关键词：
微流控芯片
PDMS多孔光热材料
蒸发浓缩
孔隙尺度
界面蒸发
摘要：
微流控芯片体积微小,比表面积高,在能量传递和物质传输方面颇具优势,因此具有样品消耗量小、反应迅速、灵敏度高、高度集成化、便于携带的特点。这使得微流控芯片在生化检测、材料合成、能源高效应用等领域极具应用前景。在生化分析和检测过程中,样品溶液浓缩处理是重要的中间环节,也是提高检测灵敏度的最佳方法。光热蒸发浓缩技术通过光照射在流体或者光热材料,产生光热效应对样品溶液进行加热,可以实现非接触式的样品浓缩,具有局部精确调节、迅速响应的特点。现有的微流控光热蒸发浓缩技术存在以下问题:(1)封闭式的光热蒸发微流控芯片,蒸发产生的蒸汽不易排出,导致蒸汽分压增大,会抑制蒸发,降低蒸发效率;(2)流道内蒸发产生气泡后形成两相流动,会出现气液界面不稳定的情况,影响蒸发稳定性;(3)缺乏高效的蒸发器结构的设计。多孔光热材料由于本身具有光热转化特性,并且可以将气液相分隔开,丰富的孔隙又可以方便蒸汽的排出,既提高了光热蒸发效率,又保证了蒸发的稳定性。但是现有的部分多孔光热材料不易于微流控芯片相结合,且制备方法复杂,不方便按需求灵活调节定制。基于以上问题,本文围绕多孔光热材料以及其在微流控芯片浓缩中的应用开展了系统研究。首先,制备了具有良好生物相容性且易于加工的PDMS多孔光热蒸发材料,研究光照强度、多孔层厚度、孔隙结构对光热蒸发性能的影响以及盐溶液蒸发特性,并提出能量高效利用和防止析盐的方法。然后,用光刻的方法加工孔隙网络微通道,通过可视化实验,研究多孔材料孔隙尺度下光照强度、孔隙率和盐溶液浓度对光热蒸发特性的影响,揭示光热致孔隙网络流道中的界面蒸发与物质输运特性。最后,根据光热致多孔介质内物质传输特性规律,将制备的PDMS多孔材料集成到光热蒸发浓缩装置,设计具有多孔光热蒸发层的蒸发浓缩微流控芯片,研究光照强度、流量等运行条件对光热蒸发浓缩效果的影响,并测试了硫酸铜溶液和溶菌酶溶液的浓缩效果,提出浓缩效果的调控方法。本文获得的主要结论如下:(1)基于PDMS与碳纳米颗粒,通过盐模板法制备了光热多孔材料,制备方法简单,可以根据需要调控孔隙和厚度。制备的PDMS多孔材料具有良好的工艺性能和优异的光热蒸发特性,一个太阳辐照条件下,蒸发速率可以达到1.36 kg/(m·h),光能-蒸汽转化效率为77.89%。多孔层厚度增加会减少热量损失,进而提高蒸发速率。用于盐溶液光热蒸发时,蒸发速率随着盐溶液浓度增加而降低,孔隙尺寸的增加可缓解多孔材料析盐现象。(2)以微通道网络结构模拟多孔层二维切片,研究了光热多孔介质相变与组分传输过程。界面蒸发过程中,孔隙区域上开口处的气液界面在毛细力作用下保持稳定,蒸发发生在气液界面,蒸汽传输阻力远小于内部蒸发,有利于蒸发进行,蒸发效果明显提高提升。相同光照强度下,孔隙率增大时蒸汽传输阻力随之减小,有利于蒸发的进行,蒸发速率更高。用于盐溶液蒸发时,较大的孔隙,界面到液相主体扩散传质阻力较低,可以减少溶质结晶析出,有利于多孔光热介质在高溶液浓度工况下运行。(3)设计加工了具有多孔蒸发层的蒸发浓缩微流控芯片,探究了不同工作模式、入射光强、液相流量、工质种类等因素对其蒸发浓缩特性的影响规律。具有亲水多孔层的微流控芯片的蒸发浓缩效率更高,通过调节入射光强及溶液流量,可以在线调控浓缩倍率。通过探究不同种类工质浓缩性能,表明设计的微流控浓缩芯片具有良好的工质适应性。
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