[發明專利]一種基于納米多孔薄膜的低壓電滲泵

有效

• 申請號: 201811319036.0
• 申請日: 2018-11-07
• 公開（公告）號: CN109482248B
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 蘇彬;楊倩
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開了一種基于超薄納米多孔膜的低壓電滲泵，包括第一腔室和第二腔室以及設置在第一腔室和第二腔室中間的納米多孔薄膜，所述第一腔室和第二腔室中充滿電解質溶液，分別安裝有第一驅動電極和第二驅動電極，所述納米多孔薄膜為納米多孔二氧化硅薄膜和氮化硅微米多孔薄膜的復合膜。本發明提供的低壓電滲泵的結構簡單、易操作且易于實現，該電滲泵在0.2V的驅動電壓下即可驅動流體運動，因此在反應中沒有氣泡產生，無需考慮氣泡阻斷孔道導致效率降低甚至流體停止傳輸的問題。

技術領域

本發明屬于液體輸送技術領域，具體涉及一種基于納米多孔薄膜的低壓電滲泵。

背景技術

微型泵作為微流控體系中的一種自配備設備用以推動相應流體移動顯得十分重要。目前為止，各種各樣的微型泵已被用于微流控體系中，并根據是否含有機械運動部件，可分為機械微泵和非機械微泵。其中，機械泵是根據微型膜的形變來提供流體流動的驅動力。這種泵的優勢在于其可以驅動任何一種液體，但是其缺點在于驅動所需的電壓太高(～100-200V)并且產生的流體是脈沖式的而非連續性。非機械型微泵相對于機械型微泵不具備移動部分，因此對于整個微流控系統來說，具有制備、封合以及操作簡單的優點。非機械微泵主要包括：用于驅動介質液體(10^-14-10^-9S/m)的電流體泵；基于電滲流和電泳效應的電動力泵；可驅動任一類型流體的氣泡泵以及基于洛倫茲力的交流磁流體動力微泵(1S/m)。

在這些非機械泵中，只有電動力泵適用于生物樣品。而基于電滲流原理的電滲泵因具有以下突出的優點，在近幾年中不斷地受到關注：1、在一個緊密結構中可以產生無脈沖的勻速流體；2、流速的大小和方向可調；3、沒有活動部件。目前，電滲泵已被廣泛應用于高效液相色譜，微流體注射分析，燃料電池中的水處理，微電子器械冷卻以及藥物傳輸。

但是，傳統的電滲泵需要非常高的驅動電壓(幾百至幾千伏)，以獲得有效的流速。持續施加高達幾千伏的電壓，將引起一些系統問題，如氣體的生產、焦耳熱等。傳統電滲泵的另一個缺點在于其熱力學效率低(1％)。雖然，在科學家的不斷努力下，通過施加高壓，電滲泵的熱力學效率得到一定的提升。但是，高壓驅動和低熱力學效率仍然限制了電滲泵的應用范圍。近幾年，有效地建立具有高流速的低壓電滲泵工作不斷地被報道。

電滲泵是利用電解質溶液在外加電場作用下的電滲現象驅動液體。這種電滲流產生的前提是與電解液接觸的孔壁上具有一定數量的表面電荷。這種表面電荷來自于孔壁官能團的離子化或是液體中被特異性吸附在表面的電荷。為了維持孔道內電中性的環境，在固-液界面上的離子重新分布形成雙電層；外加垂直電場，雙電層的滑動面上的水合離子首先在電場作用下發生定向遷移，由于孔道內流體是不可壓縮流體且屬于層流流動，這些水合離子會帶動分散層中的水分子發生定向移動，形成電滲流。

隨著固態納米多孔薄膜制備技術的不斷成熟，研究者利用多孔膜(徑跡蝕刻薄膜、陽極氧化鋁薄膜、碳納米管薄膜、多孔硅)的一系列優點，如，孔隙率高、孔道曲率低、孔道短(膜薄)，可以較容易地獲得低壓電滲泵。公開號為CN104707673A的中國專利文獻公開了一種電滲泵，包括一多孔介質，位于所述多孔介質兩側的第一腔室和第二腔室；位于與所述多孔介質相對側且分別與第一腔室和第二腔室相鄰接的第一固體電解質和第二固體電解質；分別與第一固體電解質和第二固體電解質另一側緊密連接的第一氣體擴散電極和第二氣體擴散電極；分別與第一氣體擴散電極和第二氣體擴散電極另一側相鄰接的第一氫氣腔室和第二氫氣腔室；與第一腔室相連通的一液體進口管路和與第二腔室相連通的一液體出口管路；于第一氣體擴散電極和第二氣體擴散電極間施加一外電壓即可實現液體的輸送。

雖然，目前已經實現了低壓電滲泵，但是調研發現大多數的納米多孔低壓電滲泵存在電滲流流速低，效率不高的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于納米多孔薄膜的低壓電滲泵，在0.2V的驅動電壓下即可驅動流體運動，因此在反應中沒有氣泡產生，無需考慮氣泡阻斷孔道導致效率降低甚至流體停止傳輸的問題。