CN108212236B - 一种实现液滴对/气泡对同步运动并融合的微流控芯片 - Google Patents

一种实现液滴对/气泡对同步运动并融合的微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现液滴对/气泡对同步运动并融合的微流控芯片，离散相入口设置在连续相入口围护的中间，稀释入口设置在离散相入口的通道与连续相入口的通道连接后的交汇通道上；离散相入口的通道与连续相入口的通道交汇处为交汇处a，连续相将离散相挤断成离散化的液滴/气泡；生成后的液滴/气泡在微通道的引导下流向稀释交汇处b；交汇通道与T形通道连接处为分裂交汇处c，液滴/气泡流过分裂交汇处c时分裂成两个相等的液滴/气泡，由于T形通道液滴对/气泡对会同步到达融合交汇处d；最终所有的流体从出口流出并收集处理。本发明在对称结构和对称流动的作用下，液滴对同步流动到交汇处相遇，满足了液滴对融合特性的研究。

Description

一种实现液滴对/气泡对同步运动并融合的微流控芯片
技术领域
本发明涉及一种新型微流控芯片，利用通道结构引导液滴/气泡以实现液滴对/气泡对的同步运动和相遇融合。
背景技术
微液滴技术是微流控技术的重要分支之一，近年来得到迅速发展。微液滴系统具有体积小，比表面积大，速度快，通量高，大小均匀，体系封闭等突出优点，已经在物理、化学、生物以及多学科交叉领域取得广泛应用。
液滴融合是一项非常重要的液滴控制技术，以液滴为运输体来实现试剂按需加载，可以广泛应用于试剂混合、粒子合成、复合材料制备、DNA与血液分析、食品检测等领域。通常将液滴融合方式分成主动融合和被动融合两种。其中，主动方式需要外加电场或振动等外部能量源，而被动方式通过调节通道结构或表面性质等来实现无外加能量场条件下的融合。根据液膜排液原理可知，随着两个液滴的逐渐接近，连续相开始持续排液，当液滴之间的距离达到临界值后，两相界面变得不稳定同时范德华力开始驱使液滴融合直至液膜突然破裂。对于被动融合方式来说，两液滴要相遇接触才可能融合，所以液滴对同步到达汇合位置是液滴融合的首要条件。通常一对要融合的液滴由两个生成结构来单独生成，这种方式中的液滴生成频率难以得到控制来保证液滴对的稳定相遇；柱状阵列结构可以减少液滴对的到达时间差，但也只能保证时间差在一个较小的范围，且柱状结构涉及到较多几何参数，如单个柱的尺寸以及相互间隔等，设计一个性能较好的液滴同步结构需要对这些结构参数进行优化，包括大量的实验和数值模拟。因此，需要设计一种结构简单又能很好满足液滴对同步运动并实现被动融合的微流控芯片。
发明内容
本发明所述的新型微流控芯片，通过微通道结构的对称分裂实现液滴对/气泡对的同步运动和相遇融合，“液滴对/气泡对”指一对相遇融合的液滴/气泡。
本发明采用的技术方案为一种实现液滴对/气泡对同步运动并融合的微流控芯片，该微流控芯片由盖片和基片配合组成，盖片和基片不可逆地键合在一起；微流控芯片中的盖片和基片的材质相同，均为PDMS(聚二甲基硅氧烷)或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，以保证流体流动时四周接触的壁面材质相同以及芯片整体结构的稳定键合；流动流体和微流控芯片的材质是相互对应的，由于PDMS本身是亲油疏水的，所以PDMS制得的微流控芯片使用时连续相是油，而PMMA本身是亲水疏油的，所以芯片材质为PMMA时连续相是水。
微流控芯片的微通道结构设置在盖片直接接触基片的一侧，盖片和基片中间形成的空间为流体流动的区域。工作时，离散相从离散相入口2通入，连续相分别从连续相入口1和稀释入口3通入，连续相入口1与一个封闭的通道连接，连续相入口1将封闭的通道分为两个对称的部分，离散相入口2设置在封闭的通道中间，稀释入口3设置在离散相入口2的通道与连续相入口1的通道连接后的交汇通道上；离散相入口2的通道与封闭的通道交汇处为生成交汇处a，互不相溶的两种流体在生成交汇处a相遇后，连续相将离散相挤断成离散化的液滴/气泡，通过调节离散相和连续相流量来控制液滴/气泡的大小和频率；生成后的液滴/气泡在微通道的引导下流向稀释交汇处b，通过稀释流调节液滴/气泡的间距；交汇通道与一个上下对称的T形通道连接，交汇通道与T形通道连接处为分裂交汇处c，液滴/气泡流过分裂交汇处c时分裂成两个相等的液滴/气泡，由于T形通道结构和流动的对称性，液滴对/气泡对会同步到达融合交汇处d；最终所有的流体从出口4流出并收集处理。
为了减弱下游融合交汇处d液滴对/气泡对相遇时互相挤压作用对上游分裂交汇处c产生的影响，分裂交汇处的通道宽度小，融合交汇处的通道宽度大，这是由于相同长度的窄通道比宽通道的压降大，液滴对/气泡对在交汇碰撞时产生的压力波动对窄通道内的压力影响较小。
液滴对相遇融合存在临界条件，为了研究液滴的融合特性，需要设计通道结构实现液滴对在设定位置相遇。本发明提供的微流控芯片通过对称结构实现液滴的等大小分裂，在对称结构和对称流动的作用下，液滴对同步流动到交汇处相遇，满足了液滴对融合特性的研究。液滴对的大小通过生成处的两相流量来调节，液滴对的流速通过稀释流来调节。
附图说明
图1是本发明微流控芯片中通道结构的俯视图。
图中：1、连续相入口，2、离散相入口，3、稀释入口，4、出口，a、生成交汇处，b、稀释交汇处，c、分裂交汇处，d、融合交汇处。
具体实施方式
下面结合结构附图对发明一种实现液滴对/气泡对同步运动并融合的微流控芯片的工作过程和作用效果进行详细说明。具体工作过程如下：
微流控芯片由盖片和基片配合组成，盖片和基片不可逆地键合在一起；盖片和基片的材质相同，均为PDMS(聚二甲基硅氧烷)或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，以保证流体流动时四周接触的壁面材质相同以及芯片整体结构的稳定键合；流动流体和微流控芯片的材质是相互对应的，由于PDMS本身是亲油疏水的，所以PDMS制得的微流控芯片使用时连续相是油，而PMMA本身是亲水疏油的，所以芯片材质为PMMA时连续相是水。
微通道结构设置在盖片直接接触基片的一侧，盖片和基片中间形成的空间为流体流动的区域。如图1所示，工作时，离散相从离散相入口2通入，连续相分别从连续相入口1和稀释入口3通入；互不相溶的两种流体在生成交汇处a相遇后，连续相将离散相挤断成离散化的液滴/气泡，通过调节两相流量来控制液滴/气泡的大小和频率；生成后的液滴/气泡在微通道的引导下流向稀释交汇处b，通过稀释流调节液滴/气泡的间距；分裂交汇处c为对称的T形通道，液滴/气泡流过时分裂成两个相等的液滴/气泡，由于通道结构和流动的对称性，液滴对/气泡对会同步到达融合交汇处d；最终所有的流体从出口4流出并收集处理。为了减弱下游交汇处液滴对相遇时互相挤压作用对上游分裂产生的影响，分裂结构处的通道尺寸设置的比较小，下游交汇处的通道尺寸设置的比较大。
本发明提供的微流控芯片通过对称结构实现液滴的等大小分裂，在对称结构和对称流动的作用下，液滴对同步流动到交汇处相遇，满足了液滴对融合特性的研究。液滴对的大小通过生成处的两相流量来调节，液滴对的流速通过稀释流来调节。

Claims (1)

1.一种实现液滴对/气泡对同步运动并融合的微流控芯片，其特征在于：该微流控芯片由盖片和基片配合组成，盖片和基片不可逆地键合在一起；微流控芯片中的盖片和基片的材质相同，均为PDMS或PMMA，以保证流体流动时四周接触的壁面材质相同以及芯片整体结构的稳定键合；流动流体和微流控芯片的材质是相互对应的，由于PDMS本身是亲油疏水的，所以PDMS制得的微流控芯片使用时连续相是油，而PMMA本身是亲水疏油的，所以芯片材质为PMMA时连续相是水；
微流控芯片的微通道结构设置在盖片直接接触基片的一侧，盖片和基片中间形成的空间为流体流动的区域；工作时，离散相从离散相入口(2)通入，连续相分别从连续相入口(1)和稀释入口(3)通入，连续相入口(1)与一个封闭的通道连接，连续相入口(1)将封闭的通道分为两个对称的部分，离散相入口(2)设置在封闭的通道中间，稀释入口(3)设置在离散相入口(2)的通道与连续相入口(1)的通道连接后的交汇通道上；离散相入口(2)的通道与封闭的通道交汇处为生成交汇处a，互不相溶的两种流体在生成交汇处a相遇后，连续相将离散相挤断成离散化的液滴/气泡，通过调节离散相和连续相流量来控制液滴/气泡的大小和频率；生成后的液滴/气泡在微通道的引导下流向稀释交汇处b，通过稀释流调节液滴/气泡的间距；交汇通道与一个上下对称的T形通道连接，交汇通道与T形通道连接处为分裂交汇处c，液滴/气泡流过分裂交汇处c时分裂成两个相等的液滴/气泡，由于T形通道结构和流动的对称性，液滴对/气泡对会同步到达融合交汇处d；最终所有的流体从出口(4)流出并收集处理；
分裂交汇处的通道宽度小，融合交汇处的通道宽度大。
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