CN105013547B - 微气泡/液滴生成调控装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微气泡/液滴生成调控装置和方法，装置包括微量注射泵与注射器、微芯片和收集器，微量注射泵上设置有注射器，注射器与微芯片入口使用胶管连接，微量注射泵和注射器有三个，分别和微芯片的三个入口连接，微芯片出口与收集器使用胶管连接。本发明通过微量注射泵控制流量，结合微芯片的通道结构控制气泡大小，大大提高了微气泡/液滴的生产及乳化效率，降低了微芯片的占用空间，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于微化工技术领域，特别是涉及一种新型微气泡/液滴生成调控装置和方法。
背景技术
近年来，微化工技术已经成为化工领域的前沿技术，它具有高效率、可控性强、小型化、安装灵活、操作安全、易于工业放大以及生产过程连续等优点。与传统装置相比，微化工的耗能更低，单位产量更高；微尺度、大比表面积、体积小、接触范围广等特点可以强化传质和传热过程，使某些特殊条件下的反应得以顺利进行，因此，已在食品工业、化学分析、药物研究、材料合成、结晶、乳化、蛋白质筛选等领域得到广泛应用。气泡和液滴在微流控技术的应用过程中经常出现，气泡(液滴)进一步破裂成两个或者更多的子气泡(子液滴)是提高气泡(液滴)生产效率的有效方法。
用于气泡(液滴)破裂的微芯片结构可分为：1.分岔微通道。2.缩口型的微通道。3.含障碍物的微通道。
以上提及的三种微通道可以将一个气泡(液滴)在同一时间破裂成两个或多个，但难以实现子气泡尺寸及频率的简捷操控。而且，分岔微通道所占空间较大，含障碍物的微通道难以加工导致实用性较差。
目前需要一种新式的微芯片结构能够克服现有结构存在的缺陷，以更加简捷的方法对子气泡尺寸及频率进行调控，有效提高微气泡(液滴)的生产效率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种新型微气泡/液滴生成调控装置和方法，克服现有技术中微气泡/液滴破裂技术尺寸及频率不好操控的问题。
本发明的技术方案是：
一种新型微气泡/液滴生成调控装置，包括微量注射泵与注射器、微芯片和收集器，微量注射泵上设置有注射器，注射器与微芯片入口使用胶管连接，微量注射泵和注射器有三个，分别和微芯片的三个入口连接，微芯片出口与收集器使用胶管连接。
所述微芯片由一个方形通道和一个T形通道交叉而成，微芯片入口有三个，方形通道设有连续相第一入口，T形通道分岔处一端设有连续相第二入口，T形通道两端分别设有分散相入口和出口，所述方形通道和T形通道十字聚焦处到出口的直通道为主通道，连续相第二入口到主通道的连接通道为支通道；微芯片主通道截面的宽和高均小于1mm；分散相及连续相的进口段长度不少于10mm；连续相第二入口的通道截面尺寸小于主通道尺寸；连续相第 二入口距十字聚焦处的距离不小于10mm，并且距出口的距离不小于10mm。
一种新型微气泡/液滴生成调控方法，包括如下步骤：
(1)溶液预处理：首先对溶液进行抽滤，过滤掉溶液中的杂质，以免堵塞通道；
(2)装置的调试：a.将准备好的溶液分别通过微量注射泵输送并与微通道相连接；b.微芯片出口与收集器连接；c.检查系统的气密性，查看有无漏液的情况；d.启动微量注射泵，设定好注射针筒的直径和液相体积流量，开始驱动液体；(3)微气泡的产生及调控：连续相和分散相在微芯片所示的进口处进入，在十字交口处形成气泡/液滴，并在T形分岔口处的连续相第二入口输入连续相，便于调节气泡/液滴的空隙率，并对气泡尺寸进行再裁剪。
所述步骤(3)进入微芯片生成装置中的连续相和分散相为互不相溶的气液两相或液液两相。
所述步骤(3)连续相流体与微芯片壁面润湿性良好。
所述连续相和分散相的液相流体为牛顿流体或剪切变稀型非牛顿流体。
所述牛顿流体为水，醇类溶液，离子液体，芳香族液体或烷烃类液体。
所述剪切变稀型非牛顿流体为高分子化合物水溶液。
本发明的有益效果为：本发明装置和方法在微芯片的十字聚焦结构中完成微气泡/液滴的生成；在微芯片的T型分岔口中，完成对微气泡/液滴尺寸的再调控；对已生成的微气泡/液滴进行再裁剪，满足后续的乳化、反应等要求。通过微量注射泵控制流量，结合微芯片的通道结构控制气泡大小，大大提高了微气泡/液滴的生产及乳化效率，降低了微芯片的占用空间，降低了成本。本发明装置和方法使微气泡/液滴的调控操作更加简化且提高了控制精度，增加了可控性。
附图说明
图1本发明装置结构示意图；
图2本发明装置中微芯片结构示意图；
其中：1.第一微量注射泵；2.第二微量注射泵；3.第三微量注射泵；4.高速摄像仪；5.电脑；6.微芯片；7.收集器；8.冷光源；9.连续相第一入口；10.分散相入口；11.连续相第二入口；12.出口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-2所示，本发明新型微气泡/液滴生成调控装置，包括微量注射泵与注射器、微芯片6和收集器7，微量注射泵1、2、3上设置有注射器，注射器与微芯片入口9、10、11使用胶 管连接，微芯片出口12与收集器7使用胶管连接。
所述微芯片由一个方形通道和一个T形通道交叉而成，微芯片入口有三个，方形通道设有连续相第一入口9，T形通道分岔处一端设有连续相第二入口11，T形通道两端分别设有分散相入口10和出口12，所述方形通道和T形通道十字聚焦处到出口的直通道为主通道，连续相第二入口到主通道的连接通道为支通道；微芯片主通道截面的宽和高均小于1mm；分散相及连续相的进口段长度不少于10mm；连续相第二入口的通道截面尺寸小于主通道尺寸；连续相第二入口距十字聚焦处的距离不小于10mm，并且距出口的距离不小于10mm。
实施例1
一种调控微气泡尺寸的方法，包括如下步骤：
常温下，将水与甘油按1:1的质量比投入到预处理烧杯内，搅拌10-60min。制得的甘油水溶液连接布氏漏斗和抽滤瓶，经由真空泵进行抽滤，共抽滤三次。用两个注射器将准备好的甘油水溶液吸入，并将两个注射器放置于微量注射泵上。将注射器与氮气钢瓶连接，打开氮气钢瓶并将压力控制在0.7MPa，使注射器充满氮气后关闭钢瓶，并将装有氮气的注射器放置于微量注射泵上。注射器与微芯片入口使用胶管连接，微芯片出口与收集器使用胶管连接。调节冷光源、微芯片和高速摄像仪之间的相对位置，以保证得到足够清晰的画面。启动微量注射泵，设定好注射针筒的直径和液相体积流量。开始驱动液体。待流动稳定后采集和保存图像。每次改变流量后，需待流动稳定后再采集和保存图像。连续相和分散相分别从微芯片进口处进入，在第一个十字交口处形成气泡，液相可在T型分岔口处进入便于调节气泡的空隙率或使气泡破裂，微通道出口处为所需尺寸的微气泡。
实施例2
一种调控微气泡尺寸的方法，包括如下步骤：
常温下，将水与SDS(十二烷基硫酸钠)按1000:3的质量比投入到预处理烧杯内，搅拌10-60min。制得的SDS水溶液连接布氏漏斗和抽滤瓶，经由真空泵进行抽滤，共抽滤三次。用两个60ml注射器将准备好的SDS水溶液吸入，并将两个注射器放置于微量注射泵上。将60ml注射器与氮气钢瓶连接，打开氮气钢瓶并将压力控制在0.7MPa，使注射器充满氮气后关闭钢瓶，并将装有氮气的注射器放置于微量注射泵上。注射器与微芯片入口使用胶管连接，微芯片出口与收集器使用胶管连接。调节冷光源、微芯片和高速摄像仪之间的相对位置，以保证得到足够清晰的画面。启动微量注射泵，设定好注射针筒的直径和液相体积流量。开始驱动液体。待流动稳定后采集和保存图像。每次改变流量后，需待流动稳定后再采集和保存图像。连续相和分散相分别从微芯片进口处进入，在第一个十字交口处形成气泡，液相可在 T型分岔口处进入便于调节气泡的空隙率或使气泡破裂，微通道出口处为所需尺寸的微气泡。
实施例3
一种调控微液滴尺寸的方法，包括如下步骤：
常温下，将水与SDS(十二烷基硫酸钠)按1000:3的质量比投入到预处理烧杯内，搅拌10-60min。制得的SDS水溶液连接布氏漏斗和抽滤瓶，经由真空泵进行抽滤，共抽滤三次。用两个60ml注射器将准备好的SDS水溶液吸入，并将两注射器放置于微量注射泵上。用一个60ml注射器将环己烷吸入，并将注射器放置于微量注射泵上。注射器与微芯片入口使用胶管连接，微芯片出口与收集器使用胶管连接。调节冷光源、微芯片和高速摄像仪之间的相对位置，以保证得到足够清晰的画面。启动微量注射泵，设定好注射针筒的直径和液相体积流量。开始驱动液体。待流动稳定后采集和保存图像。每次改变流量后，需待流动稳定后再采集和保存图像。连续相和分散相分别从微芯片进口处进入，在第一个十字交口处形成微液滴，连续相可在T型分岔口处进入便于调节液滴的空隙率或使液滴破裂，微通道出口处为所需尺寸的微液滴。
实施例4
一种调控微液滴尺寸的方法，包括如下步骤：
常温下，将水与CMC(羧甲基纤维素钠)按1000:3的质量比投入到预处理烧杯内，搅拌6-10h。制得的CMC水溶液连接布氏漏斗和抽滤瓶，经由真空泵进行抽滤，共抽滤三次。用两个60ml注射器将准备好的CMC水溶液吸入，并将两个注射器放置于微量注射泵上。用一个60ml注射器将环己烷吸入，并将注射器放置于微量注射泵上。注射器与微芯片入口使用胶管连接，微芯片出口与收集器使用胶管连接。调节冷光源、微芯片和高速摄像仪之间的相对位置，以保证得到足够清晰的画面。启动微量注射泵，设定好注射针筒的直径和液相体积流量。开始驱动液体。待流动稳定后采集和保存图像。每次改变流量后，需待流动稳定后再采集和保存图像。连续相和分散相分别从微芯片进口处进入，在第一个十字交口处形成微液滴，连续相可在T型分岔口处进入便于调节液滴的空隙率或使液滴破裂，微通道出口处为所需尺寸的微液滴。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微气泡/液滴生成调控装置，其特征在于，包括微量注射泵与注射器、微芯片和收集器，微量注射泵上设置有注射器，注射器与微芯片入口使用胶管连接，微量注射泵和注射器有三个，分别和微芯片的三个入口连接，微芯片出口与收集器使用胶管连接；所述微芯片由一个方形通道和一个T形通道交叉而成，微芯片入口有三个，方形通道设有连续相第一入口，T形通道分岔处一端设有连续相第二入口，T形通道两端分别设有分散相入口和出口，所述方形通道和T形通道十字聚焦处到出口的直通道为主通道，连续相第二入口到主通道的连接通道为支通道；微芯片主通道截面的宽和高均小于1mm；分散相及连续相的进口段长度不少于10mm；连续相第二入口的通道截面尺寸小于主通道尺寸；连续相第二入口距十字聚焦处的距离不小于10mm，并且距出口的距离不小于10mm。
2.一种微气泡/液滴生成调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)溶液预处理：首先对溶液进行抽滤，过滤掉溶液中的杂质，以免堵塞通道；
(2)权利要求1所述装置的调试：a.将准备好的溶液分别通过微量注射泵输送并与微通道相连接；b.微芯片出口与收集器连接；c.检查系统的气密性，查看有无漏液的情况；d.启动微量注射泵，设定好注射针筒的直径和液相体积流量，开始驱动液体；
(3)微气泡的产生及调控：连续相和分散相在微芯片所示的进口处进入，在十字交口处形成气泡/液滴，并在T形分岔口处的连续相第二入口输入连续相，便于调节气泡/液滴的空隙率，并对气泡尺寸进行再裁剪。
3.根据权利要求2所述微气泡/液滴生成调控方法，其特征在于，所述步骤(3)进入微芯片生成装置中的连续相和分散相为互不相溶的气液两相或液液两相。
4.根据权利要求2所述微气泡/液滴生成调控方法，其特征在于，所述步骤(3)连续相流体与微芯片壁面润湿性良好。
5.根据权利要求2所述微气泡/液滴生成调控方法，其特征在于：所述连续相和分散相的液相流体为牛顿流体或剪切变稀型非牛顿流体。
6.根据权利要求5所述微气泡/液滴生成调控方法，其特征在于：所述牛顿流体为水，醇类溶液，离子液体，芳香族液体或烷烃类液体。
7.根据权利要求5所述微气泡/液滴生成调控方法，其特征在于：所述剪切变稀型非牛顿流体为高分子化合物水溶液。
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