CN105107558A - 一种全自动液滴生成系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明提供一种全自动液滴生成系统，包括注射模块、控制器、显微镜图像采集模块和电脑。电脑中内置图像处理模块和液滴生成控制模块。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明一种全自动液滴生成系统，图像处理模块根据适时采集的液滴图像计算的生成液滴的直径，液滴生成控制模块根据图像处理模块计算的液滴的直径与设置的液滴的直径比较，调整注射模块的注射速度，实时调整注射模块中第二注射泵的注射速率，可快速高效的生成特定粒径的液滴，避免了生成液滴操作复杂且粒径无法精确控制的弊端。

Description

一种全自动液滴生成系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及微流体控制技术领域，尤其涉及的是一种全自动液滴生成系统及其控制方法。

背景技术

随着液滴控制技术的发展与成熟，微流控液滴系统已成为一个在微观尺寸上进行化学和生物学研究的重要平台，并成功应用到蛋白结晶、酶分析、化学合成、单分子/单细胞研究等分子与细胞生物学及分析化学研究领域中，而上述领域很多场合液滴直径对实验效果有至关重要的影响。

现有的液滴微流控技术一般根据经验值设置通道的直径和注射泵的速度，在实际的操纵过程中，操作人根据经验设定泵的速度生成液滴,生成液滴操作过程复杂且粒径无法精确控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种全自动液滴生成系统及其控制方法，包括注射模块、控制器和显微镜图像采集模块，根据图像处理模块计算的生成液滴的直径与液滴直径设定值的大小决定注射模块中第二注射泵的注射速率。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种全自动液滴生成系统，包括:

注射模块，所述注射模块包括第一注射泵和第二注射泵，所述第一注射泵内置十六烷作为分散相，所述第二注射泵内置去离子水作为连续相；

控制器，所述控制器的信号输出端与注射模块的信号输入端连接，用于控制第一注射泵和第二注射泵的注射速度；

微流控制芯片，包括T形微通道，T形微通道的第一输入口与第一注射泵的输出口连通，T形微通道的第二输入口与第二注射泵的输出口连通，T形微通道的输出口与液滴收集器皿连通；

显微镜图像采集模块，包括显微镜和摄像机，所述摄像机用于快速实时拍摄微流控制芯片生成的液滴的图像；

电脑，所述电脑的信号输入端与显微镜图像采集模块和控制器的信号输出端连接，所述电脑中内置图像处理模块和液滴生成控制模块，所述图像处理模块根据显微镜图像采集模块采集的液滴图像计算出液滴的直径；所述液滴生成控制模块根据图像处理模块计算的液滴的直径与设置的液滴的直径比较，调整注射模块的注射速度，使得液滴生成的直径与设置的液滴直径相等，自动液滴生成系统进入稳定期。

作为上述方案的进一步优化，所述T形微通道的直径为40-120微米。

一种全自动液滴生成系统的控制方法，包括下述步骤：

(1)、通过控制器设定第一注射泵和第二注射泵的注射速度；

(2)、摄像机快速实时拍摄微流控制芯片生成的液滴的图像，并将图像实时传送给图像处理模块；

(3)、图像处理模块根据拍摄的生成液滴的图像，根据灰度变化判断出液滴的轮廓，标记出来；再通过横向和纵向的像素扫描，找出行和列的最大值，并把行最大值和列最大值相减后求绝对值，

若该绝对值大于设定值，所拍摄的生成的液滴的图像不符合要求，所拍摄的生成的液滴的图像不合格，重新选取；若该绝对值小于设定值，所拍摄的生成的液滴的图像符合要求，所拍摄的生成的液滴的图像合格，将行最大值和列最大值相加再取平均值，该平均值为生成液滴的直径；

(4)、液滴生成控制模块设置液滴直径设定值，判断图像处理模块计算的生成液滴的直径与液滴直径设定值的大小，根据生成液滴的直径与液滴直径设定值，调整第二注射泵的注射速率，使得生成液滴的直径与液滴直径设定值相等；

(5)液滴生成控制模块根据生成液滴的直径与液滴直径设定值相等时的第二注射泵的注射速率，延长摄像机的拍摄周期，持续以该注射速率稳定注射，自动生成液滴；稳定注射过程中，返回步骤(3)。

作为上述方案的进一步优化，所述液滴生成控制模块包括加法器、调整器和D/A转换器，所述加法器根据图像处理模块计算的生成液滴的直径与液滴直径设定值做出相应的差值；所述调整器根据加法器处理的差值判断当前范围，并给出相应的调整值；所述D/A转换器将调整器给出数字信号转换为模拟信号。

本发明相比现有技术，本发明提供的一种全自动液滴生成系统及其控制方法的有益效果体现在：

(1)、本发明提供一种全自动液滴生成系统，包括注射模块、控制器和显微镜图像采集模块，图像处理模块根据适时采集的液滴图像计算的生成液滴的直径，液滴生成控制模块根据图像处理模块计算的液滴的直径与设置的液滴的直径比较，调整注射模块的注射速度，使得液滴生成的直径与设置的液滴直径相等，实时调整注射模块中第二注射泵的注射速率，可快速高效的生成特定粒径的液滴，避免了生成液滴操作复杂且粒径无法精确控制的弊端。

(2)、本发明提供一种全自动液滴生成系统，通过显微镜和摄像机实时采集液滴图像，通过控制器中内置的图像处理系统，实时得到拍摄的液滴图像得出液滴的直径。

(3)、本发明的一种全自动液滴生成系统的控制方法，精确获取采集液滴图像的生成液滴直径，根据生成液滴的直径与液滴直径设定值的比较，自动调整第二注射泵的注射速率，从而快速高效的生成特定粒径的液滴。

本发明的一种全自动液滴生成系统的控制方法，控制流程简单，控制过程自动化，生成液滴粒径满足个性化需求。

附图说明

图1是本发明的一种全自动液滴生成系统的结构示意图。

图2是本发明的一种全自动液滴生成系统的控制方法的控制流程图。

图中：第一注射泵1、第二注射泵2、控制器3、电脑4、摄像机5、微流控制芯片6、液滴收集器皿7。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种全自动液滴生成系统，包括:注射模块、控制器3、微流控制芯片6和电脑4。参见图1，图1是本发明的一种全自动液滴生成系统的结构示意图。注射模块包括第一注射泵1和第二注射泵2，第一注射泵1内置十六烷作为分散相，第二注射泵2中内置去离子水作为连续相。控制器3的信号输出端与注射模块的信号输入端连接，用于控制第一注射泵1和第二注射泵2的注射速度。微流控制芯片6，包括T形微通道，T形微通道的第一输入口与第一注射泵1的输出口连通，T形微通道的第二输入口与第二注射泵2的输出口连通，T形微通道的输出口与液滴收集器皿7连通。显微镜图像采集模块包括显微镜和摄像机5，摄像机5用于快速实时拍摄微流控制芯片6生成的液滴的图像。电脑4的信号输入端与显微镜图像采集模块和控制器3的信号输出端连接，电脑4中内置图像处理模块和液滴生成控制模块，所述图像处理模块根据显微镜图像采集模块采集的液滴图像计算出液滴的直径；所述液滴生成控制模块根据图像处理模块计算的液滴的直径与设置的液滴的直径比较，调整注射模块的注射速度，使得液滴生成的直径与设置的液滴直径相等，自动液滴生成系统进入稳定期。其中，T形微通道的直径为40-120微米。

本发明的一种全自动液滴生成系统的控制方法，包括下述步骤：

(1)、通过控制器设定第一注射泵和第二注射泵的注射速度；

(2)、摄像机快速实时拍摄微流控制芯片生成的液滴的图像，并将图像实时传送给图像处理模块；

(3)、图像处理模块根据拍摄的生成液滴的图像，根据灰度变化判断出液滴的轮廓，标记出来；再通过横向和纵向的像素扫描，找出行和列的最大值，并把行最大值和列最大值相减后求绝对值，

若该绝对值大于设定值，所拍摄的生成的液滴的图像不符合要求，所拍摄的生成的液滴的图像不合格，重新选取；若该绝对值小于设定值，所拍摄的生成的液滴的图像符合要求，所拍摄的生成的液滴的图像合格，将行最大值和列最大值相加再取平均值，该平均值为生成液滴的直径；

(4)、液滴生成控制模块设置液滴直径设定值，判断图像处理模块计算的生成液滴的直径与液滴直径设定值的大小，根据生成液滴的直径与液滴直径设定值，调整第二注射泵的注射速率，使得生成液滴的直径与液滴直径设定值相等；

其中：

(41)若步骤(3)根据图像处理模块计算的生成液滴的直径小于液滴直径设定值，液滴生成控制模块通过控制器减慢第二注射泵的注射速率，直到生成液滴的直径与液滴直径设定值相等；

(42)若步骤(3)根据图像处理模块计算的生成液滴的直径大于液滴直径设定值，液滴生成控制模块通过控制器加快第二注射泵的注射速率，直到生成液滴的直径与液滴直径设定值相等；

(5)液滴生成控制模块根据生成液滴的直径与液滴直径设定值相等时的第二注射泵的注射速率，延长摄像机的拍摄周期，持续以该注射速率稳定注射，自动生成液滴；稳定注射过程中，返回步骤(3)。其中，全自动液滴生成系统还包括报警模块，稳定注射过程中，若生成液滴的直径与液滴直径设定值不相等，系统报警，液滴生成控制模块重新调整第二注射泵的注射速率，直到生成液滴的直径与液滴直径设定值相等，持续以该注射速率稳定注射，自动生成液滴。

其中，液滴生成控制模块包括加法器、调整器和D/A转换器，所述加法器根据图像处理模块计算的生成液滴的直径与液滴直径设定值做出相应的差值；所述调整器根据加法器处理的差值判断当前范围，并给出相应的调整值；所述D/A转换器将调整器给出数字信号转换为模拟信号。

下面给出使用本发明的一种全自动液滴生成系统自动生成液滴的两个实施例：

实施例1

微流控制芯片的T形通道为50微米，生成分散相液滴粒径为30微米的液滴。本实施例采用去离子水为连续相，十六烷为分散相。第一注射泵装满去离子水和第二注射泵装满十六烷。打开分散相注射泵、连续相注射泵、显微镜、摄像机和控制器。控制器给连续相注射泵设置一个速度，让连续相注射泵流动1至2分钟，然后打开分散相注射泵，确定能否生成液滴。通过显微镜目测生成液滴的粒径的大致值，选择比预设粒径大的分散相注射泵的注射速率，以该注射速率为分散相的固定注射速率。在控制器中输入分散相的注射速率和预设粒径，本发明的一种全自动液滴生成系统进入调整期，自动调整连续相注射泵的注射速率，生成粒径为30微米的液滴，进入稳定期，自动生成粒径为20微米的液滴。

实施例2

微流控制芯片的T形通道为100微米，生成分散相液滴粒径为80微米的液滴。本实施例采用去离子水为连续相，十六烷为分散相。第一注射泵装满去离子水和第二注射泵装满十六烷。自动调整分散相的速度，由于通过连续相调整液滴直径属于间接调节，调整速度相对较慢，有时需要连续相改变很大的速度，才能改变很小的分散相液滴的粒径。打开分散相注射泵、连续相注射泵、显微镜、摄像机和控制器。控制器给连续相注射泵设置一个速度，让连续相注射泵流动1至2分钟，然后打开分散相注射泵，通过显微镜目测生成液滴的粒径，调整分散相注射泵和连续相注射泵的注射速率，促进生成较大粒径的液滴，固定连续相注射泵的注射速率。一种全自动液滴生成系统中输入连续相注射泵的注射速率，进入调整期，本发明的一种全自动液滴生成装置自动调整连续相注射泵的注射速率，进入稳定期。

本发明一种全自动液滴生成系统在传统液滴生成装置的基础上，加入了显微镜图像采集模块，液滴生成控制模块根据图像实时采集的液滴直径和设定的液滴直径对比，不断地调整第二注射泵的注射速率，从而达到动态调整液滴直径大小的功能。直到生成的液滴直径和设定的液滴直径误差在允许的范围内，本发明的一种全自动液滴生成系统记下注射参数，进入稳定生成阶段，并且本发明的一种全自动液滴生成系统定时检测生成液滴的直径，如果检测到生成的液滴直径和设定的直径误差大于设定的范围，进而重行进入调整阶段，保证生成一定粒径范围内的液滴。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种全自动液滴生成系统，其特征在于，包括:

注射模块，所述注射模块包括第一注射泵(1)和第二注射泵(2)，所述第一注射泵(1)内置十六烷作为分散相，所述第二注射泵(2)内置去离子水作为连续相；

控制器(3)，所述控制器(3)的信号输出端与注射模块的信号输入端连接，用于控制第一注射泵(1)和第二注射泵(2)的注射速度；

微流控制芯片(6)，包括T形微通道，T形微通道的第一输入口与第一注射泵(1)的输出口连通，T形微通道的第二输入口与第二注射泵(2)的输出口连通，T形微通道的输出口与液滴收集器皿(7)连通；

显微镜图像采集模块，包括显微镜和摄像机(5)，所述摄像机(5)用于快速实时拍摄微流控制芯片(6)生成的液滴的图像；

电脑(4)，所述电脑(4)的信号输入端与显微镜图像采集模块和控制器(3)的信号输出端连接，所述电脑(4)中内置图像处理模块和液滴生成控制模块，所述图像处理模块根据显微镜图像采集模块采集的液滴图像计算出液滴的直径；所述液滴生成控制模块根据图像处理模块计算的液滴的直径与设置的液滴的直径比较，调整注射模块的注射速度，使得液滴生成的直径与设置的液滴直径相等，自动液滴生成系统进入稳定期。

2.根据权利要求1所述的一种全自动液滴生成装置，其特征在于：所述T形微通道的直径为40-120微米。

3.如权利要求1或2所述的一种全自动液滴生成系统的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)、通过控制器设定第一注射泵和第二注射泵的注射速度；

(2)、摄像机快速实时拍摄微流控制芯片生成的液滴的图像，并将图像实时传送给图像处理模块；

(3)、图像处理模块根据拍摄的生成液滴的图像，根据灰度变化判断出液滴的轮廓，标记出来；再通过横向和纵向的像素扫描，找出行和列的最大值，并把行最大值和列最大值相减后求绝对值；

若该绝对值大于设定值，所拍摄的生成的液滴的图像不符合要求，所拍摄的生成的液滴的图像不合格，重新选取；若该绝对值小于设定值，所拍摄的生成的液滴的图像符合要求，所拍摄的生成的液滴的图像合格，将行最大值和列最大值相加再取平均值，该平均值为生成液滴的直径；

(4)、液滴生成控制模块设置液滴直径设定值，判断图像处理模块计算的生成液滴的直径与液滴直径设定值的大小，根据生成液滴的直径与液滴直径设定值，调整第二注射泵的注射速率，使得生成液滴的直径与液滴直径设定值相等；

(5)液滴生成控制模块根据生成液滴的直径与液滴直径设定值相等时的第二注射泵的注射速率，延长摄像机的拍摄周期，持续以该注射速率稳定注射，自动生成液滴；稳定注射过程中，返回步骤(3)。

4.根据权利要求3所述的一种全自动液滴生成系统的控制方法，其特征在于：所述液滴生成控制模块包括加法器、调整器和D/A转换器，所述加法器根据图像处理模块计算的生成液滴的直径与液滴直径设定值做出相应的差值；所述调整器根据加法器处理的差值判断当前范围，并给出相应的调整值；所述D/A转换器将调整器给出数字信号转换为模拟信号。

5.根据权利要求3所述的一种全自动液滴生成系统的控制方法，其特征在于：所述全自动液滴生成系统还包括报警模块，若生成液滴的直径与液滴直径设定值不相等，系统报警。