一种基于超疏水材料的桌面型微液滴化学反应实验平台的制作方法

1.本实用新型涉及化学、材料及机电领域，具体涉及一种基于超疏水材料的桌面型微液滴化学反应实验平台。


背景技术：

2.在化学分析和检测过程中，传统的化学反应往往需要消耗几十、几百毫升甚至更大体积的液体化学试剂。大量液体化学试剂的使用增加了实验成本与废液处理成本；化学反应器皿的清洗会造成大量水资源的浪费与污染，增加废水处理成本；大量的化学试剂消耗会造成从生产到运输以及使用过程中的环境污染与能源浪费。从源头上减少液体化学试剂的消耗可以有效解决这些问题。
3.微流控技术是目前进行微化学反应的常见方式，它使用微管道(尺寸为数十到数百微米)来处理或操纵微小流体，具有微型化、集成化的特点，通常又被称为微流控芯片、芯片实验室。利用微流控技术，可以将化学反应(包括进样、混合、反应、分离、检测)集成到一个微小芯片上来进行。微流控芯片一般通过光刻、蚀刻和机械加工的方法在硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷和聚甲基丙烯酸甲酯等材料上制作，存在制作设备价格昂贵，制备工艺复杂等缺点，导致其制作成本高昂，无法适用于普通的微液滴化学反应。
4.近年来，通过控制材料表面的浸润性来进行微液滴反应开始受到关注。中国发明专利(cn105833814b)提出了一种液滴自驱动式微反应器，通过亲
‑
疏水涂层梯度浸润性设计，在微反应器流道内，为微液滴提供驱动力实现液滴体积比的精确控制，液滴的充分混合和快速运输。然而，微流道的制备仍然采用了传统微流体芯片的掩膜光刻方法，表面处理过程也非常繁琐，制备成本难以降低。中国专利cn110523451a制备了一种磁性弹性超疏水基底，通过施加外界磁场，使反应器表面产生弹性凹陷，利用重力与液滴拉普拉斯力的协同作用，实现微液滴的输送、旋转搅拌和混合。该材料和方法仅在磁性弹性超疏水基底表面进行液滴的操作，无法实现液滴在三维空间的转移和移取，液滴的搅拌和混合效率低，无法用于实际的微液滴化学反应。中国专利cn207745854u设计了一种基于磁液弹珠的微反应器，通过控制磁场来控制具有超疏水/油特性的磁液弹珠，引发弹珠内部液体的剧烈对流，强化扰动，使得反应物充分混合。该方法将反应液滴与磁性颗粒粉末进行混合，混合的磁性颗粒会干扰微液滴的化学反应，影响反应结果。yang等人(advanced materials，2018，30(9)，1704912)采用3d打印技术制备了具有高粘附性打蛋器微结构的液滴微反应器，并进行了三氯化铁和氢氧化钠的微液滴反应实验，但其所述微反应器的制作过程较为复杂、成本较高，且在反应过程中无法进行振荡操作，功能较为单一。截至目前，能够实现微液滴的承接、移取或转移、混合反应的低成本方法和装置仍未报道，这也是目前实现微液滴化学反应的技术难点。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种普通的可以对微液滴化学反应的承接、无损转移、
振荡混合等一系列微化学反应操作的桌面型微液滴化学反应实验平台，且该实验平台结构简单，成本低。
6.为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：
7.一种基于超疏水材料的桌面型微液滴化学反应实验平台，包括：
8.主体框架，呈方框型结构；
9.操作平台，设于所述主体框架形成的腔体下部并与所述主体框架的侧部框架固定连接；
10.一个或多个承接件，在所述操作平台上设有用于固定承接件的对应缺口，缺口与所述承接件大小适配，承接件上设有可抽拉式的疏水容腔；
11.振荡件，其振荡平台设于所述操作平台上部，振荡平台通过其下表面转动连接的驱动杆穿过所述操作平台相应位置的孔与其下部的驱动组件连接，通过下部驱动组件实现振荡平台曲线形振荡；在振荡平台上设有疏水容腔；
12.移动控制件，四个直线光轴导轨分别设于主体框架的上部两相邻的侧部框架之间并与其固定连接，形成外周导杆；两根直线光轴导杆交叉成十字形状形成内腔导杆，内腔导杆外端部与外周导杆通过第一连接件滑动连接，两内腔导杆之间通过第二连接件相互连接；在第二连接件上设有竖向的微型导轨；
13.移液件，套筒与所述微型导轨滑动连接，套筒的底部与滴管上部套接，所述滴管的底部与移液头固定连接，在所述套筒侧壁设有负压吸液组件。
14.可选地，所述承接件包括与所述操作平台缺口边缘固定连接的抽拉托盘，抽拉托盘与操作平台缺口外缘下部之间形成滑道，抽拉板通过其两侧外缘部在滑道上滑动，超疏水碗状皿放置于抽拉板上。
15.可选地，所述振荡件的驱动组件包括与四个驱动杆连接的四个驱动轮，四个驱动轮固定在两根转动杆上，转动杆上套同步轮，电动机驱动同步带并且同步带驱动同步轮，从而使振荡平台呈波状振动。
16.可选地，所述移动控制件的第二连接件呈l型，内部设有供内腔导杆分别滑动的上、下独立的柱状滑动腔体，在连接件的纵向外侧壁上固定连接所述微型导轨滑道。
17.可选地，4个所述外周导杆的连接端设有带座轴承，带座轴承固定于主体框架侧部框架上。
18.可选地，所述套筒外壁上部设有一短杆，短杆穿过套筒侧壁的孔压在内部胶头上，所述套筒外壁底部设有一转轴，按压板的一端部与转轴活动连接，按压板的外延部分与短杆相接触，通过转动按压板，实现挤压胶头。
19.可选地，所述移液件套筒外壁的短杆下部横向固定设有两个按压板导向杆。
20.可选地，所述主体框架为铝形材质的长方体框架，框架间的连接面为透明材质板面；其中，主体框架相对的两个上梁分别设有合页和对应的门吸，上表面的透明材质板面可从一侧打开。
21.可选地，在所述操作平台上还设有废液区。
22.本实用新型的技术方案，具有如下优点：
23.本实验例提供了一种微液滴化学反应实验平台，主要包含微液滴承接部件、微液滴转移部件、微液滴振荡反应部件和废液暂存区，可完成微液滴化学反应所需的一系列操
作，为微化学反应的进行提供了全流程的空间和平台。
24.该微液滴化学反应实验平台为多功能一体化设计，将多个部件集于一身并进行了优化处理，提高了操作的连续性。平台尺寸可根据实际情况加大或缩小，用以增加或减少内部部件，具有较强的扩展性强。
25.该平台使用的超疏水铆钉及超疏水碗状器皿均可标准化生产，快速更换，并可重复使用一定次数；由于使用了超疏水材料，这类材料具有自清洁特性，该平台可实现多次微液滴化学反应而无需清洗。同时，反应液滴体积小，废液会极大减少，实现了化学反应的绿色环保；
26.该桌面型微液滴化学反应实验平台，通过微液滴进行化学反应，使得化学反应所需试剂大幅减少，可极大降低部分化学分析和化学检测的成本。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本实用新型化学反应实验平台整体结构示意图；
29.图2是本实用新型化学反应实验平台微液滴承接部件的结构示意图；
30.图3是本实用新型化学反应实验平台微液滴转移部件的结构示意图；
31.图4是本实用新型化学反应实验平台微液滴振荡反应部件的结构示意图；
32.图5是本实用新型化学反应实验平台主体框架的结构示意图；
33.图6是本实用新型化学反应实验平台机械控制组件的结构示意图；
34.图7是本实用新型化学反应实验平台微液滴振荡反应的工作过程示意图；
35.图中：
ⅰ‑
微液滴承接部件，
ⅱ‑
微液滴转移部件，
ⅲ‑
微液滴振荡反应部件，
ⅳ‑
废液缸，
ⅴ‑
主体框架，
ⅵ‑
机械控制组件，1
‑
超疏水碗状器皿，2
‑
超疏水碗状器皿，3
‑
抽拉板，4
‑
抽拉托盘，5
‑
移液头，6
‑
滴管，7
‑
圆形套筒，8
‑
短杆，9
‑
按压板，10
‑
超疏水碗状器皿，11
‑
振荡平台，12
‑
驱动杆，13
‑
驱动轮，14
‑
转动杆，15
‑
同步轮，16
‑
电动机，17
‑
铝型材，18
‑
三角形角件，19
‑
角槽连接件，20
‑
把手，21
‑
合页，22
‑
门吸，23
‑
操作平台，24
‑
内六角螺栓，25
‑
直线光轴导杆，26
‑
连接部件，27
‑
连接部件，28
‑
带座轴承，29
‑
微型导轨，30
‑
直线轴承。
具体实施方式
36.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实验例是本实用新型一部分实验例，而不是全部的实验例。基于本实用新型中的实验例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实验例，都属于本实用新型保护的范围。
37.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
38.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
39.实施例1
40.本实验例的微液滴化学反应实验平台，参见图1所示，包括：微液滴承接部件ⅰ、微液滴转移部件ⅱ，微液滴振荡反应部件ⅲ、废液缸ⅳ、主体框架
ⅴ
、机械控制组件
ⅵ
。
41.具体地，微液滴承接部件ⅰ参见图2所示，其核心为超疏水碗状器皿1，2，分别放置在两块抽拉板3上，抽拉板3放置在抽拉托盘4内，可实现推拉运动。抽拉托盘4固定在亚克力板材质操作平台23上。
42.具体地，微液滴转移部件ⅱ参见图3所示，移液头5由一经过超疏水处理的铆钉制成，滴管6由实验室常见一次性滴管制成，两者组装一起构成核心部件ⅱ。滴管6固定在圆形套筒7内。短杆8穿过圆形套筒7开口压在胶头上。按压板9与短杆8接触，一端可转动。按下按压板9即可挤压胶头，整个转移部件连接在微型导轨29上，实现上下滑动。滴管6的移液头5部分可通过替换不同大小的铆钉来抓取不同大小的液滴，铆钉超疏水表面的制作方法均一致。滴管6使用一次性滴管制作，因为此滴管6使用原理是提供内外压强差，并不直接接触液滴，故可重复使用。
43.进一步，平台后期可将微液滴转移部件ⅱ中的滴管6改进为微型气泵，实现微液滴的可控自动化吸取和释放；平台后期可采用程序控制和电机驱动等方法实现微液滴的可控自动化转移和反应。
44.具体地，微液滴振荡反应部件ⅲ参见图4和图7所示，该部件的核心为超疏水碗状器皿10，放置在振荡平台11上。振荡平台11为一圆环，下方与驱动杆12连接，四根驱动杆12与下方四个驱动轮13连接，驱动轮13固定在两根转动杆14上，转动杆14上套同步轮15，电动机16驱动同步带并且同步带驱动同步轮15，从而使振荡平台11呈波状振动，以达到使微液滴混合均匀的目的。驱动杆12与振荡平台11的连接可采用柔性连接，以提供更顺畅的振荡，更好的化学反应效果。振荡平台11上放置的超疏水碗状器皿10，与抽拉板3上超疏水碗状器皿可以为相同器皿。进一步，微液滴振荡反应部件ⅲ由步进电机驱动，通过改变电流信号控制步进电机，可以进行振荡时间、振荡强度的调节，针对不同的反应做出不同的振荡方案，可以进行更多种类的微液滴反应。
45.废液暂存区即废液缸ⅳ，用以暂时收集废液，节省实验时间。进一步，废液缸可采用超疏水材料，可实现完全无损转移废液。同时，废液缸增可加分格式结构，以储存不同批次实验废液，防止废液之间互相产生反应
46.具体地，主体框架
ⅴ
参见图5所示，是由12根铝型材17组成的长方体，铝型材之间通过三角形角件18用内六角螺栓24和t形螺母块固定。框架上方两侧分别固定一个把手20，作为门的相应位置安装合页21和门吸22，平台内部下方为一亚克力板材质的操作平台23，使用角槽连接件19固定在铝型材上。
47.具体地，机械控制组件
ⅵ
参见图6所示，四根直线光轴导杆25通过带座轴承28固定在铝型材17上，两根直线光轴导杆25组成十字形与正方形的导杆通过连接部件26和27连接，连接部件26安装可以上下滑动的微型导轨29，连接部件27与导轨间安装直线轴承30使其能沿导轨水平自由滑动，微型导轨29即用来安装微液滴转移部件。机械控制组件
ⅵ
用于辅助微液滴转移部件ⅱ，实现平稳、准确的液滴位置移动。
48.进一步，当主体框架
ⅴ
周围安装上透明亚克力板时，平台内部与外界是隔开的，通过抽出抽拉板3，将反应液滴投放到抽拉板上方的超疏水碗状器皿1和2中，再推回抽拉板3，即可实现反应液滴的投放。
49.实验例1
50.微液滴化学反应实验平台合成实验实施案例，本实施案例为金纳米粒子合成实验。
51.实施案例原理为：还原性物质硼氢化钠加入氧化性物质氯金酸后，氯金酸溶液中的部分金离子被还原成金单质,形成晶核之后，晶核生长，金离子全部被还原为金单质，形成金溶胶，由此制备金纳米粒子。液滴颜色由无色变为其他颜色，即可证明金纳米粒子的生成。
52.1)微液滴的投放：a.操作前抽拉板3上两个超疏水碗状器皿1和2状态为干燥无液滴；b.抽出推拉板3，用移液枪移取硼氢化钠微液滴，投放于右侧超疏水碗状器皿1上，硼氢化钠微液滴在器皿上呈超疏水状态；c.重复以上步骤，投放氯金酸微液滴于超疏水碗状器皿2上。投放后，两液滴静置时呈球状且能自由滚动，皆为超疏水状态，投放完毕。
53.其中的硼氢化钠微液滴，物质的量浓度为1.28
×
10
‑2mol/l，体积为15μl，颜色为透明无色；所述氯金酸微液滴，物质的量浓度为1.07
×
10
‑3mol/l，体积为15μl，颜色为淡黄色。
54.2)微液滴的转移：a.沿直线轴承30移动微液滴转移部件ⅱ，准备吸取硼氢化钠微液滴；b.半按住微液滴转移部件ⅱ上的按压板9，向下移动直至滴管6移液头5的超疏水表面与微液滴刚好相接触，缓慢略微松开按压板9，将微液滴吸住并向上抬起微液滴转移部件ⅱ，吸取硼氢化钠微液滴；c.微液滴转移部件ⅱ将硼氢化钠微液滴转移至微液滴振荡反应部件ⅲ处超疏水碗状器皿10内；d.重复(a)、(b)过程，吸取氯金酸微液滴，并转移至硼氢化钠微液滴上方；e.释放氯金酸微液滴，与硼氢化钠微液滴混合，微液滴颜色由无色变成灰黑色，金纳米粒子生成，转移微液滴前后，超疏水移液头5和超疏水碗状器皿均未发现液体试剂残留。
55.3)微液滴的振荡：通过微液滴转移部件ⅱ将两种微液滴投放到振荡平台11上的超疏水碗状器皿10内后，打开电动机16，让氯金酸和硼氢化钠混合液滴在超疏水表面自由滚动、振荡。a.微液滴振荡反应部件ⅲ向左倾斜；b.微液滴振荡反应部件ⅲ向后倾斜；c.微液滴振荡反应部件ⅲ向右倾斜；d.微液滴振荡反应部件ⅲ向前倾斜，反应液滴呈圆球状做周期性自由滚动，反应结束后，通过微液滴转移部件ⅱ将反应后的微液滴投放到废液缸ⅳ内；e.振荡15——20s后，混合液滴颜色变为均匀灰黑色，且不再变色。
56.实验平台基于上述实验例1的使用情况：微液滴在超疏水碗状器皿内可自由滚动，呈超疏水状态；微液滴转移前后无液滴残留，可实现无损转移；混合液滴振荡变色，可实现金纳米粒子合成反应。
57.实验例2
58.该实施案例为高锰酸钾溶液的鉴别实验。
59.该实施案例的原理为：酸性高锰酸钾溶液具有强氧化性，与草酸钠溶液完全反应后，七价锰酸根离子被还原为二价锰离子，微液滴颜色由紫红色变为无色，其余两种溶液与草酸钠溶液反应，均变为其他颜色。
60.1)待测液与检测液的投放：用移液枪分别投放待测液滴与检测液滴于抽拉板3的
左侧和右侧。
61.上述待测液依次为高锰酸钾溶液、酸性品红和靛蓝二磺酸钠混合溶液、碱性品红和靛蓝二磺酸钠混合溶液，体积各为15μl，颜色为紫红色。
62.步骤1)所述的检测液为物质的量浓度为0.03mol/l的草酸钠与1.56mol/l的硫酸混合溶液，体积为15μl。
63.实验例2步骤1)所述操作细节同实验例1步骤1)。
64.2)待测液与检测液的混合：先用微液滴转移部件ⅱ吸取检测液于微液滴振荡平台11上的超疏水碗状器皿10内，后用微液滴转移部件ⅱ吸取检测液，与待测液混合。
65.实验例2步骤2)所述操作细节同实验例1步骤2)。
66.3)待测液与检测液的振荡：通过微液滴转移部件ⅱ将两种微液滴投放到振荡平台11上的超疏水碗状器皿10内，打开电动机16，混合液滴在超疏水表面自由滚动、振荡，4min后观察颜色变化，得出鉴别结论。
67.实验例2步骤3)所述操作细节同实验例1步骤3)。
68.步骤3所述颜色变化为：紫红色变为无色、紫红色变为红色、紫红色变为淡蓝色。
69.步骤3所述鉴别结论为：1号溶液为高锰酸钾溶液，与预设结果相同。
70.实验平台基于实验例2的使用情况：微液滴在碗状器皿可自由滚动，呈超疏水状态；微液滴转移前后无液滴残留，可实现无损转移；混合液滴振荡变色，可实现高锰酸钾溶液的鉴别。
71.显然，上述实验例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。