CN104815709A - 一种产生微液滴的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生成液滴的装置和方法，特别涉及一种高通量(可以多达1000通道)，快速生成1pL-100nL，的均匀液滴。其包括第一液相，第二液相，驱动装置，喷射装置，压力装置；其中，第一液相和第二液相互不相容；压力装置使得第一液相通过喷射装置的出口进入第二液相，喷射装置的出口与第二液相接触；所述喷射装置的出口的内径为1-200μm；所述第一液相在所述喷射装置的出口部分表面的接触角大于等于90度；驱动装置使得喷头和第二液相产生相对运动，产生液滴；所述液滴体积为1pL-100nL。

Description

一种产生微液滴的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种生成液滴的方法，特别涉及一种高通量(可以多达1000通道)，快速生成1pL-100nL，的单分散液滴的方法。

背景技术

液滴技术是一种重要的技术手段。它可以将生物、化学反应分割成数量众多的微小体系，每个小体系中进行不同的反应，从而获得宏观大的反应体系所不能的优势。

现有的液滴产生技术主要分为三种，一种是利用微流控芯片类装置产生液滴，其主要是在微小的流体管路中，将互不相容的液体分散成均匀的液滴，但是其装置比较复杂需要不同的压力源同时驱动油相和水相；并且需要特殊训练的人员才能操作。第二种是喷雾类装置，其主要是利用高压压迫流体经过喷头分散成大量的液滴，但是其产生液滴的速率过快，不能有效控制液滴的分散程度，并且对于形成液滴的液体要求比较严格，会损害液体中的生物样品，不利于生物化学实验。第三类是毛细管类液体控制装置，其主要是在一定的流速下，在毛细管的头部产生液滴，并且通过一定的步骤转移到需要的位置或液体，但是其并不能有效控制液滴的直径和产生速率，不能产生比较小的，比如1pL-100nL的均匀液滴。现有技术一般操作复杂，不能够高通量生产或者不能够产生1pL-100nL的均匀液滴。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种简单的液滴产生方法，利用压力驱动一种液体通过一个比较小的孔或者接口进入另一种液体，同时化学修饰孔或者接口的部分，并且使其产生相对运动。

本发明提供一种液滴的产生装置，其特征在于：包括第一液相，第二液相，驱动装置，喷射装置，压力装置；其中，第一液相和第二液相互不相容；压力装置使得第一液相通过喷射装置的出口进入第二液相，喷射装置的出口与第二液相接触；所述喷射装置的出口的内径为1-200μm；所述第一液相在所述喷射装置的出口部分表面的接触角大于等于90度，所述第二液相在喷射装置的出口部门材料表面的接触角小于90度；驱动装置使得喷头和第二液相产生相对运动，产生液滴；所述液滴体积为1pL-100nL。

本发明提供一种产生微液滴的方法，其特征在于：包括第一液相，第二液相，驱动装置，喷射装置，压力装置；其中，第一液相和第二液相互不相容；压力装置使得第一液相通过喷头进入第二液相；所述喷射装置的出口的内径为1-200μm；所述第一液相在所述喷射装置的出口部分材料表面的接触角大于等于90度，所述第二液相在喷射装置的出口部门材料表面的接触角小于90度；驱动装置使得喷头和第二液相产生相对运动，产生液滴；所述液滴体积为1pL-100nL。

根据本发明的优选实施例，所述喷射装置为前端有开口的管状物或锥状物；优选出口处内径为1-200μm的毛细管，所述喷射装置的出口优选为圆孔或者多边形孔。常见的比如毛细管也被称之为毛细针或针。

根据本发明的另一优选实施例，所述喷射装置的材料为无机材料、有机材料或复合材料。无机材料为玻璃，石英，陶瓷，金属中的一种。有机材料为聚苯乙烯，聚醚醚酮，聚酯高分子材料中的一种。复合材料是一种或多种所述有机材料和/或无机材料的混合物。

根据本发明的另一优选实施例，所述喷射装置的全部或者仅出口部分经过疏水和/或亲水修饰；表面处理的方法有：直接覆涂，化学反应修饰，化学沉积等。

根据本发明的另一优选实施例，所述喷射装置为一个，或者为2-1000个。

根据本发明的另一优选实施例，所述第一液相为水、C1-C5的醇，C1-C5的烷烃，C1-C5的酮，C1-C5的有机羧酸，C1-C5取代的烷基胺，或其中两种或多种互溶物质组成的互溶液。

根据本发明的另一优选实施例，所述第一液相为混合物，优选细胞培养液、水包油乳液。

根据本发明的另一优选实施例，所述相对运动是匀速运动或者非匀速运动。

根据本发明的另一优选实施例，所述喷射装置的出口的内径为5-100μm，优选10-50μm；所述液滴体积为10PL-10nL，优选100PL-1nL。

根据本发明的另一优选实施例，压力装置为能提供压力的装置，所述压力装置为可以为气压控制装置、注射泵控制装置或者注射器控制装置。

更进一步，本发明所述的液滴产生方法还可以包括第三液相，将已经产生液滴的第二液相作为新的原料液，将其通过喷头再次喷入第三液相，就可以产生内部为第一液相，外层为第二液相的有“核”的液滴。例如将水包油形式的含有液滴的乳液作为第一液相，可以产生多层核结构的液滴。

喷射装置的表面处理，依据喷射装置材料的选取和收集介质(第二液相)的选取可以选择不处理或处理成与收集介质相亲和的表面，可为疏水或亲水。表面处理的方法有：直接覆涂，化学反应修饰，化学沉积等。

驱动装置的作用是使得形成于喷射装置出口位置的液滴和第二液相产生相对运动，其可以直接用手作为驱动装置，摇动喷射装置，或者可以为偏心转子的振动器(如电动牙刷)，偏心轴原理的混匀仪(如eppendorf混匀仪)，电磁驱动的震荡装置(如variomag混匀器)。

喷射装置的作用是使得第一液相进入第二液相，并产生微小的液滴，在相对运动的作用下，微小液滴从喷射装置的出口位置脱离，形成液滴。只要能够将第一液相转移到第二液滴的装置都可以作为喷射装置。喷射装置的出口的内径为1-200μm；内径太小会使得流体的阻力比较大，内径太大则不能形成小体积，1pL-100nL的液滴。

压力装置使得第一液相通过喷射装置的出口部分进入第二液相；压力装置的压力是根据液体的种类和喷射装置的流体阻力控制的，其并无特殊的要求；具体工作的时候，只需要使得第一液相进入第二液相即可。

喷射装置的数目可以根据具体的需要设定，例如可以将一根或者多根毛细管作为喷射装置，多个喷射装置的排列可以是四方或六方，并在多个收集容器中运动可使液滴收集在分立的容器里。多跟针也可以捆成一束，在同一个收集容器里收集。

喷射装置的运动轨迹在水平面上的投影可以为圆形，形成均匀的投影使得喷射装置具有比较均匀的角速度，从而使得产生的液滴比较均匀。圆形的半径小于收集容器的半径，喷射装置的运动方式可以为螺旋上升或螺旋下降，上升运动和旋转运动的相对速度可根据液滴产生大小、速度选择。喷射装置运动方向可以为顺时针或逆时针，运动速度可以为每秒10转到500转，运动速度可根据所需液滴产生大小、速度做出选择。

液滴化介质(第一液相)和收集介质(第二液相)中可分别加入适用的表面活性剂。液滴化介质和收集介质介质的温度可调，二者混合前为液态，液滴化介质可在进入收集介质后变为固态。液滴化介质可以为水、醇类如异丙醇、非极性溶剂如己烷、极性溶剂如乙腈、含氟溶剂如氟油或多种溶剂的混合物。液滴化介质的表面活性剂可以为非离子型表面活性剂或离子型表面活性剂。收集介质可以为水、醇类如异丙醇、非极性溶剂如己烷、极性溶剂如乙腈、含氟溶剂如氟油或多种互溶溶剂的混合物，滴化介质的表面活性剂可以为非离子型表面活性剂或离子型表面活性剂；如tween，span或EA活性剂。

液滴化介质的输出可由定压驱动或定体积驱动，以保持匀速输出喷射装置内的液体，定压力驱动是指管内保持恒定压力，压力可由压缩气体提供；定体积驱动是指利用物理体积的置换排出液体，如使用注射器泵，或电动液体操作装置(移液工作站等)进行驱动。

本发明的方法利用相界面的阻力和剪切力产生液滴，在收集介质相和喷射装置相对运动时，收集介质和液滴化介质相接触面高速挤压，产生阻力和剪切力。当液滴化介质被输出到一定大小，其表面张力不能抵抗剪切阻力时，即与针尖内部液滴化介质主体迅速断离，产生一个液滴，如图1所示。当运动为匀速时，每个液滴断离时的临界条件均相同，所以液滴大小可做到高度一致，如图2所示。由于匀速运动的原理，可将多跟针排列在同一个驱动装置之上，使得全部喷射装置的运动轨迹一致，可实现高速并且高通量的液滴生成，可实现可控的单分布，即液滴直径可控，并且直径分布较小，使得每个液滴内溶液体积相同，如图3所示。

在试验中，我们惊奇的发现，在一定的范围内，第一液相的流速和液滴的直径并没有直接的关系；当增加驱动装置速度的时候，液滴直径变小；出口越小的喷射装置受到驱动装置速度的影响越小。这些特点使得系统具有很好的稳定性。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1为本发明方法的原理图。

图2匀速运动产生均匀液滴。

图3多个喷射装置并行排列。

图4产生微液滴的照片

图5驱动装置的运动速度和液滴直径的关系

图6，不同流速下液滴直径的关系

具体实施方式

本发明具体实施方式中的具体实施例，仅仅是对于本发明的进一步说明，并不够成本发明的限制因素。

实施例1.

第一液相采用水，第二液相采用矿物油。喷射装置采用1.5mm外径的玻璃毛细针。拉制成前端10um内口径的毛细针。用氟代硅烷熏蒸修饰。驱动装置采用注射器泵，用软管连接毛细针，在软管中填装第一液相水。在烧杯中加入矿物油作为第二液相。使用偏心轮驱动的圆周振荡器作为驱动装置，使得毛细针在第二液相中做匀速圆圈运动，驱动装置的速度为1250rpm，运动的圆周半径为1.5mm，或线速度约为200mm/s。管路连接部分用密封胶密封。软管的内径为1.2mm，注射器泵的流速为5uL/min。当注射器施加压力的时候，第一液相水就会匀速进入第二液相，形成直径72um的液滴。液滴直径的CV小于5％。获得的微液滴的照片如图4所示，图片显示微液滴的大小不同是由于照相时微液滴上下位置不同造成的。

实施例2.

在实施例1的基础上，采用气压装置代替注射器泵作为驱动装置。气压装置用硬管连接空气钢瓶，并在管路上添加可调气压表控制压力。气体压力为0.15bar。

实施例3.

在实施例1的基础上，在软管上连接一个容积为10ml的瓶子，(出口端连把毛细针伸入液面下，入口端连接驱动装置，置于液面上方)，作为第一液相的储存装置。

实施例4.

在实施例1的基础上，在第一液相水中加入溶质及活性剂。溶质采用50mM MaCl，10mM tris-HCl，pH＝8，活性剂采用0.5％体积分数的tween80。

实施例5.

在实施例4的基础上，在第二液相中加入4.5％的span80和0.5％的tween80作为活性剂。

实施例6.

在实施例1的基础上，改变毛细针出口直径。将毛细针拉制成前端为5μm的口径。其它条件不变的情况下，液滴的直径为38um。

实施例7.

在实施例1的基础上，采用普通细胞培养液作为第一液相。产生的液滴同实施例1没有差别。

实施例8.

在实施例1的基础上，通过改变驱动装置的运动速度，可以改变第一液相和第二液相的相对速度，从而改变液滴的直径。图5显示了驱动装置的运动速度和液滴直径的关系图。可以看出，当增加驱动装置速度的时候，液滴直径变小。我们更是通过实验发现，出口越小的喷射装置受到驱动装置速度的影响越小，这一结果十分出人预料。

实施例9.

在实施例1的基础上，改变第一液相通过喷射装置进入第二液相的速度，可以获得第一液相的运动速度(即流量)和产生微液滴直径的关系，如图6所示。我们十分惊奇的发现，和简单的计算或者说简单的推理完全不同的结果；在一定的范围内，第一液相的流速和液滴的直径并没有直接的关系。

对比例1.

在实施例1的基础上，毛细针不作任何修饰。由于表面张力的原因，水容易在毛细针的表面形成拖尾的状态，形成的小水滴大小十分不均匀，CV大于30％，液滴直径从100-300微米分布。

对比例2.

在实施例1的基础上，毛细针不做拉长，其外径1.5mm，内径1.0mm。用氟代硅烷熏蒸修饰。其它条件通实施例1完全相同。其产生的液滴大小不均匀，CV大于20％，液滴直径大于500μm，并且形成的液滴会破碎。

Claims (20)

1.一种液滴的产生装置，其特征在于：包括第一液相，第二液相，驱动装置，喷射装置，压力装置；

其中，第一液相和第二液相互不相容；

压力装置使得第一液相通过喷射装置的出口进入第二液相，喷射装置的出口与第二液相接触；

所述喷射装置的出口的内径为1-200μm；

所述第一液相在所述喷射装置的出口部分表面的接触角大于等于90度，所述第二液相在喷射装置的出口部门材料表面的接触角小于90度；

驱动装置使得喷头和第二液相产生相对运动，产生液滴；所述液滴体积为1pL-100nL。

2.根据权利要求1所述的液滴的产生装置，其特征在于，所述喷射装置为前端有开口的管状物或锥状物；优选出口处内径为1-200μm的毛细管，所述喷射装置的出口优选为圆孔或者多边形孔。

3.根据权利要求1所述的液滴的产生装置，其特征在于，所述喷射装置的材料为无机材料、有机材料或复合材料。无机材料为玻璃，石英，陶瓷，金属中的一种。有机材料为聚苯乙烯，聚醚醚酮，聚酯高分子材料中的一种。复合材料是一种或多种所述有机材料和/或无机材料的混合物。

4.根据权利要求1所述的液滴的产生装置，其特征在于，所述喷射装置的全部或者仅出口部分经过疏水和/或亲水修饰；表面处理的方法有：直接覆涂，化学反应修饰，化学沉积等。

5.根据权利要求1所述的液滴的产生装置，其特征在于，所述喷射装置为一个，或者为2-1000个。

6.根据权利要求1所述的液滴的产生装置，其特征在于，所述第一液相为水、C1-C5的醇，C1-C5的烷烃，C1-C5的酮，C1-C5的有机羧酸，C1-C5取代的烷基胺，或其中两种或多种互溶物质组成的互溶液。

7.根据权利要求1所述的液滴的产生装置，所述第一液相为混合物，优选细胞培养液、水包油乳液。

8.根据权利要求1所述的液滴的产生装置，所述相对运动是匀速运动或者非匀速运动。

9.根据权利要求1所述的液滴的产生装置，其特征在于，所述喷射装置的出口的内径为5-100μm，优选10-50μm；所述液滴体积为10PL-10nL，优选100PL-1nL。

10.根据权利要求1所述的液滴的产生装置，其特征在于，所述压力装置为气压控制装置、注射泵控制装置或者注射器控制装置。

11.一种液滴的产生方法，其特征在于：包括第一液相，第二液相，驱动装置，喷射装置，压力装置；

其中，第一液相和第二液相互不相容；

压力装置使得第一液相通过喷射装置的出口进入第二液相，喷射装置的出口与第二液相接触；

所述喷射装置的出口的内径为1-200μm；

所述第一液相在所述喷射装置的出口部分材料表面的接触角大于等于90度，所述第二液相在喷射装置的出口部门材料表面的接触角小于90度；

驱动装置使得喷头和第二液相产生相对运动，产生液滴；所述液滴体积为1pL-100nL。

12.根据权利要求11所述的液滴的产生方法，其特征在于，所述喷射装置为前端有开口的管状物或锥状物；优选出口处内径为1-200μm的毛细管，所述喷射装置的出口优选为圆孔或者多边形孔。

13.根据权利要求11所述的液滴的产生方法，其特征在于，所述喷射装置的材料为无机材料、有机材料或复合材料。无机材料为玻璃，石英，陶瓷，金属中的一种。有机材料为聚苯乙烯，聚醚醚酮，聚酯高分子材料中的一种。复合材料是一种或多种所述有机材料和/或无机材料的混合物。

14.根据权利要求11所述的液滴的产生方法，其特征在于，所述喷射装置的全部或者仅出口部分经过疏水和/或亲水修饰；表面处理的方法有：直接覆涂，化学反应修饰，化学沉积等。

15.根据权利要求11所述的液滴的产生方法，其特征在于，所述喷射装置为一个，或者所述喷射装置为2-1000个。

16.根据权利要求11所述的液滴的产生方法，其特征在于，所述压力装置为气压控制装置、注射泵控制装置或者注射器控制装置。

17.根据权利要求11所述的液滴的产生方法，其特征在于，所述第一液相为水、C1-C5的醇，C1-C5的烷烃，C1-C5的酮，C1-C5的有机羧酸，C1-C5取代的烷基胺，或其中两种或多种互溶物质组成的互溶液。

18.根据权利要求11所述的液滴的产生方法，所述第一液相为混合物，优选细胞培养液、水包油乳液。

19.根据权利要求11所述的液滴的产生方法，所述相对运动是匀速运动或 者非匀速运动。

20.根据权利要求11所述的液滴的产生方法，其特征在于，所述喷射装置的出口的内径为5-100μm，优选10-50μm；所述液滴体积为10PL-10nL，优选100PL-1nL。