專利名稱：一種可在不同溫度下測量液液擴散系數的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種可在不同溫度下測量液液擴散系數的裝置與方法，特別涉及一種
基于拉曼光譜和微流控芯片的可在不同溫度下測量液液擴散系數的裝置與方法。
背景技術：
液相擴散在研究傳質過程、計算傳質速率及化工設計與開發中起著非常重要的作
用，擴散系數是單元操作及反應設計的關鍵。有關液液傳質及擴散方面的測量和理論描述
遠比氣體及固體困難。目前，液相擴散系數主要是采用實驗測量獲得，主要有隔膜池法(擬
穩態)，實時激光全息干涉法(非穩態)、Talyor dispersion (脈沖衰減)。 隔膜池法由于裝置簡單，被廣泛使用。但在將溶液注入到上下兩腔室過程中會伴
有擴散，對測量結果造成一定誤差，且在較高測試溫度下誤差將加大。測量不同溫度下的擴
散系數時，需要將裝置清洗、干燥后再穩定溫度，實驗效率低。 實時激光全息干涉法通過建立液液傳質和和激光全息干涉裝置，實時觀察拍攝液 液傳質的界面現象和濃度場分布，并經過理論公式推導，得到液相擴散系數的條紋直接判 讀法公式，進而計算液相擴散系數。與隔膜池法相似，測量過程中無法消除在形成液液初始 界面過程中伴隨的擴散對測量結果影響。且無法實現不同溫度下液液擴散系數的測量。同 時激光全息反射計量系統操作復雜，對操作人員要求較高。 Talyor dispersion方法是將溶質液滴脈沖注入到細長管中，溶劑在細長管中進 行層流連續流動，液滴注入到細長管后被分散，測量分散所造成的濃度分布進而經計算得 到擴散系數。但此方法僅適用于稀溶液，且不能實現不同溫度下液液擴散系數的測量。
微流控芯片作為一種快速、高效的分析器件在近十年內快速興起，出現了大量的 基于微流控芯片的專利技術，包括有細胞定性分析(CN200310105075. 8)、蛋白質分離分析 (CN200410020971.9)、用于冠心病診斷的小而密低密度脂蛋白分析(CN200810032532. 8) 等等。由于微流控芯片流道微小，流道內流體為層流穩態流動，擴散成為傳質過程的主要控 制因素，通過測量流道內的濃度場來反演并獲取液液擴散系數是可行的。微流控芯片易于 批量制造，測量和實驗成本較低。所以，為實現液液擴散系數的快速、高效測量，采用微流控 芯片(microfluidic chip)技術是一種理想的方案。US7233865披露了一種基于微流控芯 片的測量擴散系數的方法，利用一個十字交叉的結構，將含有被測物質的溶液與不含有該 物質的緩沖液呈90度角引入流道內，在交叉處匯合擴散，被測物質被標記以測得其在緩沖 液中擴散的濃度分布，交叉處匯合后立刻分離，消除檢測時不擴散分子的背景信號的影響。 該方法結構簡單，但僅考慮粒子的擴散，不適用于純液體的測量。 拉曼光譜作為一種高效的化學分析方法，可實現非接觸的定性和定量分析丄ee等 人利用拉曼光譜觀察了微流控芯片內的亞胺形成過程(Journal of Raman Spectroscopy, 34,737) ;Fletcher等人利用拉曼光譜在T型微流控芯片內研究了乙醇和乙酸合成乙酸乙 酯的過程(Electrophoresis, 24， 3239) ;Sarrazin等人在微流控芯片上利用拉曼光譜研究 了基于擴散和液滴的^0與020的合成過程(Analytical Chemistry,80， 1689) ;Yin等人利用拉曼光譜進行了原位含礦物篩選(Analytical Chemistry,81，473) 。 CN1878875A披露了 利用納米通道或微通道填充納米金或銀微粒集合體，核苷酸經納米顆粒集合點由拉曼光譜 檢測出，從而實現DNA測序。 Salmon (A卯l. Phys. Lett, 86， 3)首次提出了基于拉曼光譜和微流控芯片的液液擴 散系數的測量方法。常溫下在Y型微流控芯片上測量了二甲基亞砜、乙腈、二甲基甲酰胺與 氯仿的互擴散系數。但其方法和裝置存在以下問題僅限于常溫，不能實現不同溫度下擴散 系數的測量；未能考慮拉曼激光加熱對測量結果的擾動，測量精度低。 眾所周知，溫度對液液擴散系數的影響很大，所以如何快速、高效、高精度、低成本 地測量不同溫度下的液液擴散系數是亟待解決的問題。
發明內容
針對已有液液擴散系數測量方法中存在的問題，本發明提供一種基于拉曼光譜和 微流控芯片的液液擴散系數的測量裝置與方法，具有如下優點可獲得不同溫度下的液液 擴散系數，精度高、可連續操作、效率高、試劑用量小、操作簡單、安全可靠。
本發明是通過以下技術方案實現的 —種可在不同溫度下測量液液擴散系數的裝置，其特征在于，所述的裝置包括微 流控系統，均熱系統和激光共焦拉曼光譜儀3，所述的微流控系統包括一塊基底材料為硅的 微流控芯片2，微流控芯片2上設有兩條經刻蝕的蜿蜒微流道9和IO，注射泵1和注射泵5 分別與兩條蜿蜒微流道入口 15、 16相連，兩條蜿蜒微流道上分別連接熱電偶Tl、 T2后匯集 形成一條混合擴散直流道ll，兩條蜿蜒微流道入口的入射角為0° ，熱電偶T1、T2位于匯合 處上游距匯合點0. 5 2mm處，混合擴散直流道出口 17處連接一熱電偶T3并與廢液罐6 相連； 其中，混合擴散直流道11的橫截面為矩形，寬度為600 1200iim，深度為10 50 ii m ;蜿蜒微流道9和10的深度為10 50 ii m，長度大于5cm，流道橫截面為矩形，寬度為 混合擴散直流道ll的一半； 所述的均熱系統包括一個由三片銅片焊接而成均熱銅塊4，位于上下兩銅片之間 的中間銅片上表面加工有環形流道14，環形流道的寬度為1 5mm，環形流道總長為0. 3 lm，環形流道分別設置環形流道進口 12和環形流道出口 13 ;環形流道進口 12與計量泵7出 口相連，計量泵7的進口與恒溫水浴箱8相連； 微流控芯片2通過導熱膠粘結在均熱銅塊4的上表面，均熱銅塊4放置在拉曼光 譜儀3的顯微鏡載物臺上。 上述技術方案中，在微流控芯片2的蜿蜒微流道9和10和混合擴散直流道11的流 道底部，具有一層沉積的銀或鋁的金屬薄膜，薄膜厚度為150 400nm，優選200 300nm。
上述技術方案中，混合擴散直流道11的橫截面的寬度優選700 900 ii m，高度優 選25 35 ii m。 上述技術方案中，均熱銅塊4的環形流道的寬度優選2 3mm，總長度優選0. 5 0. 8m。 本發明中的微流控芯片2，基本結構為Y型混合器，蜿蜒微流道9和10為預熱段， 由兩個入口流道匯合至一段直流道，即混合擴散直流道ll，拉曼光譜對這一段直流道內的溶液濃度分布進行測量，混合擴散直流道11稱為測試段。為保證測試段溫度均勻，兩入口 流道到匯合處之間的流道設計為蜿蜒微流道(即具有回轉的彎曲形狀的流道)，以保證樣 品充分預熱，如圖2所示。蜿蜒微流道橫截面為矩形，寬度為測試段流道的一半，一般為刻 蝕方便深度選擇與測試段流道深度一致但要確保深度為10 50 ii m，長度5cm以上以保 證不同溫度要求和不同樣品均可充分預熱。測試段流道橫截面為大寬高比的矩形，寬度為 600 1200 ii m，優選700 900 ii m，深度為20 50 ii m，優選25 35 ii m， 一方面充分抑制 由于密度差所導致的擴散界面的偏轉，另一方面減小流道在高度方向的溫度梯度，保證測 試段橫截面溫度的均勻性。兩個入口流道的入射角為0。。在匯合處上游兩入口流道0. 5 2mm處分別安裝有一 T型熱電偶，在測試段的出口安裝有一 T型熱電偶，以便檢測流道溫度 的均勻性，以其平均值作為實驗溫度的測量值。 微流控芯片2選用硅為基底材料，以保證良好的導熱性。采用深硅刻蝕技術在硅 片上加工出如圖2所示的流道。為消除拉曼測試時的激光熱效應，在硅片流道底部沉積一 層高反射率的金屬薄膜。先通過磁控濺射將金屬薄膜沉積在刻蝕后的硅片表面，再采用負 膠工藝將流道以外的金屬薄膜剝離以保證其能夠與派萊克斯玻璃陽極鍵合封裝，而保留流 道底部的鋁薄膜以反射激光輻照。 高反射率金屬薄膜選用銀、鋁等高反射率材料，優選鋁，具有較高的性價比。薄膜 厚度為150 400nm，優選200 300nm。 所述的沉積金屬薄膜的制作工藝，以200nm厚鋁薄膜制作為例，在圖3所示的光 刻、深硅刻蝕工藝后進行磁控濺射。使用鋁靶，在22t:，抽真空至le—epa，再通入氬氣，預濺 射120s后，再充分濺射540s。該沉積在刻蝕流道表面的鋁層，測得反射率為97%，而未濺 射的裸硅流道，測得反射率為37. 7%。 所述的負膠工藝，如圖4，負膠優選反轉膠，反轉膠AZ5214E經曝光后反轉烘和泛 曝光，性能近似負膠，且更利于剝離。在沉積工藝后的片子上勻膠，再置于95t:熱板上進行 前烘1分鐘，使用刻蝕工藝中用的掩膜板曝光4s，再于IO(TC下烘1. 5分鐘，最后取掉掩膜 全曝50s，顯影。流道以外的膠除去，相應地流道以外的鋁層暴露出來。最后使用金屬刻蝕 IBE(離子束刻蝕)，在2. 1X10—乍a工作壓力和16t:工作溫度下，通入氬氣，離子能量調整 為351V，電子束流99mA，中和127mA，陽極施以0. 95A45V，并最終加至l譜，陰極5. 7A，轟擊 鋁層18分鐘，完全去除流道以外的鋁薄膜。 本發明的均熱塊由紫銅制成，通過擴散焊將三片銅片焊接而成，如圖5所示。其 中，中間一銅片加工有環形的流道。環形流道總長為0. 3 lm，優選0. 5 0. 8m，流道的寬 度為1 5mm，優選2 3mm。均熱塊面積大于微流控芯片并便于放置在拉曼顯微鏡載物臺 上。均熱塊設置有進出口管路連通環形流道。 本發明還提供一種基于上述裝置的測量不同溫度下液液擴散系數的方法，包括如 下步驟 1)將水浴箱溫度設定在樣品的沸點以下，開啟注射泵，當恒溫水浴的溫度穩定 后，經計量泵在微流控芯片內通入待測的不同濃度的溶液，當三個熱電偶的讀數偏差小于 0. 5K，計算三個測量值的平均值作為擴散系數測量對應的溫度； 2)所述的拉曼光譜儀設定好包含待測物質特征峰的波數范圍、激光功率與掃描 時間，保證拉曼掃描得到的信號足以定量分析，測試段被測橫截面為距兩入口交匯點下游0. 5 2cm處橫截面，在寬度方向上設置掃描間距后自動掃描，掃描需覆蓋寬度方向上的有 濃度變化的區域； 3)將拉曼光譜掃描獲得的譜圖信息與濃度關聯，從而得到測試橫截面的濃度與位 置數據，擬合得到一個擴散系數值，當注入的兩溶液濃度差較小，可認為在該濃度下擴散系 數D為常數，通過公式(1)反演即獲得液液擴散系數D，其中，c(x，y)為測點處的溶液濃度 (由拉曼光譜掃描取得)；Cl、 c2均為兩溶液的初始摩爾分數(已知)；y為測點在流道寬度 方向距離擴散界面的距離(控制拉曼光譜自動移動平臺得到)；x為被測橫截面距離交匯點 的垂直距離(控制拉曼光譜自動移動平臺得到且固定不變，已知)，U為平均流速(由注射
泵輸入流量計算得到，已知)，erf為誤差函數。 <formula>formula see original document page 7</formula>(1) 4)改變兩注入溶液的濃度以測得不同濃度下的擴散系數，改變水浴箱溫度以測得
不同溫度下的擴散系數。 有益效果 本發明基于微流控芯片和拉曼光譜，實現不同溫度下的液液擴散系數的高精度測 量。加工有環形流道的銅塊并輔以水浴、計量泵保證銅塊上表面溫度均勻。微流控芯片通 過導熱膠固定在銅塊上表面。基本結構為Y型交匯結構，兩入口通道為較長的蜿蜒流道使 樣品充分預熱。微流控芯片直流道為具有大寬高比的矩形流道，以抑制擴散界面的偏轉并 保證測試段橫截面溫度的均勻性。通過改變水浴的溫度實現不同溫度下的液液擴散系數的 測量。為消除拉曼測試時的激光熱效應，在硅基的流道底部濺射高反射率的納米金屬鋁，提 高了測量的精度。與Salmon報導的方法相比，可實現不同溫度下液液擴散系數的測量并消 除了激光熱效應的影響。 與隔膜池法等常規測試方法相比，此裝置具有如下幾個特點采用微流控芯片 樣品用量少，對于一個溫度的擴散系數的測量，芯片法耗費試劑約為1 P L，隔膜池法約為 10mL ;成本低；對于劇毒危險化學品安全性高；非接觸；高靈敏性；通過改變水浴溫度可方 便地實現不同溫度下液液擴散系數的連續測量；測量效率高，對于一個溫度的擴散系數的 測量，芯片法約耗時10min，隔膜池法耗時lh以上；避免了常規測量方法在形成初始擴散界 面時忽略已有擴散所造成的誤差，易于操作。 本發明的優點在于，通過微流控芯片的結構設計并結合均熱裝置實現不同溫度下 的液液擴散系數的連續測量，并將流道底部濺射鋁薄膜以提高測量精度。相對于已有技術 是一種快速、高效、高精度、低成本、易于操作的測量裝置和方法，具有廣泛的應用前景。
圖1為不同溫度下測量液液擴散系數的裝置圖 其中，1、5 :注射泵，2 :微流控芯片，3 :拉曼光譜儀，4 :均熱銅塊，6 :廢液罐，7 :計 量泵，8 :恒溫水浴箱，9、10 :蜿蜒微流道，ll :混合直流道，12 :進口 ， 13 :出口 ， Tl 、 T2、 T3 :熱電偶。
圖2為微流控芯片結構示意圖 其中，2 :微流控芯片，9、10 :蜿蜒微流道，ll :混合直流道，15、16 :蜿蜒微流道入口，17 :混合直流道出口， T1、T2、T3 :熱電偶。 圖3為硅基微流控芯片基底的制作工藝流程圖 其中18 :二氧化硅層，19 :硅襯底，20 :正型光刻膠，21 :光源，22 :掩膜版。 圖4為負膠工藝流程圖 其中23 :鋁薄膜，24 :負型光刻膠。
圖5為均熱銅塊結構示意圖 其中，12 :環形流道進口 ， 13 :環形流道出口 ，環形流道14。 圖6為本發明之實施例1的室溫下甲苯摩爾分數0. 347對應的擴散系數擬合曲線 圖 圖7為本發明之實施例1與對比例1的甲苯與環己烷擴散系數測量數據圖
其中，▲實施例1 (328K)，參實施例1 (313K) ， ■實施例1 (298K) ， △對比例 1 (328K) ， O對比例1 (313K) ， A對比例1 (298K)。 圖8為本發明之對比例2在普通硅-玻璃芯片上測量甲苯與環己烷擴散系數的數 據圖 其中，*對比例2(25mW 10s) ， ^對比例2(12. 5mW 20s) ， v對比例2 (2. 5mW 100s)， B實施例1 (25mW 10s) ， 口對比例1。
具體實施例方式
為讓本發明的目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉優選實施例，并配合附圖 作詳細說明如下。 本發明可實現不同溫度下的液液擴散系數的連續測量，采用共焦顯微拉曼光譜儀 實現微流控芯片內的樣品濃度測試，微通道底面濺射高反射率納米金屬鋁來削弱激光熱效 應，均熱塊供以芯片內樣品所需的均勻恒定溫度，最后非線性擬合菲克第二定律修正后的 函數擬合得不同溫度下與濃度相關的擴散系數。以下特舉實施例并輔以對比例，但并不表 示此系統僅局限于這個實施例。 對比例1 :甲苯與環己烷的擴散系數測量(隔膜池法) 1971年Sanni等人利用隔膜池法測定甲苯與環己烷的擴散系數(Sanni， J. Chem. Eng. Data, 1971， 16,424)。裝置為玻璃制的密閉擴散池，具有上下兩室，中間由多孔膜隔開。 多孔膜的作用是避免上下兩室溶液的對流，并保證充分的分子擴散發生。多孔膜兩側面加 入磁力攪拌以避免溶液在膜附近濃度不均。上下兩室的樣品由聚四氟乙烯管引入以保證樣 品穩定進入且避免測量前不必要的混合。在測量之前，需要標定隔膜池，用已知擴散系數的 體系KC1/U0確定膜池系數。再利用膜池系數來修正擴散系數的測量值。每一組測量前， 在上下室注入不同濃度的溶液，先注入上層較輕的溶液再注入下層較重的溶液，連續檢測 兩室的濃度變化，最終可獲得兩初始濃度之間的積分擴散系數。由于磁力攪拌造成連續測 量的不穩，在每一次定時測量前停止攪拌幾秒鐘以完成濃度測量。 一組測量后，徹底清洗多 孔膜、擴散池及其管路，再進入下一個濃度段的擴散系數測量。隔膜池置于恒溫水浴中，控 制水浴溫度即可測量不同溫度下的擴散系數。該方法所得到的數據將與實施例1的結果進 行比較。 該對比例測量一個濃度段的擴散系數所用的樣品總量約為80mL，且擴散過程將持續1-3天。 實施例1 :甲苯與環己烷的擴散系數測量(本發明所述方法) 硅基微流控芯片，首先通過深硅刻蝕獲得具有如圖2所示圖形的硅基底，再利用 負膠工藝在流道底部留下200nm厚的鋁薄膜，最后與玻璃陽極鍵合。將芯片粘在均熱銅塊 表面。主擴散直流道截面尺寸800iim寬，深度30iim。 配制甲苯的摩爾分數分別為0. 247和0. 447的甲苯_環己烷溶液，利用注射泵將 兩濃度的溶液分別以10 ii L min—1注入芯片的兩入口 ，選擇交匯點下游軸向lcm距離處截 面為測量截面，以30iim為橫向掃描間隔，拉曼光譜在每一位置掃描七次，數據為七次濃度 測量的平均值，拉曼光譜選用514. 5nm氬離子激光器，功率為25mW，單次采樣掃描時間10s。 將獲得的對應位置的濃度值，以及兩入口濃度(實測兩蜿蜒預熱段內的濃度)、軸向距離， 平均流速等已知參數擬合式(1)，擬合曲線如圖6所示，反演得到298K下的擴散系數D為 1. 86X10—V s—、 以如上所述的相同方法進行不同濃度的擴散系數測量，改變溫度即調整水浴溫 度，待芯片內布置的熱電偶溫度顯示穩定后再進行相同的測量，擴散系數測量結果與隔膜 池法的數據平均偏差<10%，如圖7所示。可見，采用本發明的裝置和方法所得結果與傳統 方法吻合很好，具有較高的精度。而該方法對于一個濃度段的擴散系數測量，樣品用量約為 10 ii L，而測量時間則只需10分鐘。兩次測量只需改變進樣濃度，無需復雜的操作與麻煩的 清洗。 該實施例充分體現了本發明所述的裝置與方法具有快速、高效、高精度、低成本、 易于操作等優點。
對比例2 :用普通硅_玻璃芯片測量 普通硅-玻璃芯片制作方法，先通過深硅刻蝕獲得與圖2相同結構的硅基底，再與 玻璃陽極鍵合。它與本發明所述的芯片唯一的不同是，流道底部沒有鋁薄膜。Salmon等人 采用相同的硅_玻璃芯片進行室溫下液液擴散系數的測量(A卯l. Phys. Lett, 86， 3)。
配制甲苯的摩爾分數分別為0. 621和0. 819的甲苯_環己烷溶液，室溫條件下，利 用注射泵將兩濃度的溶液分別以10ii L ，min—工注入芯片的兩入口，選擇交匯點下游軸向lcm 距離處截面為測量截面，以30iim為橫向掃描間隔，拉曼光譜在每一位置掃描七次，數據為 七次濃度測量的平均值。拉曼光譜選用514.5nm氬離子激光器，為表明激光熱效應的影響 程度，功率分別設置為25mW、12. 5mW、2. 5mW，為保證降低功率仍能得到相同的信號強度，對 應的單次采樣掃描時間分別為10s、20s、100s。擬合后得到的數據見圖8。
可見，用普通的硅-玻璃芯片進行測量，即使降低功率仍無法得到可靠的結果，無 法在較短的時間內保證測量精度。 實施例2 :用帶有鋁薄膜的硅_玻璃芯片測量 帶有鋁薄膜的硅_玻璃芯片為實施例1所用芯片。芯片粘于均熱銅塊表面。主擴 散直流道截面尺寸800 ii m寬，深度30 ii m。 配制甲苯的摩爾分數分別為O. 609和0.811的甲苯_環己烷溶液，室溫條件下，利 用注射泵將兩濃度的溶液分別以10ii L ，min—工注入芯片的兩入口，選擇交匯點下游軸向lcm 距離處截面為測量截面，以30iim為橫向掃描間隔，拉曼光譜在每一位置掃描七次，數據為 七次濃度測量的平均值。拉曼光譜選用514. 5nm氬離子激光器，功率25mW，單次采樣掃描時間分別為10s。擬合后得到的數據見圖8，與隔膜池所測得的室溫下數據偏差僅為10%。
對比例2在普通的硅_玻璃芯片上測量，即使降低功率也無法在較短的時間內得 到較準確的結果。而此實施例以最高激光功率實現了較高精度的測量。可見，本發明提供 的在硅基流道底部濺射納米金屬鋁是保證測量快速、高效、高精度的必要條件。
權利要求
一種可在不同溫度下測量液液擴散系數的裝置，其特征在于，所述的裝置包括微流控系統，均熱系統和激光共焦拉曼光譜儀(3)，所述的微流控系統包括一塊基底材料為硅的微流控芯片(2)，微流控芯片(2)上設有兩條經刻蝕的蜿蜒微流道(9，10)，注射泵(1)和注射泵(5)分別與兩條蜿蜒微流道入口(15，16)相連，兩條蜿蜒微流道上分別連接熱電偶T1、T2后匯集形成一條混合擴散直流道(11)，兩條蜿蜒微流道入口的入射角為0°，熱電偶T1、T2位于兩條蜿蜒微流匯合處上游距匯合點0.5～2mm處，混合擴散直流道出口(17)處連接一熱電偶T3并與廢液罐(6)相連；其中，混合擴散直流道(11)的橫截面為矩形，寬度為600～1200μm，深度為10～50μm；蜿蜒微流道(9，10)的深度為10～50μm，長度大于5cm，流道橫截面為矩形，寬度為混合擴散直流道(11)寬度的一半；所述的均熱系統包括一個由三片銅片焊接而成均熱銅塊(4)，位于上下兩銅片之間的中間銅片的上表面加工有環形流道(14)，環形流道(14)的寬度為1～5mm，環形流道總長為0.3～1m，環形流道(14)分別設置環形流道進口(12)和環形流道出口(13)；環形流道進口(12)與計量泵(7)出口相連，計量泵(7)的進口與恒溫水浴箱(8)相連；微流控芯片(2)通過導熱膠粘結在均熱銅塊(4)的上表面，均熱銅塊(4)放置在拉曼光譜儀(3)的顯微鏡載物臺上。
2. 如權利要求1所述的可在不同溫度下測量液液擴散系數的裝置，其特征在于，在所 述微流控芯片(2)的蜿蜒微流道(9， 10)和混合擴散直流道(11)的流道底部，具有一層沉 積的銀或鋁的金屬薄膜，薄膜厚度為150 400nm。
3. 如權利要求2所述的可在不同溫度下測量液液擴散系數的裝置，其特征在于，所述 的金屬薄膜厚度為200 300nm。
4. 如權利要求1所述的可在不同溫度下測量液液擴散系數的裝置，其特征在于，混合 擴散直流道(11)的橫截面寬度為700 900iim，深度為25 35iim。
5. 如權利要求1所述的可在不同溫度下測量液液擴散系數的裝置，其特征在于，均熱 銅塊(4)的環形流道的寬度為2 3mm，總長度為0. 5 0. 8m。
6. —種基于權利要求1所述裝置的測量不同溫度下液液擴散系數的方法，其特征在 于，所述方法包括如下步驟1) 將水浴箱溫度設定在樣品的沸點以下，開啟注射泵，當恒溫水浴的溫度穩定后，經計 量泵在微流控芯片內通入待測的不同濃度的溶液，三個熱電偶的讀數偏差小于0. 5K時，計 算三個測量值的平均值作為擴散系數測量對應的溫度；2) 所述的拉曼光譜儀設定好包含待測物質特征峰的波數范圍、激光功率與掃描時間， 保證拉曼掃描得到的信號足以定量分析，混合擴散直流道中被測橫截面為距兩條蜿蜒微流 道交匯點下游0. 5 2cm處橫截面，在寬度方向上設置掃描間距后自動掃描，掃描需覆蓋寬 度方向上有濃度變化的區域；3) 將拉曼光譜掃描獲得的譜圖信息與濃度關聯，得到測試橫截面的濃度與位置數據， 擬合得到一個擴散系數值，當注入的兩溶液濃度差較小，在該濃度下擴散系數D為常數，通 過公式(1)反演即獲得液液擴散系數D，其中，c(x， y)為測點處的溶液濃度，Cl、 q均為兩 溶液的初始摩爾分數；y為測點在流道寬度方向距離擴散界面的距離，x為被測橫截面距離 交匯點的垂直距離，U為平均流速，erf為誤差函數；<formula>formula see original document page 3</formula>(1)4)改變兩注入溶液的濃度測得不同濃度下的擴散系數，改變水浴箱溫度測得不同溫度 下的擴散系數。
全文摘要
本發明涉及一種可在不同溫度下測量液液擴散系數的裝置與方法。本發明通過注射泵1和5將不同濃度的溶液連續注入到具有Y型結構的微流控芯片2中，通過拉曼光譜儀3對微流控芯片2中的混合流道的濃度分布進行測量，進而反演出液液擴散系數。微流控芯片放置在均熱塊4上，均熱塊4與計量泵7和恒溫水浴8相連，實現不同溫度下的測量。微流控芯片2通過混合前蜿蜒微流道結構設計、混合流道截面設計為大寬高比的矩形，流道底部鍍鋁來實現高精度測量。采用本發明的裝置和方法能夠實現不同溫度下的液液擴散系數的連續測量，并具有樣品用量少、成本低、非接觸、高靈敏性、重復性高、效率高、誤差小、安全可靠、易操作等優點。
文檔編號G01N13/00GK101701895SQ20091019861
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月11日 優先權日2009年11月11日
發明者于新海, 何乃昺, 林瑩, 涂善東, 王正東 申請人:華東理工大學