儀顯得體積比較龐大。
[0004] 而目前，微流控芯片還從來沒有用在氣相色譜儀上。這種得益于微機電加工技術(shù) 的微流控芯片技術(shù)是能把氣相色譜儀上任何主要部件集成到微型芯片上，使得系統(tǒng)集成 化。因此，微流控芯片成為解決氣相色譜儀器的微型化這一問題的有效方法，微流控芯片是 實現(xiàn)儀器便攜化、小型化，集成化的最佳選擇。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種用于氣體分離的填 充式微流控芯片。該芯片采用獨特的微通道，涂敷固定相，能很好地實現(xiàn)氣體的分離，且分 離效果好；采用專用密封結(jié)構(gòu)，解決了微流控芯片的密封問題。
[0006] 本發(fā)明解決所述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：設計一種用于氣體分離的填充式 微流控芯片，包括上層玻璃基片、下層玻璃基片和微通道；其特征在于所述微通道位于上層 玻璃基片和下層玻璃基片之間；微通道內(nèi)部填充有擔體，在擔體表面涂敷固定相，微通道上 端設有進氣口，微通道下端設有出氣口，進氣口與出氣口位于上、下層玻璃基片的內(nèi)表面左 偵牝且均與微通道內(nèi)部連通，上層玻璃基片和下層玻璃基片的外表面靠近進氣口和出氣口 的一側(cè)對稱地設有凹槽。
[0007] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明微流控芯片獨特的微通道設計縮小了芯片本身的體積， 采用填充式結(jié)構(gòu)提高了氣體的分離效果；本發(fā)明采用獨特的密封結(jié)構(gòu)能很好的用于微流控 芯片的密封，采用螺紋緊固密封方式，可反復拆卸，能承受承受lOMPa的壓力，且密封性好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明用于氣體分離的填充式微流控芯片一種實施例的左視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009] 圖2為本發(fā)明用于氣體分離的填充式微流控芯片一種實施例的圖1的A-A面的剖 視結(jié)構(gòu)不意圖；
[0010] 圖3為本發(fā)明用于氣體分離的填充式微流控芯片一種實施例的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011] 圖4為本發(fā)明用于氣體分離的填充式微流控芯片的密封結(jié)構(gòu)4的主視結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0012] 圖5為本發(fā)明用于氣體分離的填充式微流控芯片的密封結(jié)構(gòu)4的左視結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0013] 圖6為本發(fā)明用于氣體分離的填充式微流控芯片一種實施例加有密封結(jié)構(gòu)4的 A-A面的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖7為基于本發(fā)明用于氣體分離的填充式微流控芯片檢測得到的丁烷與乙醇混 合氣體的檢測結(jié)果示意圖；
[0015] 圖中，1.上層玻璃基片，2.下層玻璃基片，3.進氣口，4.密封結(jié)構(gòu)，5.微通道， 6.出氣口，8.擔體，9.固定相，10.凹槽，41.管路，42.緊固接頭，43.錐形密封體，44.金屬 螺紋緊固件，441.凸臺，442.螺紋孔。

【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合實施例及附圖進一步介紹本發(fā)明。下述實施例僅是對本發(fā)明的進一步詳 細地說明及解釋，并不以此限定本申請權(quán)利要求的保護范圍。
[0017] 本發(fā)明用于氣體分離的填充式微流控芯片（簡稱芯片，參見圖1-3)整體為矩形結(jié) 構(gòu)，包括上層玻璃基片1、下層玻璃基片2和微通道5 ;其特征在于所述微通道5位于上層玻 璃基片1和下層玻璃基片2之間；微通道5內(nèi)部填充有擔體8,在擔體8表面涂敷固定相9， 微通道5上端設有進氣口 3,微通道5下端設有出氣口 6,進氣口 3與出氣口 6位于上、下層 玻璃基片的內(nèi)表面左側(cè)，且均與微通道5內(nèi)部連通，上層玻璃基片1和下層玻璃基片2的外 表面靠近進氣口 3和出氣口 6的一側(cè)對稱地設有凹槽10。
[0018] 本發(fā)明的進一步特征在于所述擔體8是硅藻土、氟擔體，粒徑為80-160目。
[0019] 本發(fā)明的進一步特征在于所述微通道5為先采用噴砂刻蝕方法在上、下層玻璃基 片表面對稱的形成半敞開通道，再通過熱鍵合方法形成封閉通道。
[0020] 本發(fā)明的進一步特征在于所述微通道5呈S型或螺旋型，微通道5總長度為 0· 5_10m，內(nèi)徑為 l_6mm。
[0021] 本發(fā)明的進一步特征在于所述上層玻璃基片1和下層玻璃基片2均采用石英、硅、 玻璃，且兩者的熱膨脹系數(shù)相同。
[0022] 本發(fā)明的進一步特征在于該芯片還包括密封結(jié)構(gòu)4,該密封結(jié)構(gòu)（參見圖4-5)可 與進氣口 3或出氣口 6相連，包括管路41、緊固接頭42、錐形密封體43和金屬螺紋緊固件 44,所述金屬螺紋緊固件44下端設有凸臺441，凸臺441與微流控芯片外表面的凹槽10相 切合，金屬螺紋緊固件44的上端兩側(cè)均設有螺紋孔442 ;所述管路41與微流控芯片的進氣 口 3或出氣口 6相通，緊固接頭42與錐形密封體43中心均設有通孔，管路41下端通過錐 形密封體的通孔與錐形密封體43相連，管路41上端通過緊固接頭的通孔與緊固接頭42相 連，管路41插入金屬螺紋緊固件的螺紋孔442中，管路41下端正好插入進氣口 2或出氣口 6,緊固接頭42與金屬螺紋緊固件的螺紋孔442螺紋配合連接。
[0023] 本發(fā)明用于氣體分離的填充式微流控芯片（參見圖6)在使用時，金屬螺紋緊固件 上的凸臺441與微流控芯片外表面的凹槽10相連接，進氣口 3連接的是氣路系統(tǒng)，出氣口 6連接的是檢測系統(tǒng)，對于進氣、出氣均需要保證微流控芯片處于密封的體系中。針對出氣 口 6,將管路41下端插入錐形密封體43,同時管路41下端與出氣口 6相連，緊固接頭42緊 緊擠壓錐形密封體43變形，從而將出氣口 6密封。類似地，可實現(xiàn)對進氣口 3的密封。最 后通過同時螺旋擠壓進氣口 3和出氣口 6的緊固接頭42,使密封結(jié)構(gòu)4與微流控芯片緊密 相連，解決了其嚴格密封問題。
[0024] 本發(fā)明芯片的微通道5的制作方式采用噴砂刻蝕方法、濕法刻蝕，光刻、離子刻 蝕、激光切蝕等方法，在上、下層玻璃基片表面對芯片進行刻蝕的對稱的形成半敞開通道， 再通過熱鍵合方法形成封閉通道，即為最終的微通道5。本發(fā)明微通道5的總長度可根據(jù)被 分離氣體的性質(zhì)不同選擇〇. 5米至10米的長度，可根據(jù)擔體8填充物的不同，微通道5的 內(nèi)徑可以為1毫米至6毫米。本發(fā)明中所指擔體8可以是硅藻土、氟擔體等氣相色譜常用 擔體，粒徑均為80-160目。固定相9為PEG-20M、二甲基聚硅氧烷、5%苯基+95%甲基聚硅 氧烷、14%氰丙基苯基+86%甲基聚硅氧烷等氣相色譜常用固定相。固定相9及擔體8種類 的選擇適用于現(xiàn)有技術(shù)。
[0025] 本發(fā)明上層玻璃基片1和下層玻璃基2片均采用熱膨脹系數(shù)相同的石英、硅、鉻版 玻璃、Pyre X7740玻璃、派來克斯玻璃等玻璃材料。
[0026] 實施例1
[0027] 本實施例采用總長為1. 8m、內(nèi)徑為1mm的S型微通道5,擔體8為120目硅藻土， 固定相9為PEG-20M的微流控芯片。該芯片用于氣相色譜儀器中的分離系統(tǒng)，載氣帶動樣 氣通過氣路系統(tǒng)直接進入到氣體分離系統(tǒng)，氣體從進氣口 3進入芯片，根據(jù)塔板理論，樣氣 中不同組分與固定相9間的作用力類型及其強度不同，使得各不同組分在固定相9中的保 留時間不同，離開微流控芯片的時間不同，因而可以實現(xiàn)不同氣體組分在微流控芯片中進 行分離。分離后的氣體依次進入氣體檢測系統(tǒng)，不同組分不同濃度的氣體在氣體檢測系統(tǒng) 產(chǎn)生不同的電信號，該微流控芯片實現(xiàn)不同組分氣體的分離，降低樣氣消耗量，提高檢測裝 置的效率，微流控芯片尺寸微小，材料消耗少。本發(fā)明芯片屬于微流控芯片式填充色譜柱， 具有微型化、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高等特點，利用上述氣體檢測系統(tǒng)，采用本實施例中的芯片， 以氮氣作為載氣，溫度控制在50°C左右，載氣流量為20ml/min，光離子化檢測器米用電離 能為10. 6eV的紫外燈，對丁烷與乙醇氣體具有明顯的分離能力。通過數(shù)據(jù)庫的匹配，迅速 確定氣體種類，并定量分析出氣體各組分的含量（參見圖7)。經(jīng)過5次重復實驗，實驗數(shù)據(jù) 基本一致，說明本發(fā)明芯片的分離效果復現(xiàn)性好，數(shù)據(jù)可靠性高。
[0028] 本發(fā)明微流控芯片采用獨特的微通道5設計縮小了芯片本身的體積，采用填充式 結(jié)構(gòu)提高了氣體的分離效果；同時配合專用的密封結(jié)構(gòu)4能很好地實現(xiàn)微流控芯片的整體 密封，采用螺紋緊固密封方式，可反復拆卸，能承受承受l〇MPa的壓力，且密封性好。
[0029] 采用本發(fā)明制成的分離系統(tǒng)其體積大大減小，而且采用本發(fā)明芯片作為分離系 統(tǒng)，不用考慮傳統(tǒng)色譜柱容易折斷的問題，檢測精度更高；同時也減小了加熱裝置的尺寸， 分離溫度均勻，縮短分離時間，提高了檢測效率。
[0030] 本發(fā)明未述及之處均適用于現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于氣體分離的填充式微流控芯片，包括上層玻璃基片、下層玻璃基片和微通 道；其特征在于所述微通道位于上層玻璃基片和下層玻璃基片之間；微通道內(nèi)部填充有擔 體，在擔體表面涂敷固定相，微通道上端設有進氣口，微通道下端設有出氣口，進氣口與出 氣口位于上、下層玻璃基片的內(nèi)表面左側(cè)，且均與微通道內(nèi)部連通，上層玻璃基片和下層玻 璃基片的外表面靠近進氣口和出氣口的一側(cè)對稱地設有凹槽。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于氣體分離的填充式微流控芯片，其特征在于所述擔體是 硅藻土、氟擔體，粒徑為80-160目。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于氣體分離的填充式微流控芯片，其特征在于所述微通道 為先采用噴砂刻蝕方法在上、下層玻璃基片表面對稱的形成半敞開通道，再通過熱鍵合方 法形成封閉通道。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于氣體分離的填充式微流控芯片，其特征在于所述微通道 呈S型或螺旋型，微通道總長度為0· 5-10m，內(nèi)徑為l-6mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于氣體分離的填充式微流控芯片，其特征在于所述上層玻 璃基片和下層玻璃基片均采用石英、硅、玻璃，且兩者的熱膨脹系數(shù)相同。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于氣體分離的填充式微流控芯片，其特征在于該芯片還包 括密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)可與進氣口或出氣口相連，包括管路、緊固接頭、錐形密封體和金 屬螺紋緊固件，所述金屬螺紋緊固件下端設有凸臺，凸臺與微流控芯片外表面的凹槽相切 合，金屬螺紋緊固件的上端兩側(cè)均設有螺紋孔；所述管路與微流控芯片的進氣口或出氣口 相通，緊固接頭與錐形密封體中心均設有通孔，管路下端通過錐形密封體的通孔與錐形密 封體相連，管路上端通過緊固接頭的通孔與緊固接頭相連，管路插入金屬螺紋緊固件的螺 紋孔中，管路下端正好插入進氣口或出氣口，緊固接頭與金屬螺紋緊固件的螺紋孔螺紋配 合連接。
【文檔編號】B01L3/00GK104084248SQ201410327586
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】張思祥, 張旭, 周圍, 侯曉瑋, 楊新穎, 許艷杰, 王鳳嬌 申請人:河北工業(yè)大學