一种兼具可视化和红外热成像功能的微流控芯片实验平台

技术领域

本发明涉及流体流动行为观测与流体反应、相变的微观机理研究技术领域，具体涉及一种兼具可视化和红外热成像功能的微流控芯片实验平台。

背景技术

微流控芯片实验室，又称其为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片(Microfluidic Chip)，微流控芯片是微流控技术(Microfluidics)实现的主要平台。其装置特征主要是其容纳流体的有效结构(通道、反应室和其它某些功能部件)至少在一个纬度上为微米级尺度，操控微小体积的流体在微小空间中的活动，在微小的芯片上构建化学或生物实验室，从而将多种化学和生物学的过程集成到快速和自动的微流控系统。由于微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能，因此发展出独特的分析性能，具有广泛应用的前景和市场。

单晶硅和玻璃是最早用于微流控应用的原始材料。其中，单晶硅作为第一种应用于微流控芯片的材料，具有优越的导热性，表面稳定性，对有机溶剂的耐受性和容易金属沉积等显著优势。单晶硅也是目前应用最多的红外光学材料，在红外波段(3～5μm)具有良好的透过率，可用于热成像的窗口。玻璃作为微流控芯片的重要基材之一，具有非常好的透明性、化学稳定性、大范围的光吸收系数以及较好的生物兼容性等优点。

当进行光学检测时，硅无法透过可见光，较差的透光性限制了相关观测手段的应用。此外，由于相比其他材料更高的价格，硅基微流控芯片并未广泛应用于微流控研究领域。为充分利用硅基材料的红外光学性能和良好的化学惰性和热稳定性等优点，本发明提出一种兼具可视化和红外热成像功能的微流控芯片实验平台，实验平台所采用的单晶硅-玻璃键合芯片在确保了微流控芯片可视化优点的基础上，耐压强度更高、温控效果更好，在耐压夹具和温控平台的帮助下，可实现常压-30MPa、-100–600℃温压场条件下的观测。此外，通过与热成像仪联用，可准确获得芯片内部的相变和热传递过程，并与另一侧的可见光观测相耦合，方便开展如水合物生成与分解、地热开发、热采等研究。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种兼具可视化和红外热成像功能的微流控芯片实验平台，实验平台采用兼具可视化和热成像功能的单晶硅-玻璃微流控芯片实验平台，耐压强度更高、温控效果更好。

一种兼具可视化和红外热成像功能的微流控芯片实验平台，所述实验平台包括单晶硅-玻璃微流控芯片、耐压夹具、冷热台、相差显微镜、热成像仪和固定支架，单晶硅-玻璃微流控芯片与耐压夹具相连，耐压夹具固定在冷热台上，所述冷热台与固定支架连接，相差显微镜通过固定支架固定在所述单晶硅-玻璃微流控芯片正上方，热成像仪通过固定支架固定在冷热台正下方，所述相差显微镜、单晶硅-玻璃微流控芯片和热成像仪的成像通路保持在同一条铅垂线上。

进一步地，所述单晶硅-玻璃微流控芯片由一块厚度为0.5mm的硅基板和一块0.5mm厚的玻璃基板阳极键合而成，所述玻璃基板设置在硅基板上方。

进一步地，所述单晶硅-玻璃微流控芯片包括进液口、入口通道、第一入口匀流区、第二入口匀流区、芯片主体非均质区、第一出口匀流区、第二出口匀流区、出口通道和出液口。

进一步地，所述进液口、入口通道、第一入口匀流区、第二入口匀流区、芯片主体非均质区、第一出口匀流区、第二出口匀流区、出口通道和出液口均蚀刻于下层硅基板。

有益效果：本发明所述的兼具可视化和热成像功能的单晶硅-玻璃微流控芯片实验平台，本发明运用了玻璃和单晶硅的物理特性；玻璃面(上部)继续发挥了微流控芯片的可视化优势，利用相差显微镜可以对芯片内部的流体行为进行实时、准确的观测；而单晶硅(下部)作为目前应用最多的红外光学材料，在红外波段(3～5μm)具有良好的透过率，与热成像仪联用，实现了对芯片内部热量变化的实时监测，这允许研究者们通过实验芯片内部的热变化确定实验过程中相变和热传递过程，并与另一侧的可见光观测相耦合，实现可见光、热分布的同时“双可视”，由玻璃和硅片粘合而成的微流控芯片比玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等常规材质芯片的耐压强度更高、温控效果更好，方便开展如地热开发、石油热采、化学吸放热反应、水合物生成与分解、生物医药等一些列流热耦合的相关研究。由玻璃和硅片粘合而成的芯片比单一玻璃制或硅制芯片的耐压强度更高、温控效果更好，在耐压夹具和温控平台的帮助下，可实现常压–30MPa、-100–600℃温压场条件下的观测。

附图说明

图1为本发明的平面结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

兼具可视化和热成像功能的单晶硅-玻璃微流控芯片实验平台，包括：单晶硅-玻璃微流控芯片1，耐压夹具2，冷热台3，相差显微镜4，热成像仪5，固定支架6。单晶硅-玻璃微流控芯片1与耐压夹具2相连，耐压夹具2固定在冷热台3上，相差显微镜4通过固定支架6固定在单晶硅-玻璃微流控芯片1正上方，热成像仪5通过固定支架6固定在冷热台3正下方。相差显微镜4、单晶硅-玻璃微流控芯片1与热成像仪5的成像通道保持在同一条铅垂线上。

所述的新型耐压、“双可视”单晶硅-玻璃微流控芯片实验平台的微流控芯片，包括：进液口，入口通道，第一入口匀流区，第二入口匀流区，低渗区，高渗区，第一出口匀流区，第二出口匀流区，出口通道和出液口。

新型耐压、“双可视”单晶硅-玻璃微流控芯片实验平台的微流控芯片由一块厚度为0.5mm的硅基板和一块0.5mm厚的玻璃基板阳极键合而成。其中进液口，入口通道，第一入口匀流区，第二入口匀流区，低渗区，高渗区，第一出口匀流区，第二出口匀流区，出口通道，出液口均蚀刻于底层硅基板。

本发明所述的兼具可视化和热成像功能的单晶硅-玻璃微流控芯片实验平台的微流控芯片由一块厚度为0.5mm的硅基板和一块0.5mm厚的玻璃基板阳极键合而成。

兼具可视化和热成像功能的单晶硅-玻璃微流控芯片实验平台的微流控芯片是通过干法刻蚀而成的。

本发明所述的新型的耐压、“双可视”微流控芯片实验平台的热成像仪5与相差显微镜4分居单晶硅-玻璃微流控芯片1两侧，相差显微镜4可透过芯片玻璃面顶面对芯片内部的物质变化、流体行为等进行实时观测，热成像仪5可以接收来自芯片硅面底面传来的红外光，这允许研究者们通过实验芯片内部的热变化确定实验过程中相变和热传递过程，并与另一侧的可见光观测相耦合，方便开展如水合物生成与分解、地热开发、热采等研究。

具体操作方式：天然气水合物的形成。

1、通过CAD软件设计的微流控芯片，在芯片端口通过耐压夹具连接不锈钢管线；

2、在进液口手动注入乙醇溶液排除芯片内的气体，直至芯片饱和乙醇；

3、在进液口注入去离子水排除芯片内的乙醇，使管路饱和去离子水；

4、将进液口与CO

5、通过冷热台，控制芯片内部的温度在不同的数值，用CO

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。