CN108607376B - 一种基于振荡流的液滴融合方法及器件 - Google Patents

一种基于振荡流的液滴融合方法及器件 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于振荡流主动控制的液滴制备方法，首先制备间隔的第一离散相的液滴，再同步制备间隔的第二离散相的液滴，将第一离散相的液滴与第二离散相液滴经相同长度的出液管进行融合；再经第一颈缩管进行混合；本发明还公开了一种基于振荡流的小液滴融合器件，包括M个T型通道、负流阻振荡器；所述负流阻振荡器用以将连续相液体振荡成类似于正弦波式流动，所述T型通道的第一进液管作为第一离散相液体的流入通道；所述T型通道的第二进液管作为连续相液体的流入通道；所述M个T型通道的出液管共同与输出管道相连。本发明降低了液滴可融合的体积尺寸，同时可以提高不同粘度液滴融合的可靠性，同时通过振荡流的作用进一步促进液滴内部混合效率。

Description

一种基于振荡流的液滴融合方法及器件
技术领域
本发明属于微流控器件领域，特别是一种基于振荡流的液滴融合方法及器件。
背景技术
微液滴技术以其体积小、高通量、比表面积大、独立可控、封闭性好等优势在生化分析、材料合成、细胞筛选、体外检查、快速反应、等领域的到广泛应用。然而在这些应用中不免会出现多种液滴间融合、混合过程。
在目前的微通道内液滴融合混合芯片主要有一下几种方法：(1)在微流体通道的融合管道中增加扩充通道，使先到达的液滴流速减慢，使后到达的液滴追赶上先到达液滴，然后在由两液滴间的相互挤压融合在一起。这一情况下由于受到液滴间的界面张力及连续相流动速率对接触时间的影响，导致高流速、高界面张力的液滴间难以融合。(2)另一种融合方法在流体上的外加电场来改变不同液滴间的带电性质，从而通过不同性质的电场间的引力促使液滴融合，在这种情况下虽然液滴可以稳定融合但由于电场的存在往往会导致实验样品受损破坏。(3)另外一种融合方法是采用添加在液滴融合通道中的诱导部件导致液滴膜破裂，从而使液滴再次融合。然而在此过程中芯片的制作工艺难度大大提高，导致的大规模应用的成本急剧增加。
传统的液滴混合往往只采用通道结构的变形，或增加混合通道长度来达到混合效果，在这一过程中降低了芯片的可集成性。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于振荡流的液滴融合方法及器件，以降低液滴可融合的体积尺寸，同时可以提高不同粘度液滴融合的可靠性，同时通过振荡流的作用进一步促进液滴内部混合效率。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于振荡流的液滴融合方法，包括以下过程：
制备间隔的第一离散相的液滴：连续的第一离散相液体经第一T型通道的第一进液管流入，经振荡器震荡后的连续相液体经第一T型通道的第二进液管流入；经振荡器震荡后，连续相液体产生类似于正弦波式的振荡流动，第一离散相液体和连续相液体在第一T型通道交汇处相遇，第一离散相液体受到来自连续相液体的剪切力而断裂形成间隔的液滴；
同步制备间隔的第二离散相的液滴：连续的第二离散相液体经第二T型通道的第一进液管流入，经振荡器震荡后的连续相液体经第二T型通道的第二进液管流入；第二离散相液体和连续相液体在第二T型通道交汇处相遇，第二离散相液体受到来自连续相液体的剪切力而断裂形成间隔的液滴；
将第一离散相的液滴与第二离散相液滴进行融合：第一离散相的液滴经第一T型通道的出液管流入输出管道，第二离散相液滴经第二T型通道的出液管流入输出管道；第一离散相的液滴和第二离散相液滴在输出管道中融合输出。
一种基于振荡流的小液滴融合器件，包括M个T型通道(M≥2)、负流阻振荡器；所述负流阻振荡器用以将连续相液体振荡成类似于正弦波式流动，所述T型通道的第一进液管作为第一离散相液体的流入通道；所述T型通道的第二进液管作为连续相液体的流入通道；所述M个T型通道的出液管共同与输出管道相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明的基于振荡流的液滴融合方法及器件，可以促进液滴的融合，通过液滴的惯性力作用可以使液滴流入融合通道的中心层，促使液滴相遇融合。
(2)本发明的基于振荡流的液滴融合方法及器件，可以促使不同粘度的液滴发生融合，粘度范围可以达到1cP到30cP。
(3)本发明的基于振荡流的液滴融合方法及器件，可以做到多组分液滴的不同成分分时融合，在制备多组分液滴时可以控制两种液滴先融合经过一段时间后再与其他液滴融合。
(4)本发明的基于振荡流的液滴融合方法及器件，对存在粘度差异的多种液滴也能很好的改善液滴内部混合效果。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的制备方法流程图。
图2为本发明的器件单液滴制备部分的结构示意图。
图3为本发明的器件两个离散相液滴融合的实施例的结构示意图。
图4为出液管与输出管道的连接示意图。
图5为单液滴制备的实验照片图。
图6为多液滴同步制备并融合实验照片图。
图7为多液滴混合实验照片图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种基于振荡流的液滴融合方法，包括以下过程：
制备间隔的第一离散相的液滴：连续的第一离散相液体经第一T型通道的第一进液管流入，经振荡器震荡后的连续相液体经第一T型通道的第二进液管流入；经振荡器震荡后，连续相液体产生类似于正弦波式的振荡流动，第一离散相液体和连续相液体在第一T型通道交汇处相遇，第一离散相液体受到来自连续相液体的剪切力而断裂形成间隔的液滴；
同步制备间隔的第二离散相的液滴：连续的第二离散相液体经第二T型通道的第一进液管流入，经振荡器震荡后的连续相液体经第二T型通道的第二进液管流入；第二离散相液体和连续相液体在第二T型通道交汇处相遇，第二离散相液体受到来自连续相液体的剪切力而断裂形成间隔的液滴；
将第一离散相的液滴与第二离散相液滴进行融合：第一离散相的液滴经第一T型通道的出液管流入输出管道，第二离散相液滴经第二T型通道的出液管流入输出管道；第一离散相的液滴和第二离散相液滴在输出管道中融合输出。
作为一种实施方式，所述第一T型通道的交汇处到输出管道的距离与第二T型通道的交汇处到输出管道的距离相同，从而使得第一离散相的液滴与第二离散相液滴同步到达输出管道进行融合后输出。
本发明的一种基于振荡流的液滴融合方法，还包括将第一离散相的液滴与第二离散相液滴进行混合：经过融合后的第一离散相的液滴和第二离散相液滴形成的液滴，经至少一个第一颈缩管流出，促使液滴内部液体快速混合。液滴流经颈缩管时受到第一颈缩管的扰动，在纠结和振荡作用促进液滴内部混合。
进一步的，所述输出管道为一扩张形的扩张管道，使得相遇的第一离散相的液滴和第二离散相的液滴流速减慢，增加两液滴的排液时间，促进液滴融合。
在一些实施方式中，所述第一颈缩管为多个。
在一些实施方式中，所述第一颈缩管为对称结构，多个对称的第一颈缩管依次排列，对称的第一颈缩管可以促使液滴内部上下分布的不同液体上下扰动，从而加快液滴内部混合。
在另外一些实施方式中，所述第一颈缩管非对称结构，多个非对称的第一颈缩管依次排列形成波浪形，非对称的第一颈缩管可以促使液滴内部前后分布的液滴发生扰动从而加快液滴内部混合。
在在另外一些实施方式中，所述第一颈缩管为对称结构和非对称结构的颈缩管交替或混合排列构成，第一颈缩管的数量随着混合程度的不同及液滴混合难度的不同可以作适当增减。
本发明的一种基于振荡流的液滴融合方法，还包括制备第三离散相的液滴、第四离散相的液滴、…、第N离散相的液滴(N≥3)，制备方法同上，此处不再赘述。
将第三离散相的液滴、第四离散相的液滴、…、第N离散相的液滴与第一离散相的液滴、第二离散相液滴进行融合，融合方法同上；设置N个T型通道的交汇处与输出管道的不同距离，即可将N个或N种离散相液滴融合。再将上述融合后的多个离散相液滴形成的液滴，经第一颈缩管流出，进行混合。
结合图2、图3，本发明的一种基于振荡流的小液滴融合器件，包括M个T型通道4(M≥2)、负流阻振荡器3；所述负流阻振荡器3用以将连续相液体振荡成类似于正弦波式流动，所述T型通道4的第一进液管4-1作为第一离散相液体的流入通道；所述T型通道4的第二进液管4-2作为连续相液体的流入通道；所述M个T型通道4的出液管4-3共同与输出管道5相连。(T型通道4的第一进液管4-1、第二进液管4-2、出液管4-3相交处作为交汇处)
作为一种实施方式，所述M个T型通道4的交汇处与输出管道5的距离相同，可使同步生成的液滴同时到达液滴融合通道，促使液滴相遇。
进一步的，所述输出管道5的输出口经过至少一个第一颈缩管相连，可以促使液滴内部液体快速混合。
在一些实施方式中，所述第一颈缩管为多个。
在一些实施方式中，所述第一颈缩管为对称结构，多个对称的第一颈缩管7-1依次排列，对称的第一颈缩管可以促使液滴内部上下分布的不同液体上下扰动，从而加快液滴内部混合。
在另外一些实施方式中，所述第一颈缩管非对称结构，多个非对称的第一颈缩管7-2依次排列形成波浪形，非对称的第一颈缩管可以促使液滴内部前后分布的液滴发生扰动从而加快液滴内部混合。
在在另外一些实施方式中，所述第一颈缩管为对称结构的颈缩管7-1和非对称结构的颈缩管7-2交替或混合排列构成，第一颈缩管的数量随着混合程度的不同及液滴混合难度的不同可以作适当增减。
进一步的，所述输出管道5为一扩张形的扩张管道，使得相遇的第一离散相的液滴和第二离散相的液滴流速减慢，增加两液滴的排液时间，促进液滴融合。
进一步的，所述第二进液管4-2与T型通道4的交汇处通过第二颈缩管6进行连接，第二进液管4-2经过第二颈缩管6后增强了连续相的剪切力，有利于液滴断裂生成。
进一步的，所述出液管4-3与T型通道4的交汇处通过第二颈缩管6进行连接，增加了T型通道4处流体流动的稳定性，随后通道逐渐扩展到第二颈缩管6的一倍大小，管道扩张减小整体通道的流阻，可进一步降低能耗。
进一步的，结合图3所述出液管4-3流向与输出管道5流向形成拐角C；优选的，所述拐角C大于60o，拐角的存在可使液滴借助惯性作用向输出管道5内部移动，从而增加液滴相遇的可能性。
在一些实施方式中，所述M个T型通道4的第二进液管4-2各自与单独的负流阻振荡器3相连。
在另外一些实施方式中，所述M个T型通道4的第二进液管4-2汇集后与一个负流阻振荡器3相连。
优选的，所述负流阻振荡器3采用中国专利申请号201720418413.0中的负流阻振荡器。
实施例1：
单液滴制备过程：
如图2所示，第一进液管4-1作为离散相通道，第一进液管4-1与驱动泵1相连，通过驱动泵1匀速地将不同粘度(1cP-80cP)的试剂缓慢的注入到第一进液管4-1中；如图1所示第二进液管4-2作为连续相通道，与振荡器3通过管路相连，振荡器3通过管路与压力泵2相连，压力泵2驱动连续相液体流经振荡器3并产生自发振荡，使连续相液体产生类似于正弦波式的振荡流动；稳定的离散相液体在T型通道4处与振荡的连续相液体相遇，离散相液体受到来自连续相液体的剪切力而断裂形成液滴。在离散相液体可工作流量范围内(0.01ml/min—7ml/min)，液滴断裂的频率与振荡流的频率保持一致，且振荡频率基本保持不变。因此在这一范围内只需要调节离散相液体流量便可以得到不同体积大小的液滴。
图4中为实验照片实物图，A作为离散相液体，离散相液体为粘度是30cP的甘油水溶液，流量为1.5ml/min，B为连续相液体，液滴生成频率为连续相液体振荡频率(500Hz)，液滴体积为50nL时的单液滴制备。
多组液滴同步制备及融合：
如图3所示，多组液滴同步制备中，连续相液体分两路一分为二形成两个支路，其中一路从第一个T型通道4的第二进液管4-2流入，另一路从第二个T型通道4的第二进液管4-2流入；两个第一进液管4-1分别流入连续相液体；由于两个第二进液管4-2由一路进液管分裂而成，因此两个第二进液管4-2内液体保持同步振荡，因此两个T型通道4中液滴的形成频率保持同步，通过控制各个第二进液管4-2内液体的流量、试剂特性，便可得到不同特性(粘度、密度、界面张力等不同的液体)的液滴同步形成，同步形成的多组液滴通过相同长度的出液管4-3相遇进行融合。如图5为两组离散相液体实验照片实物图，两组离散相液滴通过相同长度的出液管4-3相遇进行融合。其中离散相(1)流量为0.5ml/min的甘油水溶液(粘度为10cP)，离散相(2)流量为1.5ml/min去离子水。连续相(1)、连续相(2)由同一个振荡流通道对称分割而成，连续相振荡频率均为450Hz，液滴融合时间在4ms以内。
如图7液滴混合实验实物图，液滴融合后，进入下游的称结构的颈缩管7-1和非对称结构的颈缩管7-2，加上振荡器产生的脉冲流的影响，对液滴产生扰动作用并促进液滴混合，可有效缩短液滴内部的流体混合时间，混合时间在8ms以内。

Claims (7)

1.一种基于振荡流的液滴融合方法，其特征在于，包括以下过程：
制备间隔的第一离散相的液滴：连续的第一离散相液体经第一T型通道的第一进液管流入，经振荡器震荡后的连续相液体经第一T型通道的第二进液管流入；经振荡器震荡后，连续相液体产生正弦波式的振荡流动，第一离散相液体和连续相液体在第一T型通道交汇处相遇，第一离散相液体受到来自连续相液体的剪切力而断裂形成间隔的液滴；
同步制备间隔的第二离散相的液滴：连续的第二离散相液体经第二T型通道的第一进液管流入，经振荡器震荡后的连续相液体经第二T型通道的第二进液管流入；第二离散相液体和连续相液体在第二T型通道交汇处相遇，第二离散相液体受到来自连续相液体的剪切力而断裂形成间隔的液滴；
将第一离散相的液滴与第二离散相液滴进行融合：第一离散相的液滴经第一T型通道的出液管流入输出管道，第二离散相液滴经第二T型通道的出液管流入输出管道；第一离散相的液滴和第二离散相液滴在输出管道中融合输出；
所述第一T型通道、第二T型通道的出液管交汇后共同与输出管道相连；所述出液管与对应T型通道的交汇处通过第二颈缩管进行连接，随后通道逐渐扩展；出液管交汇渐缩后与扩张形的输出管道相连；出液管流向与输出管道流向形成C形拐角，所述输出管道为一扩张形的扩张管道。
2.根据权利要求1所述的一种基于振荡流的液滴融合方法，其特征在于，所述第一T型通道的交汇处到输出管道的距离与第二T型通道的交汇处到输出管道的距离相同，从而使得第一离散相的液滴与第二离散相液滴同步到达输出管道进行融合后输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于振荡流的液滴融合方法，其特征在于，还包括将第一离散相的液滴与第二离散相液滴进行混合：经过融合后的第一离散相的液滴和第二离散相液滴形成的液滴，经过至少一个第一颈缩管流出，促使液滴内部液体快速混合。
4.根据权利要求3所述的一种基于振荡流的液滴融合方法，其特征在于，所述第一颈缩管为多个，所述第一颈缩管为对称结构的颈缩管，或非对称结构的颈缩管，或对称结构和非对称结构的颈缩管交替或混合排列构成。
5.根据权利要求1所述的一种基于振荡流的液滴融合方法，其特征在于，还包括制备第三离散相的液滴、第四离散相的液滴、…、第N离散相的液滴，N≥3，将第三离散相的液滴、第四离散相的液滴、…、第N离散相的液滴与第一离散相的液滴、第二离散相液滴进行融合，再进行混合。
6.一种基于振荡流的小液滴融合器件，其特征在于，包括M个T型通道(4)、负流阻振荡器(3)，M≥2；所述负流阻振荡器(3)用以将连续相液体振荡成正弦波式流动，所述T型通道(4)的第一进液管(4-1)作为第一离散相液体的流入通道；所述T型通道(4)的第二进液管(4-2)作为连续相液体的流入通道；所述M个T型通道(4)的出液管(4-3)交汇后共同与输出管道(5)相连；
所述M个T型通道(4)的交汇处与输出管道(5)的距离相同；
所述第二进液管(4-2)与T型通道(4)的交汇处通过第二颈缩管(6)进行连接；所述出液管(4-3)与T型通道(4)的交汇处通过第二颈缩管(6)进行连接，随后通道逐渐扩展；
所述出液管(4-3)流向与输出管道(5)流向形成C形拐角。
7.根据权利要求6所述的一种基于振荡流的小液滴融合器件，其特征在于，所述输出管道(5)的输出口经过至少一个第一颈缩管相连。
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