專利名稱：一種用于快速測量界表面張力的微流控芯片裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于本發(fā)明屬于微流控芯片技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于快速測量界 表面張力的微流控芯片裝置。
背景技術(shù)：
20世紀90年代初，分析化學工作者提出了微全分析系統(tǒng)(pTAS)的思想。 微全分析系統(tǒng)是將整個分析化學實驗室的常用功能集成到厘米甚至毫米尺度的 平臺上，使之微型化、自動化、高度集成化和便攜化。目前微全分析系統(tǒng)在分析 儀器和分析科學領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，成為目前的研究熱點，并引導分析化學和 生物化學技術(shù)向著微型化、集成化和便攜化的趨勢發(fā)展。在微全分析系統(tǒng)里，微 流控芯片是最主要的研究方向。利用微加工工藝在玻璃或者高聚物材料上制作出 微槽、微閥、微混合器、微檢測器等功能單元，從而構(gòu)成一個可以獨立運行的微 型檢測系統(tǒng)。微流控芯片最重要的功能是可以在芯片內(nèi)對流體進行可控的操作， 包括進樣、輸送、混合、分離和反應(yīng)等，從而在化學、生物學等領(lǐng)域具有廣泛的 應(yīng)用前景。
界表面張力是液一液、氣一液體系的重要物理化學性質(zhì)之一。在食品、醫(yī)藥、 化妝品、涂料、造紙、多相反應(yīng)和萃取等眾多科學和工程應(yīng)用領(lǐng)域，界表面張力 是決定體系性質(zhì)的重要因素之一。目前測定界表面張力的常用方法有測定力的 方法，如吊環(huán)法和吊片法，需要精確的測定圓環(huán)或平板在與液體接觸時受到的作 用力；測定壓強的方法，如最大氣泡法，需要測定氣泡在形成過程中內(nèi)部的壓強; 測定形狀的方法，如旋轉(zhuǎn)液滴法和懸滴法，需要對液滴的外形輪廓進行精確的測定以及復雜的數(shù)學處理；滴重法，測定液體在一定時間內(nèi)從毛細管中下落的液滴 的重量來推算液體的表面張力；毛細管上升法，測定液體在毛細管內(nèi)的上升高度 來推算體系的界表面張力。這些方法普遍存在著樣品消耗量大，測定時間長，數(shù) 據(jù)處理過程復雜等不足。因此，開發(fā)快速高效、樣品用量少和準確可靠的界表面 張力測量裝置具有非常重要的科學意義和實際價值。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種用于快速測量界表面張力的微流控芯片裝置，通過 測定在一定實驗條件下的液滴或氣泡尺寸，根據(jù)液滴或氣泡形成過程的受力平衡 分析，測得體系的界表面張力。為實現(xiàn)所述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種用于快速測量界表面張力的微流控芯片裝置，包括一基片它包括基材l、連續(xù)相流體入口管ll、分散相流體入口管12、流體 出口管13四個部分。所述基材1上開有一個十字型凹槽；分散相流體入口管12 和流體出口管13分別嵌入到基材1的凹槽內(nèi)形成同軸套管結(jié)構(gòu)；連續(xù)相流體入 口管11嵌入到兩側(cè)的凹槽內(nèi)與所述同軸套管相連；一蓋片所述蓋片緊密貼合在所述基片的上表面上將所述凹槽進行密封。 所述分散相流體入口管12為微型毛細管，其內(nèi)徑為20微米 500微米，材 質(zhì)為特氟龍、玻璃、石英玻璃或不銹鋼。所述流體出口管13為玻璃毛細管，其內(nèi)徑為100微米 1000微米。 所述分散相流體入口管12的外徑小于所述流體出口管13的內(nèi)徑。 所述基材1的材質(zhì)為玻璃或PMMA。在本發(fā)明中，使用成熟的濕法蝕刻技術(shù)、Soft-LIGA技術(shù)或機械微加工技術(shù) 在玻璃基片或PMMA基片上加工出尺寸不同的凹槽，并將微型毛細管12和玻璃 毛細管13分別嵌入到基材1相應(yīng)位置的凹槽內(nèi)形成同軸套管結(jié)構(gòu)，使用載玻片或有機玻璃薄片作為蓋板密封組裝成芯片。操作時連續(xù)相和分散相流體分別在流
體泵的輸送下從連續(xù)相入口管11和分散相入口管12進入微流控芯片裝置，在連'
續(xù)相流體流動剪切力的作用下，分散相流體在微型毛細管的端口破碎形成均勻的 微小液滴或氣泡，通過采用高速顯微圖像采集系統(tǒng)記錄形成液滴或氣泡的尺寸， 并根據(jù)微尺度下液滴或氣泡的受力平衡分析，測得體系的界表面張力。
本發(fā)明中的用于快速測量界表面張力的微流控芯片裝置的測量原理如下 在微流控芯片裝置中，當液滴或者氣泡形成時，與質(zhì)量有關(guān)的力如慣性力和 浮力可以忽略不計，而連續(xù)相流體流動產(chǎn)生的粘性剪切力和界面張力成為影響液 滴或氣泡尺寸的主要作用力。當這兩個力相等時，液滴或氣泡即從微型毛細管的 端口脫落。根據(jù)受力平衡方程
&《
其中，F(xiàn)d表示作用與液滴或氣泡上的連續(xù)相流體流動產(chǎn)生的粘性剪切力,F。 表示由界面張力或表面張力產(chǎn)生的力。
根據(jù)文獻報道結(jié)果，粘性剪切力可以用下式表示-
其中，kD為粘性作用系數(shù)，對于一定微結(jié)構(gòu)而言，它是一個常數(shù)。匚為 連續(xù)相流體相對于形成液滴或者氣泡的平均運動速度，《為液滴或者氣泡尺寸， &為連續(xù)相液體粘度。乙和^的值可以由以下兩式計算得到
其中，Qd和Qc分別為分散相和連續(xù)相流量，Din為流體出口管13的內(nèi)徑。 由界面張力或表面張力產(chǎn)生的力可以由下式表示其中dn為微型毛細管內(nèi)徑，0為體系的界面張力或表面張力。綜合以上各式， 可得
V (" C ).《'〃c =
《
這樣，我們可以得到液滴或氣泡尺寸與體系物性及操作條件之間的定量關(guān)系
為
釘 , (T
=-^——=^= ~=——=^^
~如-"》 A("c-"》
其中，對于一定的微流控芯片而言，k為一常數(shù)，它的值可以通過采用已知 界面張力和連續(xù)相粘度的標準體系測得。進而通過采用高速顯微圖像采集系統(tǒng)記 錄不同條件下形成的液滴或氣泡的尺寸，通過上式便可以計算得到體系的界面張 力或表面張力。
本發(fā)明中的裝置適合測定的樣品包括水溶液和大部分有機溶液的表面張力， 以及多種液-液體系的界面張力，測定高揮發(fā)性液體時也可以得到較為準確的數(shù)
據(jù)，因為在微尺度密閉空間中液體基本不揮發(fā)。測定有毒液體也更為安全，因為 樣品用量少。此外，該裝置也適用于含有表面活性劑的體系。
本發(fā)明提供的用于界表面張力測定的微流控芯片裝置具有以下優(yōu)點
1. 待測樣品用量少， 一般為10 500pL。
2. 測定樣品速度快， 一般耗時小于1分鐘。
3. 適合測定高揮發(fā)性以及高毒性的樣品，也適用于含有表面活性劑的體系。
4. 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，易于批量生產(chǎn)。 它具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、快速高效、樣品用量少和準確可靠的優(yōu)點。


圖1為一種用于快速測量界表面張力的微流控芯片裝置基片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1所示A處的放大圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種用于快速測量界表面張力的微流控芯片裝置，下面結(jié)合附 圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。所述芯片裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為圖1所示A處連接關(guān)系的放大示意 圖。在本發(fā)明中，使用成熟的濕法蝕刻技術(shù)或機械微加工技術(shù)在玻璃基片或 PMMA基片上加工出尺寸不同的凹槽，并將分散相流體入口管12和流體出口管 13分別嵌入到基材1相應(yīng)位置的凹槽內(nèi)形成同軸套管結(jié)構(gòu)，使用載玻片或有機玻 璃薄片作為蓋板密封組裝成芯片。操作時連續(xù)相和分散相流體分別在流體泵的輸 送下從連續(xù)相入口管11和分散相入口管12進入微流控芯片裝置，在連續(xù)相流體 流動剪切力的作用下，分散相流體在微型毛細管的端口破碎形成均勻的微小液滴 或氣泡，通過采用高速顯微圖像采集系統(tǒng)記錄形成液滴或氣泡的尺寸，并根據(jù)微 尺度下液滴或氣泡的受力平衡分析，測得體系的界面張力或表面張力。實施例1使用濕法蝕刻技術(shù)在玻璃基片上加工出寬度分別為50微米和210微米的方 形凹槽，將外徑45微米、內(nèi)徑20微米及外徑200微米、內(nèi)徑100微米的毛細管 嵌入到凹槽中形成同軸套管結(jié)構(gòu)，使用載玻片作為蓋板密封組裝成芯片。使用該 芯片裝置進行含有不同濃度表面活性劑SDS的水溶液表面張力測定，表面張力 范圍在33 72mN/m之間。對于不同的水溶液體系，測得的表面張力與文獻值比 較，偏差在2%以內(nèi)。每次測量的樣品消耗量在10 30pL。實施例2使用機械微加工技術(shù)在PMMA基片上加工出寬度分別為105微米和360微 米的方形凹槽，將外徑100微米、內(nèi)徑50微米及外徑350微米、內(nèi)徑250微米 的毛細管嵌入到凹槽中形成同軸套管結(jié)構(gòu)，使用厚度為lmm的有機玻璃薄片作為蓋板密封組裝成芯片。使用該芯片裝置進行正丁醇-水、正辛醇-水、苯-水、甲
苯-水等液液體系的界面張力測定，界面張力范圍在1.7 40mN/m之間。對于不 同的液液體系，測得的界面張力與文獻值比較，偏差在3%以內(nèi)。每次測量的樣 品消耗量在60 150pL。 實施例3
使用機械微加工技術(shù)在PMMA基片上加工出寬度分別為310微米和710微 米的方形凹槽，將外徑300微米、內(nèi)徑150微米及外徑700微米、內(nèi)徑500微米 的毛細管嵌入到凹槽中形成同軸套管結(jié)構(gòu)，使用厚度為lmm的有機玻璃薄片作 為蓋板密封組裝成芯片。使用該芯片裝置進行水相為含有不同濃度表面活性劑 Tween 20水溶液、油相為正己烷的液液體系界面張力測定，界面張力范圍在4.6 51mN/m之間。對于不同的液液體系，測得的界面張力與文獻值比較，偏差在2 %以內(nèi)。每次測量的樣品消耗量在200 300(^L。
實施例4
使用濕法蝕刻技術(shù)在玻璃基片上加工出寬度分別為105微米和310微米的方 形凹槽，將外徑100微米、內(nèi)徑40微米及外徑300微米、內(nèi)徑150微米的毛細 管嵌入到凹槽中形成同軸套管結(jié)構(gòu)，使用載玻片作為蓋板密封組裝成芯片。使用 該芯片裝置進行油相為含有不同濃度表面活性劑Span 80辛醇溶液、水相為去離 子水的液液體系界面張力測定，界面張力范圍在4.3 8.56mN/m之間。對于不同 的液液體系，測得的界面張力與文獻值比較，偏差在2%以內(nèi)。每次測量的樣品 消耗量在50 100nL。
從上述實施例可以說明本發(fā)明具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、快速高效、樣品用量少和 準確可靠的優(yōu)點，且適用于測定高揮發(fā)性、高毒性或者含有表面活性劑液-液、氣-液體系的界面張力或表面張力。本發(fā)明在不脫離其精神和本質(zhì)特征前提下，可以有多種具體實施方式
，應(yīng)當 理解上述實施例并不限于上述的任何細節(jié)，而應(yīng)該在所附權(quán)利要求所定義的精神 和范圍內(nèi)被廣泛地解釋，因此，所有落在權(quán)利要求的邊界和范圍內(nèi)的或者與這些 邊界和范圍等價的變化和修改都試圖包含在附加權(quán)利要求內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于快速測量界表面張力的微流控芯片裝置，其特征在于，所述芯片裝置的組成包括基片和蓋片所述基片的基材(1)上開有一個十字型凹槽；分散相流體入口管(12)和流體出口管(13)分別嵌入到基材(1)的凹槽內(nèi)形成同軸套管結(jié)構(gòu)；連續(xù)相流體入口管(11)嵌入到兩側(cè)的凹槽內(nèi)與所述同軸套管相連；所述蓋片緊密貼合在所述基片的上表面上將所述凹槽進行密封。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于快速測量界表面張力的微流控芯片裝置， 其特征在于，所述分散相流體入口管(12)為微型毛細管，其內(nèi)徑為20微米 500微米，其材質(zhì)為特氟龍、玻璃、石英玻璃或不銹鋼。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于快速測量界表面張力的微流控芯片裝置， 其特征在于，所述流體出口管(13)為玻璃毛細管，其內(nèi)徑為100微米 1000 微米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于快速測量界表面張力的微流控芯片裝置， 其特征在于，所述分散相流體入口管(12)的外徑小于流體出口管(13)的內(nèi)徑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于快速測量界表面張力的微流控芯片裝置， 其特征在于，所述基材(1)的材質(zhì)為玻璃或PMMA。
全文摘要
本發(fā)明公開了微流控芯片領(lǐng)域的一種用于快速測量界表面張力的微流控芯片裝置。其組成包括基片和蓋片所述基片的基材上開有一個十字型凹槽；分散相流體入口管和流體出口管分別嵌入到凹槽內(nèi)形成同軸套管結(jié)構(gòu)；連續(xù)相流體入口管嵌入到兩側(cè)的凹槽內(nèi)與所述同軸套管相連；所述蓋片緊密貼合在所述基片的上表面上將所述凹槽進行密封。所述微流控芯片裝置設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、易于批量生產(chǎn)，測量時具有快速高效、樣品用量少和準確可靠的優(yōu)點，且適用于測定高揮發(fā)性、高毒性或含有表面活性劑體系的界面張力或表面張力，在基礎(chǔ)研究和工業(yè)生產(chǎn)上都有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G01N13/02GK101294886SQ200810114728
公開日2008年10月29日 申請日期2008年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月11日
發(fā)明者蘭文杰, 徐建鴻, 李少偉, 璟 譚, 駱廣生 申請人:清華大學