CN105013548A - 一种微流控芯片液滴生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流控芯片液滴生成装置，其特征在于所述装置包括第一电极、第一反应积液瓶、第一压力阀、储油积液瓶、储水积液瓶、第二反应积液瓶、第二电极、第二压力阀、微流控芯片、CCD相机、检测单元、阻抗仪和脉冲计数器；该装置利用反应产生气体作为驱动力，具有体积小，便于携带，成本低，操作简单，可以实现反馈控制的特点。
Description
技术领域
本发明涉及微流体控制技术领域，具体为一种微流控芯片液滴生成装置。
背景技术
微流控芯片系统(Microfluidic chip)又称芯片实验室(Lab on chip)，它借助微机电加工技术，将传统实验室的功能集成在一块几平方厘米的芯片上，进而实现采样、分离、反应、分析检测等功能。微流控芯片具有消耗试剂少、检测精度高、方便携带等优点，具有广泛的适用性及应用前景。液滴微流控(droplet-based microfluidics)是在微尺度的通道内，对两种不相容的液体(一种为连续相，另外一种为离散相)，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作用将流体分割分离成离散的纳升级至皮升级体积的液滴的一种技术。微液滴主要有气-液相液滴和液-液相液滴两种类型，其中液-液相液滴又包括水包油，油包水，油包水包油以及水包油包水等，与连续流动的微流控系统相比，液滴微流控系统可以在短时间内可以生成大量的微反应器，液滴内反应条件稳定并且每个液滴均可作为独立的微反应器。具有混合速度快、反应时间少、分析速度快等优点，已经被用于化学和生命科学等领域。
申请号为201410373307.6的发明申请公开了一种用于微流控芯片的液滴生成装置，通过上位机发送的控制指令使驱动器控制柱塞泵的活塞上下移动来完成进气和出气。将储水瓶和储油瓶中的液体挤入微流控芯片的水通道和油通道中，并在油包水液滴形成区中形成油包水的液滴。该申请中的设备，需要上位机通过串口发出控制指令，并控制四个电磁阀和柱塞泵来实现进气、出气从而实现油和水的注入，整个控制液滴生成装置多，控制过程比较复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是:提供一种微流控芯片液滴生成装置。该装置利用反应产生气体作为驱动力，具有体积小，便于携带，成本低，操作简单，可以实现反馈控制的特点。
本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是:提供一种微流控芯片液滴生成装置，其特征在于所述装置包括第一电极、第一反应积液瓶、第一压力阀、储油积液瓶、储水积液瓶、第二反应积液瓶、第二电极、第二压力阀、微流控芯片、CCD相机、检测单元、阻抗仪和脉冲计数器；
所述第一电极接外部直流电源的正极，安装在第一反应积液瓶中；所述第二电极接外部直流电源的负极，安装在第二反应积液瓶中；所述第一反应积液瓶和第二反应积液瓶的底部连通；所述第一反应积液瓶通过安装有第一压力阀的导管与储油积液瓶连接；所述第二反应积液瓶通过安装有第二压力阀的导管与储油积液瓶连接；所述安装有第一压力阀的导管和安装有第二压力阀的导管的全部导管端部均在全部积液瓶中液体的液面之上；所述微流控芯片的入口通道由水通道和油通道构成；所述储水积液瓶与微流控芯片的水通道通过导管相连，导管一端伸入到储水积液瓶的底部；所述储油积液瓶与微流控芯片的油通道通过导管相连，导管一端伸入到储油积液瓶的底部；所述CCD相机用于观察液滴生成的大小和形状；所述检测单元一端连接阻抗仪，另一端连接微流控芯片；所述阻抗仪与脉冲计数器连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是:
(1)装置尺寸小:传统微泵的长、宽、高尺寸可分别达到260mm、181mm、198mm，而本装置实施例的整体长、宽分别为60mm、60mm，100mm、25mm，或40mm、40mm，高度在30mm以内，尺寸较小，从而便于携带。
(2)本发明利用电解反应产生的气体将油和水注入微流控芯片中，液滴生成条件简单，操作方便、气体进入储水积液瓶或储油积液瓶的速率可以由压力阀调节，成本低。液滴生成过程中可以通过调节输出电压大小、压力阀以及控制积液池反应溶液的存有量来实现对液滴生成速度的控制。
附图说明
图1为本发明微流控芯片液滴生成装置实施例1的整体结构示意图(图中:1、第一电极；2、第一反应积液瓶；3、第一压力阀；4、储油积液瓶；5、储水积液瓶；6、第二反应积液瓶；7、第二电极；8、第二压力阀；9、微流控芯片；10、CCD相机；11、检测单元；12、阻抗仪；13、脉冲计数器)；
图2为本发明微流控芯片液滴生成装置实施例2的整体结构示意图；
图3为本发明微流控芯片液滴生成装置实施例3的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图进一步介绍本发明。
本发明设计的微流控芯片液滴生成装置(简称装置，参见图1-3)，包括第一电极1、第一反应积液瓶2、第一压力阀3、储油积液瓶4、储水积液瓶5、第二反应积液瓶6、第二电极7、第二压力阀8、微流控芯片9、CCD相机10、检测单元11、阻抗仪12和脉冲计数器13；
所述第一电极1接外部直流电源的正极，安装在第一反应积液瓶2中；所述第二电极7接外部直流电源的负极，安装在第二反应积液瓶6中；所述外部直流电源电压范围为0～40V，型号为APS3005Dm；所述第一反应积液瓶2、第二反应积液瓶6、储油积液瓶4和储水积液瓶5为圆柱体或长方体结构，长方体的尺寸范围均是长5mm～500mm、宽5mm～500mm、高5mm～500mm；所述第一反应积液瓶2和第二反应积液瓶6的底部连通；所述第一反应积液瓶2通过安装有第一压力阀3的导管与储油积液瓶4连接；所述第二反应积液瓶6通过安装有第二压力阀8的导管与储油积液瓶4连接；所述安装有第一压力阀3的导管和安装有第二压力阀8的导管的全部导管端部均在全部积液瓶中液体的液面之上；所述微流控芯片的入口通道由水通道和油通道构成，水通道和油通道形成Y型结构的通道或T型结构的通道，水通道和油通道高度为100μm～200μm，水通道和油通道直径为20～200μm；所述Y型结构的通道中水通道和油通道之间夹角为40°-60°；所述储水积液瓶5与微流控芯片9的水通道通过导管相连，导管一端伸入到储水积液瓶5的底部；所述储油积液瓶4与微流控芯片9的油通道通过导管相连，导管一端伸入到储油积液瓶4的底部；所述CCD相机10与外部计算机相连，用于观察液滴生成的大小和形状，并将采集到的液滴经过时的信息传送到外接计算机；
所述检测单元11由叉指电极构成，检测单元11一端连接阻抗仪12，另一端连接微流控芯片9；所述阻抗仪12与脉冲计数器13连接，并外接计算机；
液滴的生成速率是至少500滴/秒，直径在40μm～200μm之间；
所述第一电极1和第二电极7为石墨电极、铅笔芯或者三维电极。
所述三维电极是在传统二维电极的基础上加上第三电极，即填充电极(粒子电极)。三维电极组成可以是阳极-石墨板、阴极-不锈钢板、粉末状活性炭作为填充电极；也可以是阳极-石墨棒、阴极-石墨棒、颗粒活性炭作为填充电极；也可以是阳极-不锈钢板、阴极-石墨棒、颗粒活性炭作为填充电极等等。
所述第一反应积液瓶2和第二反应积液瓶6装有饱和食盐水，所述储水积液瓶5中装有蒸馏水，储油积液瓶4中装有二甲基硅油。
所述阻抗仪12型号为安捷伦4294A；所述脉冲计数器13型号为GW636。
实施例1(参见图1)
全部积液瓶为底面内径16mm，外径为20mm，高30mm的圆柱瓶，分别独立放置，所加直流电压为0～30V，第一电极1和第二电极7均为石墨电极，第一电极1接直流电源正极，第二电极7接直流电源负极。当直流电源通电后，第一反应积液瓶2中的饱和食盐水电解产生氯气，经过第一压力阀3进入储油积液瓶4中，并将储油积液瓶4中的二甲基硅油压入微流控芯片9的油通道中，与此同时，第二反应积液瓶6中饱和食盐水电解产生氧气，经过第二压力阀8进入储水积液瓶5中，并将储水积液瓶5中的蒸馏水压入微流控芯片9的水通道中，最终与微流控芯片9的油通道中二甲基硅油在Y形通道口处相遇，在微流控芯片9中形成油包水液滴或水包油液滴。第一压力阀3和第二压力阀8可分别控制进入储油积液瓶4和储水积液瓶5气体的速度。CCD相机10用来采集液滴经过时的信息并传送到计算机。检测时，当液滴经过检测单元11的叉指电极时，电极间液滴的电容发生变化，阻抗仪12采集检测单元11中的电容信号，并输出液滴经过时的电压信号给外接计算机和脉冲计数器13，计算机能显示电压信号峰值，脉冲计数器13输出生成的液滴数，计算液滴的生成速率。通过调节直流电源输出电压的大小和压力阀控制来改变气体进入储有油和水积液瓶的速率，进而控制液滴的生成大小和速率。
实施例2(参见图2)
全部积液瓶均为底面25mm×25mm，高20mm的长方体，全部积液瓶并排放置，组成1×4的样式，得到尺寸为100mm×25mm×20mm的长方体结构；所加直流电压为0～30V，第一电极1和第二电极7均为铅笔芯，第一电极1接直流电源正极，第二电极7接直流电源负极。储水积液瓶5中装有蒸馏水，储油积液瓶4中装有二甲基硅油。当直流电源通电后，第一反应积液瓶2中饱和食盐水电解产生氯气，经过第一压力阀3进入储油积液瓶4中，并将储油积液瓶4中的二甲基硅油压入微流控芯片9的油通道中，与此同时，第二反应积液瓶6中饱和食盐水电解产生氧气，经过第二压力阀8进入储水积液瓶5中，并将储水积液瓶5中的蒸馏水压入微流控芯片9的水通道中，最终与微流控芯片油通道中二甲基硅油在T形通道口处相遇，形成油包水液滴或水包油液滴。第一压力阀3和第二压力阀8可分别控制进入储油积液瓶4和储水积液瓶5气体的速度。CCD相机10用来采集液滴经过时的信息并传送到计算机。检测时，当液滴经过检测单元11的叉指电极时，电极间液滴的电容发生变化，阻抗仪12采集检测单元11中的电容信号，并输出液滴经过时的电压信号给外接计算机和脉冲计数器13，计算机能显示电压信号峰值，脉冲计数器13输出生成的液滴数，计算液滴的生成速率。通过调节直流电源输出电压的大小和压力阀控制来改变气体进入储有油和水积液瓶的速率，进而控制液滴的生成大小和速率。
实施例3(参见图3)
全部积液瓶均为底面20mm×20mm，高15mm的长方体，全部积液瓶组成2×2的样式，得到尺寸为40mm×40mm×15mm的长方体结构；所加直流电压为0～30V，第一电极1和第二电极7均为三维电极，第一电极1接直流电源正极，第二电极7接直流电源负极。三维电极组成是阳极-石墨板、阴极-不锈钢板、粉末状活性炭作为填充电极；储水积液瓶5中装有蒸馏水，储油积液瓶4中装有二甲基硅油。当直流电源通电后，第一反应积液瓶2中饱和食盐水电解产生氯气，经过第一压力阀3进入储油积液瓶4中，并将储油积液瓶4中的二甲基硅油压入微流控芯片9的油通道中，与此同时，第二反应积液瓶6中饱和食盐水电解产生氧气，经过第二压力阀8进入储水积液瓶5中，并将储水积液瓶5中的蒸馏水压入微流控芯片9的水通道中，最终与微流控芯片油通道中二甲基硅油在Y形通道口处相遇，形成油包水液滴或水包油液滴。第一压力阀3和第二压力阀8可分别控制进入储油积液瓶4和储水积液瓶5气体的速度。CCD相机10用来采集液滴经过时的信息并传送到计算机。检测时，当液滴经过检测单元11的叉指电极时，电极间液滴的电容发生变化，阻抗仪12采集检测单元11中的电容信号，并输出液滴经过时的电压信号给外接计算机和脉冲计数器13，计算机能显示电压信号峰值，脉冲计数器13输出生成的液滴数，计算液滴的生成速率。通过调节直流电源输出电压的大小和压力阀控制来改变气体进入储有油和水积液瓶的速率，进而控制液滴的生成大小和速率。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (10)
1.一种微流控芯片液滴生成装置，其特征在于所述装置包括第一电极、第一反应积液瓶、第一压力阀、储油积液瓶、储水积液瓶、第二反应积液瓶、第二电极、第二压力阀、微流控芯片、CCD相机、检测单元、阻抗仪和脉冲计数器；
所述第一电极接外部直流电源的正极，安装在第一反应积液瓶中；所述第二电极接外部直流电源的负极，安装在第二反应积液瓶中；所述第一反应积液瓶和第二反应积液瓶的底部连通；所述第一反应积液瓶通过安装有第一压力阀的导管与储油积液瓶连接；所述第二反应积液瓶通过安装有第二压力阀的导管与储油积液瓶连接；所述安装有第一压力阀的导管和安装有第二压力阀的导管的全部导管端部均在全部积液瓶中液体的液面之上；所述微流控芯片的入口通道由水通道和油通道构成；所述储水积液瓶与微流控芯片的水通道通过导管相连，导管一端伸入到储水积液瓶的底部；所述储油积液瓶与微流控芯片的油通道通过导管相连，导管一端伸入到储油积液瓶的底部；所述CCD相机用于观察液滴生成的大小和形状；所述检测单元一端连接阻抗仪，另一端连接微流控芯片；所述阻抗仪与脉冲计数器连接。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴生成装置，其特征在于所述第一电极和第二电极为石墨电极、铅笔芯或者三维电极。
3.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴生成装置，其特征在于所述第一反应积液瓶和第二反应积液瓶装有饱和食盐水；所述储水积液瓶中装有蒸馏水，储油积液瓶中装有二甲基硅油。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴生成装置，其特征在于所述外部直流电源电压范围为0～40V，型号为APS3005Dm。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴生成装置，其特征在于所述水通道和油通道形成Y型结构的通道或T型结构的通道。
6.根据权利要求5所述的微流控芯片液滴生成装置，其特征在于所述Y型结构的通道中水通道和油通道之间夹角为40°-60°。
7.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴生成装置，其特征在于所述水通道和油通道高度为100μm～200μm，水通道和油通道直径为20～200μm。
8.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴生成装置，其特征在于所述检测单元由叉指电极构成。
9.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴生成装置，其特征在于所述第一反应积液瓶、第二反应积液瓶、储油积液瓶和储水积液瓶为圆柱体结构或长方体结构；所述长方体结构的尺寸范围均是长5mm～500mm、宽5mm～500mm、高5mm～500mm；所述圆柱体结构为内径16mm、外径20mm、高30mm。
10.根据权利要求1所述的微流控芯片液滴生成装置，其特征在于生成的水包油液滴或油包水液滴的生成速率至少是500滴/秒，直径是40μm～200μm。
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