CN104084247B - 基于t形微通道的弹性壁面微流控芯片 - Google Patents

Abstract

一种用于产生大小较均匀的微液滴的微流控芯片，属于实验装置及方法技术领域。该弹性底面T形微通道芯片主要包含离散相入口、侧通道、连续相入口、主通道、出口、主体固体结构、薄膜底面结构、基座、载玻片构成。用于生成微液滴的不相容的两种液体分别从离散相入口和连续相入口流入，两种液体在侧通道和主通道的连接处交汇，离散相破碎形成液滴并随连续相一起往下游流动，最终通过出口流出芯片。薄膜底面结构在液体作用下发生变形以及振动，进而影响液滴的生成过程，获得均匀性较好的微液滴。本发明可以在不增加额外驱动或者控制装置的基础上，利用简单的T形微通道结构生成常规T形微流控芯片在相同流动条件下不能达到的均匀性较好的微尺度液滴，直观清晰，操作简单。

Description

基于T形微通道的弹性壁面微流控芯片

技术领域

本发明涉及一种基于T形微通道的微液滴产生方法，通过简易的辅助结构的运用，在不施加额外驱动装置和控制装置的基础上，显著提高T形微通道内乳化微液滴的大小的均匀性，从而提高乳化液滴的在其各应用中的可靠性。

背景技术

随着小尺度化学或生物分析系统的大力发展，涉及微全分析系统(micro totalanalysis ayatems，μTAS)或芯片实验室(lab-on-a-chip)的各种类型的微流控设备被广泛设计和研究，关于微尺度流动的研究获得了较为丰富的成果，并在此基础上形成了一些针对不同应用的被普遍认可的流动结构。

现阶段微尺度制造技术的高度发展也为微尺度流动的研究和应用提供了充分的技术支持，例如光刻以及激光刻蚀等技术能够实现微米级结构的制作等，表面处理技术的发展能够提高微流控器件的精度，基于此各种新型的流动和控制结构可以从设计转化为成品制造。

由于在生物或化学研究中，单个微液滴可以作为独立的化学反应、输运和混合体，以及其在食品药品制造等行业中乳化过程的重要作用，人们将越来越多的关注集中于基于微流控系统的微尺度液滴上面来。当前关于微液滴的研究主要集中于影响液滴生成和破碎过程的各因素的研究，并得到了液滴破碎的基本原理、液滴大小的一些经验预测关系式以及各影响因素对于液滴大小的作用关系等。

尽管在微尺度流动理论和微流控技术的发展的基础之上，关于微液滴的研究取得了很多被研究者们广为接纳的结果，然而对于液滴产生过程中的不均匀性以及控制其不均匀性的方法等问题较少涉及。

发明内容

本发明是基于常用的微液滴生成结构——T形微通道，通过改变其壁面性质将微通道底面改为能够变形的弹性壁面，以达到提高其所生成液滴的均匀性这一目的。本发明在常用T形微通道芯片的底面部分增加远小于通道宽度的薄膜，薄膜可在通道内流动的液体的作用下而产生变形和振动。相同流动条件下，该具有弹性薄壁面结构的T形微通道能够生成大小分布更为集中的微尺度液滴。

本发明所述微通道在常规微尺度通道的基础之上稍作改进，具体采用如下技术方案：

一种基于T形微通道的弹性壁面微流控芯片，其特征在于：其包括离散相入口1、侧通道2、连续相入口3、主通道4、出口5、主体固体结构6、薄膜底面结构7、基座8、载玻片9；其中离散相入口1、连续相入口3、出口5是主体固体结构6上的洞孔结构，侧通道2、主通道4、为在主体固体结构6上的凹槽，薄膜底面结构7与主体固体结构6键合在一起，其中连续相入口3、离散相入口1、主通道4、侧通道2和出口5形成芯片工作时液体流动的区域侧通道2与主通道4垂直呈T形；主通道4为直通道，连续相液体通过连续相入口3流入其中，与侧边通过离散相入口1流进侧通道2的离散相液体在两通道交接处交汇，形成离散相的液滴；载玻片9置于基座8下，支撑基座。基座8置于薄膜底面结构7之下，支撑芯片主体结构6并提供薄膜底面结构7活动的空间，依靠薄膜的振动实现大小相对均匀的微尺度液滴；

在主体固体结构6上具有上下贯通的孔洞结构，形成离散相入口1、连续相入口3与出口5；主体固体结构6下表面的联通离散相入口1与出口5的凹槽结构为主通道4；主体固体结构6下表面联通主通道4与离散相入口1的凹槽结构为侧通道2。

主体固体结构6、薄膜底面结构7、基座8由聚二甲基硅氧烷PDMS(polydimethylsiloxane,)材料制成。

液体流动区域为离散相入口1、侧通道2、连续相入口3、主通道4、出口5组成的T形微通道，并且微通道壁面由薄膜底面结构7构成，其在基座8的共同作用下实现液体流动过程中的弹性壁面变形。

由连续相入口3、离散相入口1、主通道4、侧通道2和出口5所构成的微通道液体流动的区域中侧通道与主通道不垂直或主通道不为直通道。

薄膜底面结构7为液滴流动区域的下底面，与芯片上离散相入口1、连续相入口3、出口5的所在面相对，能够通过底面变形实现控制微液滴大小相对均匀。

本发明可以在不增加额外驱动或者控制装置的基础上，利用简单的T形微通道结构生成常规T形微流控芯片在相同流动条件下不能达到的均匀性较好的微尺度液滴。

附图说明

图1是本发明基于T形微通道的弹性壁面微流控芯片的三维总体轮廓示意图。

图2是本发明基于T形微通道的弹性壁面微流控芯片的主通道部分的横截面示意图。

图3是对比实验中常规T形微通道流控芯片的主通道部分横截面示意图。

图4是本发明基于T形微通道的弹性壁面微流控芯片的工作过程示意图。

图中：1、离散相入口，2、侧通道，3、连续相入口，4、主通道，5、出口，6、主体固体结构，7、薄膜底面结构，8、基座，9、载玻片。

具体实施方式

下面结合结构附图对发明基于T形微通道的弹性壁面微流控芯片的工作过程和效果进行进一步详细说明和验证由于微通道尺寸较小，用实际尺寸表示微流控芯片时不能有效表征微流控芯片流道部分的结构，因此附图使用的是微流道结构相对放大的芯片示意图。

图1为基于T形微通道的弹性壁面微流控芯片的三维总体轮廓示意图。该弹性底面T形微通道芯片主要包含离散相入口1、侧通道2、连续相入口3、主通道4、出口5、主体固体结构6、薄膜底面结构7、基座8、载玻片9几个部分构成。图4是本发明基于T形微通道的弹性壁面微流控芯片的工作过程示意图。两种流体在外力驱动下通过两个入口流入微流控芯片中，调整两种液体的流动速度，使其生成微液滴，并保持该流速一段时间使流动稳定，然后进行液滴大小记录实验。为了验证该发明对于所生成液滴大小的有效作用，利用相同结构的底面不能变形的常规微流控芯片进行了对比实验。两组实验结果如表1所示，可见本发明能够有效控制液滴大小的分布，提高液滴的均匀性。

表1本发明芯片与对比芯片的液滴长度及大小分布结果

注：分散相流速为0.02ml/hr，所用微通道的侧通道宽度为50μm，主通道宽度为100μm，通道高度为45μm。

Claims (3)

1.一种基于T形微通道的弹性壁面微流控芯片，其特征在于：其包括离散相入口(1)、侧通道(2)、连续相入口(3)、主通道(4)、出口(5)、主体固体结构(6)、薄膜底面结构(7)、基座(8)、载玻片(9)；其中离散相入口(1)、连续相入口(3)、出口(5)是主体固体结构(6)上的洞孔结构，侧通道(2)、主通道(4)为在主体固体结构(6)上的凹槽，薄膜底面结构(7)与主体固体结构(6)键合在一起，由连续相入口(3)、离散相入口(1)、主通道(4)、侧通道(2)和出口(5)形成的芯片工作时的液体流动的区域中的侧通道(2)与主通道(4)垂直呈T形；主通道(4)为直通道，连续相液体通过连续相入口(3)流入其中，与侧边通过离散相入口(1)流进侧通道(2)的离散相液体在两通道交接处交汇，形成离散相的液滴；载玻片(9)置于基座(8)下，支撑基座；基座(8)置于薄膜底面结构(7)之下，支撑芯片主体固体结构(6)并提供薄膜底面结构(7)活动的空间，依靠薄膜的振动实现大小相对均匀的微尺度液滴；液体流动区域为离散相入口(1)、侧通道(2)、连续相入口(3)、主通道(4)、出口(5)组成的T形微通道，并且微通道壁面由薄膜底面结构(7)构成，其在基座(8)的共同作用下实现液体流动过程中的弹性壁面变形；薄膜底面结构(7)为液滴流动区域的下底面，与芯片上离散相入口(1)、连续相入口(3)、出口(5)的所在面相对，能够通过底面变形实现控制微液滴大小相对均匀。

2.根据权利要求1所述的一种基于T形微通道的弹性壁面微流控芯片，其特征在于：在主体固体结构(6)上具有上下贯通的孔洞结构，形成离散相入口(1)、连续相入口(3)与出口(5)；主体固体结构(6)下表面的联通连续相入口(3)与出口(5)的凹槽结构为主通道(4)；主体固体结构(6)下表面联通主通道(4)与离散相入口(1)的凹槽结构为侧通道(2)。

3.根据权利要求1所述的一种基于T形微通道的弹性壁面微流控芯片，其特征在于：主体固体结构(6)、薄膜底面结构(7)、基座(8)由聚二甲基硅氧烷PDMS(polydimethylsiloxane)材料制成。