CN108043483B - 基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置 - Google Patents

基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置，包括箱体以及设置在箱体内的液滴高通量生成模块、浮力调节模块和液滴快速收集模块；所述液滴生成模块、浮力调节模块和所液滴收集模块由下而上位于所述箱体。液滴高通量生成部分模块下层的具有流体均匀分散结构的微通道底板可以实现分散相液体的均匀注入，上层的具有两级压力梯度的阵列通孔的盖片层可以实现液滴的大量生成，稳定生产液滴时的压力，避免相互间的扰动，控制生成液滴的大小，避免液滴碰撞而产生损伤。浮力调节模块通过对连续相液体密度的调节来改变分散相液体受到的浮力和表面张力，实现基于密度调控的液滴生成，控制生成液滴的大小以及调节液滴生成的速率。

Description

基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置
技术领域
本发明涉及一种液滴生成和收集装置，具体涉及的是一种为实现液滴量产和控制液滴生成速率而设计的基于密度调控的高通量的液滴生成和收集装置。
背景技术
微液滴是近年来在微流控芯片上发展起来的一种操控微小体积液体的技术，其原理为：将两种互不相溶的液体，其中一种作为连续相，另一种作为分散相，连续相和分散相同时进入微通道后，在微通道的作用下，分散相以微小体积单元的形式分布于连续相中，形成一系列离散的微液滴，每个微液滴可以作为一个微反应器，完成一组化学或生物反应。
目前，在微流控芯片中制备微液滴主要是依靠设计不同的微通道来连续生成。但是现有的微流控芯片中的液滴生成方式还难以实现不仅单分散性好，而且能够高通量生产的微液滴，因此在将液滴应用于较大通量的液滴筛选和合成的场合时，难以满足大量液滴生产的需求。同时在微通道中很难保证各通道中流体的量相对一致，液滴流经管道时会发生碰撞，严重影响液滴的形状。现有的调节液滴生成速度的方式有改变分散相或连续相的注入速度，但其实现方式是一次一滴乳化的形式，影响液滴的大量生成，而如果将高密度液体直接注入生成装置中，液体很难混合均匀，导致各处液体密度分布不均，影响液滴的生成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置，该装置能够实现大量生产均匀液滴、控制液滴生成和上升速度以及有效快速收集液滴。
为解决液滴生成装置上存在的技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置，其特征在于：包括箱体以及设置在箱体内的液滴高通量生成模块、浮力调节模块和液滴快速收集模块；所述液滴生成模块、浮力调节模块和所液滴收集模块由下而上位于所述箱体；
所述液滴高通量生成模块由微通道底层和盖片层组成；所述微通道底层具有流体均匀分散结构的微通道，该微通道包括主管路微通道及与主管路微通道相连接的多个H型分叉微通道，分散相液体通过主管路微通道流入至H型分叉微通道末端；所述盖片层具有两级压力梯度阵列通孔，每个通孔的下级与上级截面比值为6-21，所述两级压力梯度阵列通孔的底部与H型分叉微通道的末端重合；
所述浮力调节模块由流体进口通道、流体出口通道、连续相通道和密度计组成；所述连续相通道为由分布管在平面内折绕形成的窗格结构，在分布管上设置有分布小孔，高密度连续相液体通过位于分布管上分布小孔注入所述箱体中，所述密度计从所述的液滴快速收集模块的顶部置入所述的箱体中的连续相液体中，用来测量所述箱体中连续相液体的密度。
通过所述液体进口通道和所述的出口通道分别注入高密度液体和排出低密度液体，控制通过液体进、出口通道中液体的流量来调整连续相的密度，从而调节分散相液体受到的浮力和表面张力，达到控制液滴的生成速度、液滴的生成大小和液滴上升速度的目的。
所述液滴快速收集模块由液滴上升通道、液滴储存室和出口组成；液滴在所述箱体内连续相液体的浮力作用下通过所述液滴上升通道进入所述液滴储存室。
所述液滴高通量生成模块在所述箱体的截面内分成多个区域，每个区域上方设置一个所述液滴上升通道。
所述液滴上升通道呈喇叭形。
通孔的下级为圆柱型结构，通孔的上级为方形结构。
具有流体分散结构的微通道底板表面均设有主管路微通道及与主管路微通道相连接的多个H型分叉微通道。分散相液体从大流道不断地进入小流道，流量能更加均匀地充满整个流道。具有流体分散结构的微通道底板可以使得分散相的注入更加均匀，尽量减少各通道之间流量的差别。
具有两级压力梯度的阵列通孔的盖片层具有两级结构，下级为圆柱型结构，上级为方形结构，从而形成一种渐扩的结构，方形结构的边长和圆柱型结构的直径之间比的范围为6-21。具有两级压力梯度的阵列通孔的底部与具有流体均匀分散结构的流道的末端重合，使得分散相可以从具有流体均匀分散结构的微通道的末端通过具有两级压力梯度的阵列通孔进入连续相中。这种结构能够使微液滴在生成时能受到一个更大的拉力，使微液滴更容易生成，同时将本来在大空间中的压力变化控制在方形结构中，稳定微液滴生成时所受到的压力，避免互相之间的扰动。
区域化连续相通道为窗格结构，在通道中间和转角处都布有小孔，连续相液体从一侧进入区域化连续相通道，沿流道流动从另一侧离开。这种窗格结构可以使连续相液体均匀地流经整个区域，通过通道中间和转角处的小孔从区域的各处扩散进入箱体的连续相中。区域化连续相通道可以实现从区域各处注入高密度连续相液体的目的，使得高密度连续相液体分布得更加均匀分散，从而能够更加稳定地调节箱体中的连续相的密度。
液滴快速收集模块的液滴上升通道为漏斗形结构，每个具有两级压力梯度的阵列通孔区域对于一个液滴上升通道。液滴上升通道的尺寸大，微液滴有很大的上升空间，不会在上升过程中发生碰撞，同时漏斗形结构易于将所述的微液滴集中起来，便于快速收集。
箱体与微流控芯片紧密连接，箱体中充满了连续相液体，分散相液体的密度小于连续相液体的密度，在具有两级压力梯度的阵列通孔的顶部基于浮力和表面张力来生成微液滴。液滴高通量生成模块可以实现分散相液体的均匀注入，利用浮力生成微液滴，控制生成的微液滴的大小，稳定微液滴生成时的压力，避免相互间的扰动，同时也能避免微液滴生成时发生碰撞而产生损伤。
通过流体进口通道和流体出口通道分别注入高密度液体和排出低密度液体来调整连续相的密度，调节分散相液体受到的浮力和表面张力，从而控制微液滴生成速度和微液滴的生成大小。液体进口通道上配有调节阀和流量计，用来控制液体的注入速度和注入量，液体出口通道上也配有调节阀和流量计，用来控制流出的液体量与流出速度，使流入和流出的流量相同。浮力调节装置可以实现通过改变浮力和表面张力来调整液滴生成速度和上升速度的目的。
微液滴在浮力作用下上升，最终进入到液滴储存器中储存，然后从出口导出微液滴加以利用。液滴上升通道顶部与液滴储存室底部紧密连接。液滴储存室位于整个装置的顶部，液滴储存室顶部布置有液滴出口。液滴收集装置可以为液滴上升提供可靠的通道，避免液滴在上升过程中发生碰撞，损伤液滴，提高液滴的收集效果，液滴储存器容量大，能储存更多的液滴。
受均匀分散、高通量浮力生成以及密度调控理论和实际应用等的启发，为实现稳定的液滴高通量生成，准确稳定地调控密度，快速有效地收集液滴，本发明将微流控芯片设计成具有流体均匀分散结构和两级压力梯度结构，将密度调控装置设计成窗格结构以及将上升通道设计成喇叭形结构。该方式不仅能够实现稳定的液滴高通量生成，还能准确稳定地调控密度以及快速有效地收集液滴。
有益效果
本发明公开了一种基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置。液滴高通量生成模块下层的具有流体均匀分散结构的微通道底板可以实现分散相液体的均匀注入，上层的具有两级压力梯度的阵列通孔的盖片层可以实现液滴的大规模生成，稳定液滴生成时受到的压力，避免相互间的扰动，控制生成液滴的大小，以及避免液滴碰撞而产生损伤。浮力调节模块通过对连续相液体密度的调节来改变分散相液体受到的浮力和表面张力，实现基于密度调控的液滴生成，控制生成液滴的大小以及调节液滴生成的速率。上升通道的尺寸相对微液滴来说很大，给微液滴足够的上升空间，可以尽量避免液滴在上升和收集过程中的碰撞和损伤，同时液滴储存室容积大，能完成对于大量生成的液滴的快速收集和储存的任务。
附图说明
图1为本发明的基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置立体结构示意图。
图2为本发明的基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置的工作示意图。
图3为本发明的液滴高通量生成模块立体结构示意图。
图4为本发明的液滴高通量生成模块具有阵列通孔的盖片层立体结构示意图。
图5为本发明的单个阵列通孔示意图。
图6为本发明的浮力调节模块区域化连续相流道立体结构示意图。
图7为本发明的区域化连续相流道整体流动示意图。
图8为本发明的区域化连续相流道局部结构示意图。
图9为本发明的液滴快速收集模块立体结构示意图。
图中，1.具有流体均匀分散结构的微通道底板，2.分散相流体入口，3.具有流体均匀分散结构的微通道，4.具有两级压力梯度的阵列通孔的盖片板，5.具有两级压力梯度的阵列通孔，6.箱体，7.连续相流体进口通道，8.连续相流体出口通道，9.区域化连续相通道，10.液滴上升通道，11.液滴储存室，12.密度计，13.出口，14.区域化连续相通道出口孔。
具体实施方式
下面结合附图说明进行更进一步的详细说明：
图1为基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置立体结构示意图，是由液滴高通量生成模块、浮力调节模块和液滴快速收集模块组成。具有流体均匀分散结构的微通道底板1、具有两级压力梯度的阵列通孔的盖片板4和箱体6紧密连接，箱体6与连续相流体进口通道7、连续相流体出口通道8、区域化连续相流道9紧密连接，液滴上升通道10和液滴储存室11、密度计12、出口13相接，液滴储存室11和箱体6相接。
图2为一种基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置的工作示意图，如图所示，分散相流体从入口2进入具有流体均匀分散结构的微通道底板1，均匀注满流道，分散相流体通过具有两级压力梯度的阵列通孔5进入箱体6中，箱体6中充满连续相流体，在具有两级压力梯度的阵列通孔5处产生液滴，液滴在浮力的驱动下上升，经过液滴上升通道10，进入液滴储存室11，从出口13中导出加以利用。通过连续相流体进口通道7、连续相流体出口通道8、区域化连续相流道9和密度计12来调节箱体6中连续相的密度，从而调整液滴生成速度和上升速度。
图3所示为液滴高通量生成模块立体结构示意图，由具有流体均匀分散的微通道底板1和具有两级压力梯度的阵列通孔的盖片板4组成。具有流体均匀分散的微通道底板1和具有两级压力梯度的阵列通孔的盖片板4均为方形立体结构。
图4给出了液滴高通量生成模块中具有两级压力梯度的阵列通孔的盖片层立体结构示意图，阵列通孔均匀地分布在盖片层上，该具有两级压力梯度的阵列通孔结构能够实现大规模生成液滴，避免液滴生成时发生碰撞而产生损伤，
图5给出了单个阵列通孔的立体结构示意图，阵列通孔分为两级，下级为一个圆柱型结构，上级为一个方体结构，形成一种渐扩的结构，使得微液滴在生成时能受到一个更大的拉力，让液滴更容易生成，同时能够稳定微液滴生成时受到的压力，避免产生扰动。
图6为浮力调节模块中区域化连续相通道的立体结构示意图。区域化连续相通道为窗格结构，从连续相进口7进入，沿着区域化连续相通道流过整个平面区域，且与微液滴的上升路线错开，避免与上升的微液滴发生碰撞，在通道中间和转角处都布有小孔，使得连续相液体可以通过小孔扩散到箱体中。
图7给出了区域化连续相通道中连续相液体的流动示意图。连续相液体从左侧进入，经区域化连续相流道到达位于通道中间和转角处的小孔，从小孔处扩散进入箱体中，剩余的连续相液体从右侧离开。
图8给出了区域化连续相流道局部结构示意图，高密度的液体通过区域化连续相流道通道中间和转角的小孔注入箱体中，能够更加均匀地改变装置中连续相的密度，并通过所述的密度计调节所需要的密度，可以实现通过改变浮力和表面张力来调整液滴生成速度和上升速度的目的。
图9为液滴快速收集装置立体结构示意图，是由液滴上升通道10、液滴储存室11和出口组成。每个阵列通孔区域对应一个液滴上升通道，液体上升通道为喇叭形，可以为液滴上升提供可靠的通道，避免液滴在上升过程中发生碰撞，损伤液滴。液滴储存器11容量大，能储存更多的液滴。液滴从出口导出加以利用。

Claims (5)

1.一种基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置，其特征在于：包括箱体以及设置在箱体内的液滴高通量生成模块、浮力调节模块和液滴快速收集模块；所述液滴高通量生成模块、浮力调节模块和所述液滴快速收集模块由下而上位于所述箱体；
所述液滴高通量生成模块由微通道底层和盖片层组成；所述微通道底层具有流体均匀分散结构的微通道，该微通道包括主管路微通道及与主管路微通道相连接的多个H型分叉微通道，分散相液体通过主管路微通道流入至H型分叉微通道末端；所述盖片层具有两级压力梯度阵列通孔，每个通孔上级的边长与下级的直径比值为6-21，所述两级压力梯度阵列通孔的底部与H型分叉微通道的末端重合；
所述浮力调节模块由流体进口通道、流体出口通道、连续相通道和密度计组成；所述连续相通道为由分布管在平面内折绕形成的窗格结构，在分布管上设置有分布小孔，高密度连续相液体通过位于分布管上分布小孔注入所述的箱体中。
2.根据权利要求1所述的一种基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置，其特征在于：所述液滴快速收集模块由液滴上升通道、液滴储存室和出口组成；液滴在所述箱体内连续相液体的浮力作用下通过所述液滴上升通道进入所述液滴储存室。
3.根据权利要求2所述的一种基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置，其特征在于：所述液滴高通量生成模块在所述箱体的截面内分成多个区域，每个区域上方设置一个所述液滴上升通道。
4.根据权利要求3所述的一种基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置，其特征在于：所述液滴上升通道呈喇叭形。
5.根据权利要求1所述的一种基于密度调控的高通量液滴生成和收集装置，其特征在于：通孔的下级为圆柱型结构，通孔的上级为方形结构。
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