CN108654706A - 一种基于振荡流主动控制的液滴制备方法及器件 - Google Patents

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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，最后将第一离散相的液滴与第二离散相液滴经不同长度额输出管道进行排列输出；本发明还公开一种基于振荡流主动控制的液滴制备器件，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；本发明提高了制备高粘度液滴的可靠性，简化液滴制备过程中生成频率与体积的操作步骤，同时解决的不同性质的多液滴同同步生成。

Description

一种基于振荡流主动控制的液滴制备方法及器件
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主动控制的液滴制备方法及器件。
背景技术
液滴的生成方式主要可分为被动式和主动式两大类：在被动式微液滴制备技术涉及多个变量，微液滴形成的体积、频率不仅与流体的流率、通道结构尺寸有关,还和流体的性质(粘性力、界面张力)、外界环境等参数有关,因此通过被动式液滴制备方式来控制液滴的体积、频率需要一套复杂的调试过程，这也导致了微液滴制备的灵活性大大降低。虽然主动式液滴制备技术可以解决传统被动式液滴制备技术中存在的体积、频率可控性差的技术难题，但是主动式液滴制备技术中需要外加设备来干扰液滴形成。由于外加设备的存在，主动式微液滴芯片结构往往比较复杂，从而影响可靠性，且体积较大，成本较高，便携度差。另外主动控制中施加的外场力往往作用在试剂上，容易对试剂产生不良影响或破坏，影响实验结果。
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主动控制的液滴制备方法及器件，以提高制备高粘度液滴的可靠性，简化液滴制备过程中生成频率与体积的操作步骤，同时解决的不同性质的多液滴同同步生成。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于振荡流主动控制的液滴制备方法，包括以下步骤：
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排列：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间隔排列输出。
一种基于振荡流主动控制的液滴制备器件，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制备方法及器件，具有较大的粘度适用范围(1cP～80cP)。
(2)相比于传统的主动控制液滴生成芯片，本发明的基于振荡流的液滴制备与操控芯片，不需要改变芯片结构便可实现任意不同液滴的同步生成，通用性好。
(3)与传统主动控制液滴制备器相比，本发明可以以较高频率实现液滴制备(10Hz～1000Hz)，大大的提高了工作效率。
(4)本发明的基于振荡流的液滴制备方法及器件，制备的液滴体积具有较高的范围(0.35nl～200nl)。
(5)本发明的基于振荡流的液滴制备方法及器件，可操控性好，液滴大小与离散相流量成线性关系，只需要调节离散相流量便可轻松改变液滴体积；液滴生成频率则通过振荡器入口压力来调节。
(6)相比于传统的主动控制液滴生成芯片，本发明的基于振荡流的液滴制备方法及器件不需要借助额外的能量激励部件，结构简单、体积小、便携性好。
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排列实施例的结构示意图。
图4为单液滴制备的实验照片图。
图5为多液滴同步制备并排列实验照片图。
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主动控制的液滴制备方法，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排列：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间隔排列输出。
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不相同，从而使得第一离散相的液滴与第二离散相液滴间隔排列。
进一步的，所述第一进液管与T型通道的交汇处通过颈缩管进行连接，第一进液管经过颈缩管道后促进了小液滴的形成。
进一步的，所述第二进液管与T型通道的交汇处通过颈缩管进行连接，第二进液管经过颈缩管后增强了连续相的剪切力，有利于液滴断裂生成。
进一步的，所述出液管与T型通道的交汇处通过颈缩管进行连接，以增加T型通道处流体流动的稳定性，随后出液管逐渐扩展到颈缩管的一倍大小，管道扩张可减小整体通道的流阻，进一步降低能耗。
本发明的液滴制备方法还包括同步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排列；排列方法同上，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种离散相液滴间隔排列。
结合图2、图3、本发明的一种基于振荡流主动控制的液滴制备器件，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的距离均不同，进而达到多组液滴分时到达输出管道5，在输出管道5中形成多液滴排列状态。
进一步的，所述第一进液管4-1与T型通道4的交汇处均通过颈缩管6进行连接，第一进液管4-1经过颈缩管6后促进了小液滴的形成。
进一步的，所述第二进液管4-2与T型通道4的交汇处通过颈缩管6进行连接，第二进液管4-2经过颈缩管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。
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排列组合：
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不同长度的出液管4-3相遇形成多组分液滴排列。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不同长度的出液管4-3相遇形成多组分液滴排列。
本发明的基于振荡流的液滴制备方法与器件，具有较大的粘度适用范围(1cP～80cP)。相比于传统的主动控制液滴生成芯片，本发明的基于振荡流的液滴制备与操控芯片，不需要改变芯片结构便可实现任意不同液滴的同步生成，通用性好。与传统主动控制液滴制备器相比，本发明可以以较高频率实现液滴制备(10Hz～1000Hz)，大大的提高了工作效率。本发明的基于振荡流的液滴制备方法及器件，制备的液滴体积具有较高的范围(0.35nl～200nl)。本发明的基于振荡流的液滴制备方法及器件，可操控性好，液滴大小与离散相流量成线性关系，只需要调节离散相流量便可轻松改变液滴体积；液滴生成频率则通过振荡器入口压力来调节。(6)相比于传统的主动控制液滴生成芯片，本发明的基于振荡流的液滴制备方法及器件不需要借助额外的能量激励部件，结构简单、体积小、便携性好。

Claims (10)

1.一种基于振荡流主动控制的液滴制备方法，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排列：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间隔排列输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于振荡流主动控制的液滴制备方法，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不相同，从而使得第一离散相的液滴与第二离散相液滴间隔排列。
3.根据权利要求1所述的一种基于振荡流主动控制的液滴制备方法，其特征在于，所述第一进液管与T型通道的交汇处通过颈缩管进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于振荡流主动控制的液滴制备方法，其特征在于，所述第二进液管与T型通道的交汇处通过颈缩管进行连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于振荡流主动控制的液滴制备方法，其特征在于，所述出液管与T型通道的交汇处通过颈缩管进行连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于振荡流主动控制的液滴制备方法，其特征在于，还包括同步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排列。
7.一种基于振荡流主动控制的液滴制备器件，其特征在于，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。
8.根据权利要求7所述的一种基于振荡流主动控制的液滴制备器件，其特征在于，所述M个T型通道(4)的交汇处与输出管道(5)的距离均不同。
9.根据权利要求7所述的一种基于振荡流主动控制的液滴制备器件，其特征在于，所述第一进液管(4-1)与T型通道(4)的交汇处均通过颈缩管(6)进行连接。
10.根据权利要求7所述的一种基于振荡流主动控制的液滴制备器件，其特征在于，所述第二进液管(4-2)与T型通道(4)的交汇处通过颈缩管(6)进行连接。
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