CN107515624A - 一种基于电润湿台阶乳化的液滴制备与尺寸控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于电润湿台阶乳化的液滴制备及尺寸控制装置,其包括注射泵、金属管道、微流道、电极板、连续相容器、直流电源,注射泵、金属管道、微流道依次连接,微流道的出口夹持并封装在两块电极板中间,电极板由基底层、导电层、绝缘层和疏水层四层组成,直流电源的负极与金属管道相连,直流电源的正极与电极板的导电层相连,注射泵中灌满离散相流体,连续相容器中注入连续相流体,且使其浸没电极板。本发明在恒定的流量下调节电源电压从而改变接触角就能改变液滴的大小,也可以在流量抖动的情况下调整电压来稳定微液滴的生成,以此制备超均匀微液滴。该超均匀微液滴在化工、制药、生物医学、生物化学等领域有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及微流控领域以及化工、生物制药技术领域,尤其是涉及一种基于电润湿台阶乳化的液滴制备及尺寸控制装置。
背景技术
微液滴在化工、制药和生物化学中有广泛的应用,超均匀的微液滴可以作为标准液滴,也可以应用在高精度的生化免疫实验等领域。一些常见的制备方法如喷雾法等,制备的液滴均匀性不够高;相比之下,微流控法能得到较高的精度,并且有很高的可控制性,逐渐成为制备微液滴的重要方法。
常见的微流控制备微液滴的方法有T型通道法、聚焦法、共轴流动法、台阶乳化法等。对于传统的台阶乳化来说,一旦设备固定后只能通过调节流量来调节微液滴的尺寸,且微液滴尺寸调节范围极其有限。在制备超均匀微液滴时精确的微纳级别流量控制很难完成,难免存在一定的流量波动并要求流量的快速响应,对整个流体系统都要有很高的要求,实际应用中难以实现。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种基于电润湿的液滴制备及尺寸控制装置,能够提高微液滴的可控性,既可以在更大范围内调整微液滴的尺寸,也可以利用电润湿的特性来消除流量波动造成的微液滴尺寸波动,从而制备超均匀的微液滴。具体技术方案如下:
一种基于电润湿台阶乳化的液滴制备与尺寸控制装置,其包括注射泵1、金属管道3、微流道4、电极板5、连续相容器6、直流电源7,所述的注射泵1、金属管道3、微流道4依次连接,所述的微流道4的出口夹持并封装在两块所述的电极板5中间,所述的电极板5由基底层、导电层、绝缘层和疏水层四层组成,所述的直流电源7的负极与所述的金属管道3相连,所述的直流电源7的正极与所述的电极板5的导电层相连,所述的注射泵1中灌满离散相流体,所述的连续相容器6中注入连续相流体,且使其浸没所述的电极板5;推动所述的注射泵1,使所述的电极板5的下端产生液滴,打开所述的直流电源7使所述的微流道4 中的离散相流体带负电,所述的两个电极板5带正电并形成电容,当注射泵1 的流量变化时,通过调整所述的直流电源7的电压大小来调整所述的液滴的尺寸,稳定获取指定直径的液滴。
进一步地,其还包括流量传感器2和单片机8,所述的流量传感器2连接在所述的注射泵1和所述的金属管道3之间,所述的单片机8的信号采集口与所述的流量传感器2相连,所述的单片机8的控制信号输出口与所述的直流电源7 的通讯口相连,所述的单片机8根据历史测试得到的每个液滴直径、流量和电压的函数关系自动检测当前流量并调整直流电源的电压,得到均匀的指定直径的液滴。
进一步地,所述的两片电极板5之间的距离为h,所述的微流道4的出口距离所述的电极板5的底端的距离l,l和h满足l≥3h。
进一步地,所述的离散相流体配方为甘油80wt%、水19wt%、氯化钠1wt%;所述的连续相流体为硅油和表面活性剂,配方为硅油95wt%、表面活性剂5wt%。
进一步地,所述的电极板的基底层采用高透明玻璃,导电层采用氧化铟锡镀膜,绝缘层采用聚酰亚胺镀膜,疏水层采用特氟龙AF1600旋涂镀膜。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)相比于其他微液滴制备,电润湿台阶乳化产生的微液滴单分散性更好,制备过程更加稳定。
(2)相比于普通的台阶乳化,电润湿台阶乳化能通过电压的调节来调整微液滴的尺寸,能在更大的范围内迅速地调整液滴大小,系统反应速度优于传统的流量控制法,并且能够和流量调节法一同使用扩大微液滴尺寸可调节空间。
(3)本发明可以通过实时流量监测检测到流量的波动情况,通过单片机调控来稳定微液滴尺寸,消除由于流量波动引起的微液滴尺寸波动,大幅度减小微液滴的变异系数,制备超均匀的毫米级液滴。
附图说明
图1为本发明的基于电润湿的液滴制备及尺寸控制装置示意图;
图2为加入单片机和流量传感器后的基于电润湿的液滴制备及尺寸控制装置示意图;
图3为电极板的结构示意图;
图4为采用图1所示的装置测得的液滴直径、流量、电压曲线示意图;
图5为采用图2所示的装置测得的液滴直径、流量的曲线示意图。
图中,1-注射泵,2-流量传感器,3-金属管道,4-微流道,5-电极板,6-连续相容器,7-直流电源,8-单片机。
具体实施方式
以下结合附图和附表实施例对本发明作进一步详细描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,一种基于电润湿的液滴制备及尺寸控制装置,其包括注射泵1、金属管道3、微流道4、电极板5、连续相容器6、直流电源7,注射泵1、金属管道3、微流道4依次连接,微流道4的出口夹持并封装在两块电极板5中间,电极板5由基底层、导电层、绝缘层和疏水层四层组成,如图3所示,直流电源 7的负极与金属管道3相连,直流电源7的正极与电极板5的导电层相连,微流道4中充满离散相流体,连续相容器6中的连续相流体浸没电极板5。
离散相流体为导电溶液,具体配方为甘油80wt%、水19wt%、氯化钠1wt%,并装入注射泵中。连续相为硅油,在硅油中加入5wt%质量分数的表面活性剂(道康宁749),并装在连续相容器中。
电极板5的基底层和导电层采用氧化铟锡镀膜玻璃,导电层采用氧化铟锡镀膜,绝缘层采用聚酰亚胺镀膜,疏水层采用特氟龙AF1600旋涂镀膜。先用砂纸将导电玻璃边缘的约几十微米导电层去除。用二甲基甲酰胺:聚酰亚胺体积比为 3:1的稀释浓度聚酰亚胺溶液涂抹上在氧化铟锡玻璃上,调节甩胶机速度为 5000rmp,甩胶一分钟。甩胶后进行烘箱烘干处理,具体步骤为70℃烘5小时, 120℃烘8小时,220℃烘10小时。将烘干后的电极板喷上疏水剂后晾干,并进行两侧约1mm的绝缘层去除处理并用导电银胶连接导线到此处。两片电极板的距离为h=0.3mm,微通道出口与离散相出口接头下侧的距离为1.5mm。
在直流电源7的正极与电极板5的导电层相连前,需对电极板5的接口部分进行去除疏水层处理,暴露出导电层,并且对微液滴出口处进行微米级的磨边,做导电层去除处理。
推动注射泵1,使电极板5的下端产生液滴,打开直流电源7使微流道4中的离散相流体带负电,两个电极板5带正电,二者形成电容,通过调整直流电源的电压大小来调整液滴的尺寸。
图4给出了采用图1中的装置测试得到的液滴直径、流量、电压曲线示意图。不施加电压单独以流量控制时(电压为0的一条直线),微液滴尺寸范围为 [1070,1220](单位um);联合流量电压进行调节时,以最大流量130ul/min为例,电压从0逐渐升高到20v时,微液滴尺寸最大值从1220um逐渐增大到1350um。可见本实施例中流量和电压联合调控,将微液滴尺寸的可控区间从[1070,1220] (单位um)拓宽到[1070,1350](单位um),再加大电压能使上限进一步提高。图中还可以看出流量和电压共同决定了最终的微液滴尺寸,当流量从60ul/min 逐渐增大到100ul/min,电压从20v减小到2v,最终微液滴尺寸都约为1200um,所以利用本曲线图可以设计自动控制系统来控制电压流量,最终制备指定大小的超均匀微液滴。
为了实现对液滴直径的自动控制,得到均匀的指定直径的液滴,本发明的基于电润湿的液滴制备及尺寸控制装置还包括流量传感器2和单片机8,流量传感器2连接在注射泵1和金属管道3之间,单片机8的信号采集口与流量传感器2 相连,单片机8的控制信号输出口与直流电源7的通讯口相连,如图2所示,单片机根据历史测试得到的每个液滴直径、流量和电压的函数关系自动检测当前流量和调整直流电源的电压,得到均匀的指定直径的液滴。
经过单片机自动控制的微液滴制备结果绘制在图5的“电润湿控制的拟合曲线”中,为了对比控制效果,绘制了一组未施加控制的数据在图5“未施加控制的拟合曲线”中,如图5所示。从图中可以看出,实施电润湿控制时,随着流量从 40ul/min到80ul/min增大,微液滴尺寸始终稳定在预设的1200um附近,拟合曲线斜率较小;未施加控制时,微液滴尺寸随着流量增大而增大,从40ul/min时的1170um增大到80ul/min时的1220um。很明显电润湿自动控制使得微液滴整体变异系数迅速减小,起到了消除流量波动、稳定微液滴尺寸的作用。如果进一步提高激励电压精度和流量测量精度,该控制系统能够制备出超均匀的毫米级液滴。
Claims (4)
1.一种基于电润湿台阶乳化的液滴制备与尺寸控制装置,其包括注射泵(1)、金属管道(3)、微流道(3)、电极板(5)、连续相容器(6)、直流电源(7),所述的注射泵(1)、金属管道(3)、微流道(3)依次连接,所述的微流道(4)的出口夹持并封装在两块所述的电极板(5)中间,所述的电极板(5)由基底层、导电层、绝缘层和疏水层四层组成,所述的直流电源(7)的负极与所述的金属管道(3)相连,所述的直流电源(7)的正极与所述的电极板(5)的导电层相连,所述的注射泵(1)中灌满离散相流体,所述的连续相容器(6)中注入连续相流体,且使其浸没所述的电极板(5);推动所述的注射泵(1),使所述的电极板(5)的下端产生液滴,打开所述的直流电源(7)使所述的微流道(3)中的离散相流体带负电,所述的两个电极板(5)带正电并形成电容,当注射泵(1)的流量变化时,通过调整所述的直流电源(7)的电压大小来调整所述的液滴的尺寸,稳定获取指定直径的液滴。
2.根据权利要求1所述的基于电润湿的液滴制备及尺寸控制装置,其还包括流量传感器(2)和单片机(8),所述的流量传感器(2)连接在所述的注射泵(1)和所述的金属管道(3)之间,所述的单片机(8)的信号采集口与所述的流量传感器(2)相连,所述的单片机(8)的控制信号输出口与所述的直流电源(7)的通讯口相连,所述的单片机(8)根据历史测试得到的每个液滴直径、流量和电压的函数关系自动检测当前流量并调整直流电源的电压,得到均匀的指定直径的液滴。
3.根据权利要求1或2所述的基于电润湿的液滴制备及尺寸控制装置,所述的两片电极板(5)之间的距离为h,所述的微流道(4)的出口距离所述的电极板(5)的底端的距离l,l和h满足l≥3h。
4.根据权利要求1所述的基于电润湿的液滴制备及尺寸控制装置,所述的离散相流体配方为甘油80wt%、水19wt%、氯化钠1wt%;所述的连续相流体为硅油和表面活性剂,配方为硅油95wt%、表面活性剂5wt%。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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