[发明专利]一种微纳流体驱动装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种以电渗为驱动力的微纳流体的驱动装置。通过光聚合法制备泵元件来构建微“液压电池”，通过微“液压电池”的串联和并联构筑微“液压电池组”，可用于微纳分析，具体涉及构成微“液压电池”的泵元件的制备方法、条件的优化及其组装，属于分析化学技术领域。

背景技术

近年来随着微型分析仪器以及芯片技术的发展，作为微流体系统重要组成部分的微泵也受到越来越多的关注。目前微泵的种类很多，按照液体驱动形式主要分为两大类：机械型微泵和非机械型微泵。机械型微泵已经十分成熟并且达到商业化，但是这种机械型微泵不可避免的需要机械型结构，因此在实现微型化上有一定的局限性，而且不能够集成在芯片上，在微分析系统中的应用也因此受到了一定的限制。非机械型微泵相对于机械型微泵更容易集成于芯片上，因此获得了广泛的关注，以电渗驱动为原理的电渗泵就是其中一种最具潜力的高压非机械型微泵。与其他微泵相比，电渗泵具有以下优点：流向是双向可控的；流速和流量可以由外加电压的大小的改变来连续可调；可以产生稳定的无脉冲的流动；泵体没有活动的部件；能够很容易的集成于微流控芯片平台。

电渗驱动型微泵是由Pretorius等人（Journal of Chromatography,1974,99,23-30）首次提出的。这种以电渗驱动为原理的微泵工作原理类似于毛细管电色谱，通过在毛细管或者微通道内填充或者键合某种介质，来增加电渗流的逆流阻力，提高输出压力,从而实现对微流量液体的精确操控。目前以电渗驱动为原理的电渗泵可以分为四种类型：填充柱型、开管型、多孔膜型、整体柱型。其中整体柱在制作过程中不需要烧结塞子，制作过程简单，同时整体柱的孔材料和表面化学性质容易控制，因此整体柱是制备这种微泵的理想材料。而整体柱按照其制备材料通常分为两种：硅胶整体柱和有机聚合物整体柱。硅胶型整体柱存在一个主要缺点就是在碱性溶液中柱结构易瓦解，因此在实际应用中受到一定的限制。但是有机聚合物整体柱则能克服这一缺点，应用范围要相对广泛。目前制备有机聚合物整体柱的方法通常为热聚法，这种方法能够制备出多孔分布均匀、结构稳定、耐高压的整体柱，但是存在一个显著的缺点就是往往耗时较长。而采用光引发的方法制备整体柱则可克服这个问题。鉴于此，可以通过光聚法制备整体柱作为泵元件，用于构建一种以电渗为驱动力的微纳分析的驱动装置，并且对提高驱动装置的输出泵压进行研究。

发明内容

发明的目的是通过光聚法制备含有正或负电荷的整体柱，并且将制备的含有正或负电荷的整体柱作为泵元件连接在一起构成一个以电渗驱动为原理的微“液压电池”，通过将多个微“液压电池”进行串联或并联，在不提高外界施加电压的条件下，通过微“液压电池”的串联可以大幅度地提高输出的泵压，通过微“液压电池”的并联可以提高输出的流量，用以满足微纳分析的要求。

本发明采用如下技术方案：

一种微纳流体驱动装置，其由含有正、负电荷的整体柱作为泵元件，将含有正电荷的整体柱和含有负电荷的整体柱串联起来组成一个微“液压电池”，采用一台高压直流电源和两个外界电极施加电压，推动下游微纳通道内液体的流动，将电能转换成液压，从而产生稳定的输出压力，构筑成一个微纳流体的驱动装置。其中泵元件的制备是在经过硅烷化的微通道内通过原位聚合的方法将有机聚合物溶液采用光引发的方法聚合成含有正、负电荷的整体柱，这种在微通道内制备出来的带电荷的整体柱，即可作为微纳流体驱动装置的泵元件。

所述的微纳流体驱动装置的输出压力是两个整体柱泵元件的输出压力之和。

通过调节外加电压的方法来调节微“液压电池”的输出压力和微通道流量，压力范围是0～5000psi，微通道的流量可以达到1μL/min及以上。

将数个微“液压电池”串联起来组成微“液压电池组”，该微“液压电池组”的输出压力是相应的微液压电池的输出压力之和。

将多个微“液压电池”进行串联或并联，在不提高外界施加电压的条件下，通过微“液压电池”的串联提高了输出的泵压，通过微“液压电池”的并联提高输出的流量；用以满足微纳分析的要求。

构建微“液压电池”的泵元件即含有正、负电荷的整体柱，属于有机聚合物整体柱，该有机聚合物溶液由单体、交联剂、致孔剂和引发剂构成，其中单体是甲基丙烯酸丁酯，含有正电荷的功能单体是[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵，含有负电荷的功能单体是2-丙烯酰胺2-甲基丙磺酸、交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯，致孔剂由正丙醇、1,4-丁二醇和水组成；通过光聚合的方法将有机聚合物溶液在微通道内原位聚合制得有机聚合物整体柱，聚合时间为5～40分钟。