CN105772129A - 集成微流控设备及制备微液滴的方法 - Google Patents

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韩雪兵
陈琬钰
王昭君
郭雪岩
张建华
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Abstract

本发明涉及一种集成微流控设备及制备微液滴的方法，由结构自相似、尺寸由大至小的数个对流聚焦型微通道集成，通过对微通道上不同位置流道打开和关闭的选择，以实现制备不同分散尺寸微液滴，单级微通道包括渐缩管、直管、气体流入管和液滴流出管，渐缩管大直径一端与上一级微通道直管连接，大直径一端为该级微通道的液体入口，小直径一端与直管相连；临近渐缩管小直径一端，气体流入管与直管呈十字连接；直管末端与下一级微通道渐缩管相连接；临近直管末端，液滴流出管与直管T型连接，在气体流入管与直管、直管末端出口、液滴流出管与直管连接处均有打开和关闭开关装置。多级对流聚焦型微通道联合工作，以满足制备不同分散尺寸微液滴的要求。

Description

集成微流控设备及制备微液滴的方法
技术领域
本发明涉及一种微流控设备，特别涉及一种集成微流控设备及制备微液滴的方法。
背景技术
微液滴在石油开采、食品添加、制药、化妆品、化学反应催化等工业领域发挥着重要作用。目前微液滴的制备方法主要有2种：①使用喷嘴装置；②利用微流控设备。其中利用微流控设备可精确控制液滴分散尺寸在数微米至数毫米范围内，且液滴直径的相对偏差<5％。
利用微流控设备制备液滴的主要原理如下：将液体和气体分别经各自的管道通入微流控设备内，在液体和气体的交汇处，气体动量克服气液界面间的表面张力，将连续流动的液体剪断，形成分散在气体内的微液滴与气体一起自出口流出。此时，液体又被称为离散相，而气体为连续相。
微流控设备主要分为毛细流聚焦、T型微通道、Y型微通道等几类。目前对单一结构微流控设备内的液滴状态的研究结果表明，就某一单一结构的微流控设备而言，可通过改变流量、黏度、表面张力等操作条件与物性参数来调整其制备液滴的大小，但所获得最大分散尺寸与最小分散尺寸的比值大多在3以下，分散尺度的改变程度有限，限制了制备效率的进一步提高。目前尚没有一个单一结构微流控设备可满足大范围制备液滴分散尺寸的要求。
发明内容
本发明是针对现有单一微流控设备无法满足大范围分散尺寸微液滴制备的问题，提出了一种集成微流控设备及制备微液滴的方法，实现使用一个集成微流控设备制备大范围分散尺寸微液滴的功能。
本发明的技术方案为：一种集成微流控设备，其特征在于，由结构自相似、尺寸由大至小的数个单级对流聚焦型微通道集成，通过对微通道上不同位置流道打开和关闭的选择，以实现制备不同分散尺寸微液滴，单级对流聚焦型微通道包括渐缩管、直管、气体流入管和液滴流出管，渐缩管大直径一端与上一级对流聚焦型微通道直管连接，渐缩管大直径一端为该级微通道的液体入口，渐缩管小直径一端与直管相连；临近渐缩管小直径一端，气体流入管与直管呈十字连接，连接处有打开和关闭开关装置；直管末端与下一级微通道渐缩管相连接，连接处有打开和关闭开关装置；临近直管末端，液滴流出管与直管T型连接，连接处有打开和关闭开关装置。
所述集成微流控设备制备微液滴的方法，生成大尺寸微液滴，液体自第一级对流聚焦型微通道渐缩管大直径一端流入，打开与第一级直管呈十字连接的气体流入管道开关，气体流入微通道，将第一级直管内液体剪为所需尺寸的液滴，关闭第一级直管末端开关，打开与第一级直管T型连接的液滴流出管开关，制备好的液滴流出微流控设备；
生成小尺寸微液滴，将除末级外其他各级气体流入管与液滴流出管开关关闭，将各级微通道中直管与下一级渐缩管连接处开关打开，液体自集成微流控设备入口流入末级微通道，再由流入末级的气体将该级直管内液体剪为小尺寸液滴并由末端液滴流出管流出，得到所需小尺寸微液滴。
本发明的有益效果在于：本发明集成微流控设备及制备微液滴的方法，将尺寸由大至小、结构自相似的单一对流聚焦型微流控设备进行组合，通过对特定位置打开/关闭的选择以实现使用一个集成微流控设备制备大范围分散尺寸微液滴的功能，降低成本，提高效率。同时为微流控设备集成提供思路，以满足多尺寸液滴制备需求的思想为基础，将T型微通道、Y型微通道、共流聚焦微通道、对流聚焦微通道和扩张对流聚焦微通道等多种类型组合为一个有着复合结构的集成微流控设备，以满足制备不同分散尺寸、流型微液滴要求。
附图说明
图1为本发明两级集成微流控设备示意图。
具体实施方式
集成微流控设备将结构自相似、尺寸由大至小的数个单级对流聚焦型微通道集成，通过对微通道上不同位置流道打开和关闭的选择，以实现制备不同分散尺寸微液滴。单级对流聚焦型微通道包括如下部件：①渐缩管；②直管；③气体流入管；④液滴流出管。渐缩管大直径一端可与上一级对流聚焦型微通道直管连接，渐缩管大直径一端为该级微通道的液体入口，渐缩管小直径一端与直管相连。临近渐缩管小直径一端，气体流入管与直管呈十字连接，连接处有打开和关闭开关装置。直管末端与下一级微通道渐缩管相连接，连接处有打开和关闭开关装置。临近直管末端，液滴流出管与直管T型连接，连接处有打开和关闭开关装置。图1为两级集成微流控设备示意图，1、2为渐缩管，3、4为气体流入管，5、6为直管，7、8为液滴流出管，9、10为气体入口，11为微流控设备的液体入口，12、13为液滴出口，14、15、16、17、18、19为可选择打开/关闭位置。
现对微液滴制备过程进行说明：液体自11流入，将位置14打开，则气体自9流入，此时形成一个对流聚焦型微通道装置，将位置18关闭，位置16打开，流动聚焦生成的较大尺寸液滴可自12流出；当需要生成小尺寸的液滴时可将位置14、16、19关闭，位置18、15、17打开，则由11流入的液体经渐缩管1、直管5、渐缩管2流入直管6，被10流入的气体剪断为较小的液滴，自13流出。
若生成微气泡，只需将上诉过程中气液相入口交换即可。
通过改变入口结构来调整液滴产生方式，以进一步拓宽液滴的产生方式。集成三级、四级甚至更多级自相似微流控设备，改变每级微通道的尺寸，非自相似结构微流控设备集成。交换气液相入口，产生微气泡。

Claims (2)

1.一种集成微流控设备，其特征在于，由结构自相似、尺寸由大至小的数个单级对流聚焦型微通道集成，通过对微通道上不同位置流道打开和关闭的选择，以实现制备不同分散尺寸微液滴，单级对流聚焦型微通道包括渐缩管、直管、气体流入管和液滴流出管，渐缩管大直径一端与上一级对流聚焦型微通道直管连接，渐缩管大直径一端为该级微通道的液体入口，渐缩管小直径一端与直管相连；临近渐缩管小直径一端，气体流入管与直管呈十字连接，连接处有打开和关闭开关装置；直管末端与下一级微通道渐缩管相连接，连接处有打开和关闭开关装置；临近直管末端，液滴流出管与直管T型连接，连接处有打开和关闭开关装置。
2.根据权利要求1所述集成微流控设备制备微液滴的方法，其特征在于，生成大尺寸微液滴，液体自第一级对流聚焦型微通道渐缩管大直径一端流入，打开与第一级直管呈十字连接的气体流入管道开关，气体流入微通道，将第一级直管内液体剪为所需尺寸的液滴，关闭第一级直管末端开关，打开与第一级直管T型连接的液滴流出管开关，制备好的液滴流出微流控设备；
生成小尺寸微液滴，将除末级外其他各级气体流入管与液滴流出管开关关闭，将各级微通道中直管与下一级渐缩管连接处开关打开，液体自集成微流控设备入口流入末级微通道，再由流入末级的气体将该级直管内液体剪为小尺寸液滴并由末端液滴流出管流出，得到所需小尺寸微液滴。
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