一种制备气-水-油-固-生多相多组分流体的微流控装置

本发明涉及水文、油气、地矿、及碳封存等，更具体的说是涉及一种制备气-水-油-固-生多相多组分流体的微流控装置。

背景技术：

1、多相流体是指两种或两种以上不同化学组分、不同物理状态的流体或固体颗粒混合而成的流体系统。在气-水-油-固-生多相流体中，气、水、油作为流体相，固体和生物物质作为颗粒相或离散相。在该多相与多组分流体体系中，气、水、油、固、生五种相态同时存在，各相之间有明显的界面；在流动过程中，各组分之间可能发生传质、传热和相变等现象，导致流体特性处于动态变化中。同时组分的多样性以及相互作用使得该流体的行为及流动特性难以用简单模型进行描述，故针对气-水-油-固-生多相与多组分流体的研究仍面临诸多挑战。

2、微流控芯片装置，又称为芯片实验室，是一种在微米尺度空间对流体进行操控的科学技术装置。微流控芯片看起来像显微镜载玻片，但内部通道为微米级，这些微通道通常连接到外部泵，以通过微孔管将纳升流体驱动到微通道中。微流控芯片利用微流道内壁的表面张力和流道几何结构的设计，通过控制流体流动的速度和方向来实现对流体的精确操控，从而完成液体的分离、混合、传输等操作。微流控芯片技术在多个领域有着广泛的应用：如在生物医药领域，微流控芯片技术可用于核酸分离和定量、dna测序、基因突变和基因差异表达分析、蛋白质的筛分、药物研究等；在新药物合成与筛选领域，微流控芯片技术可提供高通量化的药物筛选平台，降低药物筛选成本；在环境监测领域，微流控芯片技术在水质监测、空气污染物检测等方面发挥作用。

3、当前，受到试验条件的限制，气-水-油-固-生多相与多组分流体的相关试验较少，且主要集中在水-气两相渗流的研究，而针对多相与多组分共存状态下多相流体的制备以及研究未见报道。与此同时，对于水文、油气、地矿、及碳封存等领域，研制气-水-油-固-生多相与多组分流体的制备装置与方法是具有重要意义的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种制备气-水-油-固-生多相多组分流体的微流控装置。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种制备气-水-油-固-生多相多组分流体的微流控装置，其特征在于，包括：微流控芯片基底层、薄膜层和微流控芯片上层；

4、所述薄膜层设置在所述微流控芯片基底层和所述微流控芯片上层之间；

5、所述微流控芯片基底层上设有多条连续相流道和混流通道，所述连续相流道具有入口，所述连续相流道的出口连接所述混流通道的入口，所述混流通道具有出口；

6、所述微流控芯片上层上设有多条离散相流道，所述离散相流道具有入口，所述离散相流道尽头设置有储藏池；

7、所述薄膜层在所述微流控芯片基底层上的连续相流道与所述微流控芯片上层的离散相流道相交处设置有喷嘴。

8、优选的，所述微流控芯片基底层和所述微流控芯片上层为硬pdms材质，所述薄膜层为软pdms、pet或pc材质。

9、进一步的，所述软pdms中主剂和固化剂质量比为1：25-1：10。

10、优选的，所述微流控芯片基底层和所述微流控芯片上层利用模具法进行制作，通过软光刻技术或纳米压印技术制作连续相流道、混流通道、离散相流道和储藏池，所述薄膜层利用旋涂机进行旋涂制作。

11、优选的，所述微流控芯片基底层和所述微流控芯片上层厚度为0.2mm-10mm，所述薄膜层厚度、流道宽度、高度为1μm-100μm，所述储藏池宽度、高度为1μm-20μm，所述喷嘴尺寸为0.001μm-10μm。

12、优选的，所述薄膜层与所述微流控芯片基底层、微流控芯片上层之间均通过等离子技术键合。

13、优选的，所述喷嘴为长方形、圆形或椭圆形。

14、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种制备气-水-油-固-生多相多组分流体的微流控装置，具有如下有益效果：

15、本发明可以通过多个通道向微流控芯片中注入不同比例的多组分流体，形成含有气-水-油-固-生的多相与多组分混合流体。本发明结构简单，无需复杂的加工工艺以及昂贵的设备，能够通过注射泵或控制系统调节注入压力和流速以达到动态调整混流流道中制备出多种直径的泡沫流体，并结合其他喷嘴实现多相多组分流体制备，以此实现混合流体中含复杂泡沫形态的不同相态与不同组分比例的动态调节，同时可考虑携带固体颗粒物与生物基质或其他相态流体的能力；并在试验中实现气-水-油-固-生等多相与多组分流体中实现泡沫直径、体积与比例的动态调节和多相与多组分的流动-传质-传热-反应-冲蚀以及沉淀等复杂物理化学过程，达到对多相多组分流体复杂物理与化学过程的高精度控制。本装置及方法可为水文、油气、地矿及碳封存等领域的研究提供基础试验装置。

技术特征：

1.一种制备气-水-油-固-生多相多组分流体的微流控装置，其特征在于，包括：微流控芯片基底层、薄膜层和微流控芯片上层；

2.根据权利要求1所述的一种制备气-水-油-固-生多相多组分流体的微流控装置，其特征在于，所述微流控芯片基底层和所述微流控芯片上层为硬pdms材质，所述薄膜层为软pdms、pet或pc材质。

3.根据权利要求2所述的一种制备气-水-油-固-生多相多组分流体的微流控装置，其特征在于，所述软pdms中主剂和固化剂质量比为1：25-1：10。

4.根据权利要求1所述的一种制备气-水-油-固-生多相多组分流体的微流控装置，其特征在于，所述微流控芯片基底层和所述微流控芯片上层利用模具法进行制作，通过软光刻技术或纳米压印技术制作连续相流道、混流通道、离散相流道和储藏池，所述薄膜层利用旋涂机进行旋涂制作。

5.根据权利要求1所述的一种制备气-水-油-固-生多相多组分流体的微流控装置，其特征在于，所述微流控芯片基底层和所述微流控芯片上层厚度为0.2mm-10mm，所述薄膜层厚度、流道宽度、高度为1μm-100μm，所述储藏池宽度、高度为1μm-20μm，所述喷嘴尺寸为0.001μm-10μm。

6.根据权利要求1所述的一种制备气-水-油-固-生多相多组分流体的微流控装置，其特征在于，所述薄膜层与所述微流控芯片基底层、微流控芯片上层之间均通过等离子技术键合。

7.根据权利要求1所述的一种制备气-水-油-固-生多相多组分流体的微流控装置，其特征在于，所述喷嘴为长方形、圆形或椭圆形。

技术总结
本发明公开了一种制备气‑水‑油‑固‑生多相多组分流体的微流控装置，该微流控芯片主要包括微流控芯片基底层、薄膜层和微流控芯片上层，基底层上设有多条多组分流道和连接多条多组分流道的混合流道，上层上设有多条多组分流道及储藏池，在基底层流道和上层流道交界处的薄膜层设置有喷嘴，通过注射泵或控制系统调节注入压力和流速以达到动态调整混流流道中制备出多种直径的泡沫流体，实现多相多组分流体制备，实现气‑水‑油‑固‑生等多相与多组分流体中泡沫直径、体积与比例的动态调节和多相与多组分的流动‑传质‑传热‑反应‑冲蚀以及沉淀等复杂物理化学过程。本装置可为水文、油气、地矿及碳封存等领域的研究提供基础试验装置。

技术研发人员：魏宁,王文东
受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/2/17