CN109046482A - 一种单泵微液滴控制系统及其用途 - Google Patents

一种单泵微液滴控制系统及其用途 Download PDF

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周嘉
杜林�
芮西川
王续博
章凯迪
王琪
刘宏
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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip

Abstract

本发明公开了一种单泵微液滴控制系统及其用途，该系统包含：样品池；进样通道，其入口端与样品池连通；出样通道；互联腔体，其包含：第一存储腔体、第二存储腔体、压力共用接头及液滴产生结构，第一存储腔体、第二存储腔体的入口端通过压力共用接头与进样通道的出口端连接，第一存储腔体、第二存储腔体的出口端通过液滴产生结构与出样通道的入口连通；连接出样通道出口的流量泵，及摄像设备。本发明通过构建共用压力点，使得两相液体在相对压力值恒定的作用下生成液滴，提高了液滴的均匀性和稳定性；通过控制液滴发生结构的几何形状、调节流量泵的速度，控制产生液滴的体积和间距；采用单一泵控制，组成构件简单，体积小，操作简单，易于携带。

Description

一种单泵微液滴控制系统及其用途
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种在单一泵控制下的微液滴生成技术方案，可广泛应用于PCR反应、复乳生成等生化分析检测领域。
背景技术
微流控指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到微升)的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。
微流控技术产生的1μL以下的微液滴在污染物快速高通量检测，生物样本分离、培育，观察化学反应进度等领域中有着重要的应用。连续流式T型/十字型/共轴聚焦法利用水/油两相分离的特征，生成微液滴高效控制精确，具有如消耗样品和试剂量更少，混合速度更快，不易造成交叉污染，易于操控等优势。
然而，连续流式液滴控制系统需要复杂高精密的压力/流量控制系统，以保证水/油两相的流速相对精确，而且需要至少两套以上的压力/流量控制系统才能实现多液滴以及复乳结构的生成控制。现有的微液滴控制系统对泵的数量和精度提出了很高的要求，系统重量和体积较大不利于便携，微液滴的体积精确度和流量精度控制不高，影响了微流控技术的普及应用。
针对连续流式液滴控制系统复杂、液滴可控制性差、便携性差的不足，亟需一种系统构成简单、所需泵数量少且精度低、液滴精确可控的微液滴控制系统方案。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种单泵微液滴控制系统，利用泊肃叶流体定律和剪切流场液滴模型，在只需单一动力源的作用下，就可以实现液滴的产生，通过调节液滴产生结构的尺寸和流量泵的速度可以精确控制液滴大小和产生频率。系统受外界环境影响小，对压力/流量控制设备要求低，液滴精确可控性，系统体积小易于便携。
为达到上述目的，本发明提供了一种单泵微液滴控制系统，该系统包含：
样品池；
进样通道，该进样通道的入口端与样品池连通；
出样通道；
互联腔体，该互联腔体包含：第一存储腔体、第二存储腔体、压力共用接头及液滴产生结构，其中，第一存储腔体、第二存储腔体的入口端通过压力共用接头与进样通道的出口端连接，第一存储腔体、第二存储腔体的出口端通过液滴产生结构与出样通道的入口连通；
连接出样通道出口的流量泵，及
摄像设备。
较佳地，所述的样品池包含油相池和水相池。
较佳地，所述的第一存储腔体中设置有单向阀。
较佳地，第二存储腔体中设置有单向阀。
较佳地，所述的摄像设备包含具有摄像头的电子设备。
较佳地，所述的液滴产生结构选择同向聚焦流剪切流场液滴模型、T型剪切模型、流动聚焦法剪切模型中的任意一种。
本发明还公开了一种根据上述的单泵微液滴控制系统的用途，该系统用于微液滴生成。
较佳地，该系统还可用于复乳微液滴的生成。
本发明提供的一种单泵微液滴控制系统，与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明通过构建互通腔体(即，互联腔体)结构中的共用压力点，使得两相液体在相对压力值恒定的作用下生成液滴，避免了传统控制系统中流量和压力波动带来的影响，提高了液滴的均匀性和稳定性；
2.本发明通过控制液滴发生结构的几何形状(如水相管道截面积、油相管道截面积等)，调节流量泵的速度，可以轻易控制产生液滴的体积和间距；
3.本发明利用了泊肃叶定律，单一泵控制，减少了流量泵的数量，组成构件简单，体积小，操作简单，易于携带。
附图说明
图1为同向聚焦流剪切流场液滴模型中液滴形成过程示意图。
图2为改变墨水相截面积使得液滴大小(体积)可调的示意图。
图3为改变流量泵的速度达到液滴频率(液滴间距)可调的示意图。
图4为本发明的单泵微液滴控制系统的结构示意图。
图5为本发明的单泵微液滴控制系统的互联腔体部分的结构示意图。
图6a-6c为本发明的液滴产生结构的模型示意图。
图7为本发明的生成复乳系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例与附图对本发明的技术方案作进一步地说明。
本发明的发明构思为：提供一种单泵微液滴控制系统，其主要由两段圆管腔体组成。根据流体力学中泊肃叶定律，不可压缩牛顿流体在管道中作层流时，体积流量Q、管道两端压强差ΔP、管径r、长度L、流体粘度η，有如下关系：
若管道两端压强差ΔP相同，在两相液流的通道中，根据泊肃叶定律，则液体体积比：
其中，R1表示第一存储腔体的管径，η1表示第一存储腔体中液体的粘度，L1表示第一存储腔体长度，Q表示互联腔体入口端液体的体积流量；R2表示第二存储腔体出口端管径，η2表示第二存储腔体中液体的粘度，L2表示第二存储腔体长度，Q2表示第二存储腔体中液体的体积流量。可见，通过调节R2的值，可以调节液体流量Q2。在压力作用下的液滴产生结构方面，连续流剪切力形成液滴是较为常见的原理形式。同向聚焦流剪切流场液滴模型中液滴形成过程示意图如图1所示，在汇合处两相液体的压力值和截面积决定了液滴的几何形状。其中，a代表液滴的形成，b代表液滴的成长，c代表液滴的脱离，d代表液滴脱落。
根据以上分析，结合泊肃叶定律原理和剪切流场液滴模型，本发明设计了一种微液滴控制系统，通过控制腔体管半径、液体粘度、汇交结构截面积形式，就控制了的比值，进而通过控制流量泵的流速可以精确控制液滴体积和频率。图2示意了改变墨水相截面积达到液滴体积大小可调目的，从左至右，随着墨水相截面积的减小，液滴体积逐渐减小。图3示意改变流量泵的速度达到液滴频率(液滴间距)可调目的，其中单位ml/min表示mililiter/minute,毫升每分钟。
如图4所示，为本发明提供的一种单泵微液滴控制系统，该系统包含：
样品池1；
进样通道2，该进样通道2的入口端与样品池1连通；
出样通道4；
互联腔体3，该互联腔体包含：第一存储腔体32、第二存储腔体33、压力共用接头31及液滴产生结构34，其中，第一存储腔体32、第二存储腔体33的入口端通过压力共用接头31与进样通道2的出口端连接，第一存储腔体32、第二存储腔体33的出口端通过液滴产生结构34与出样通道4的入口连通；
连接出样通道4出口的流量泵5，及
摄像设备6。
所述的进样通道2一端延伸到样品池两相液体中，另一端连接到互联腔体3的压力共用接头，起到将两相液体导入互联腔体3的作用。
所述的样品池1包含油相池和水相池。样品池1用来存放待进入进样通道的液体，油相池和水相池分别存放互不相容的两相液体。
所述的第一存储腔体32中设置有单向阀(图中未示)。
所述的第二存储腔体33中设置有单向阀(图中未示)。
所述的摄像设备包含具有摄像头的电子设备，位于互联腔体3的上方，以对互联腔体的液体流动情况进行放大和监测。
在互联腔体中，压力共用接头31连接第一存储腔体32和第二存储腔体33，保证压力共用接头处的第一存储腔体32和第二存储腔体33(即入口端)具有相同的压力值。
第一存储腔体32、第二存储腔体33分别存储两相液体。两腔体几何尺寸不用对称且相等，但要保证合适的比值以保证在两腔体两端有能够的压力以推动两相液体相互剪切产生液滴，两腔体液体的流量比值主要利用了泊肃叶定律Q＝π×r4×Δp/(8ηL)。若两腔体尺寸相差过大，将导致某一腔体对流体阻力作用过大，则进样通道2流入的液体全部流入另一腔体内，造成液滴产生结构34不能产生液滴。
如图5所示，液滴产生结构连接第一存储腔体32、第二存储腔体33，两相液体交汇处的通道水相进样口341和油相进样口342截面积具有合适的比值(图5还示出了不同截面积的液滴产生结构的局部放大图)，尤其是分散相的进样通道截面积直接决定了液滴体积大小和均匀性，利用了经典的液滴发生结构：T型/十字型/共轴聚焦模型等。
所述的液滴产生结构选择同向聚焦流剪切流场液滴模型(见图6a)、T型剪切模型(见图6b)、流动聚焦法剪切模型(见图6c)中的任意一种。
出样通道4一端连接互联腔体3的液滴产生结构34，另一端连接到流量泵5，起到将产生的液滴进行输运转移的目的。
流量泵5只需要提供一个较为稳定的流量即可，大大降低了对流量泵的精度和数量的苛刻要求。
实施例1
本发明提供的一种单泵微液滴控制系统，利用泊肃叶流体定律和剪切流场液滴模型，在只需单一动力源的作用下，就可以实现液滴的产生，通过调节液滴产生结构的尺寸和流量泵的速度可以精确控制液滴大小和产生频率。本发明系统的使用过程如下：
首先选择合适的液滴产生结构34，连接好连接管路。其次，用单向阀控制第一存储腔体32使得该腔体不能流过液体，开启流量泵5，进样通道2末端(进口端)浸润到样品池1的水相池中。通过摄像设备(如摄像机6)观察互联腔体3内水相液体流动情况，当第二存储腔体33填充满水相后，继而用单向阀控制关闭第二存储腔体33进样(因为共用进样通道，加样过程需要分别加到两腔体内。故需要两腔体有阀门截止。)，打开第一存储腔体32的单向阀，将进样通道2末端浸润到样品池1的油相池中。最后，通过摄像机6观察互联腔体3内油相液体流过液滴产生结构34后，打开第二存储腔体33上的单向阀，观察记录液滴产生结构34处的液滴产生情况。
当需要调整液滴体积大小时，选择合适的液滴产生结构34并连接好。
当需要调整液滴生产频率(即，液滴间距)时，可选择/调节合适的流量泵5的速度。
实施例2
利用本发明系统形成复乳。
本实施例提供的复乳滴生成系统的结构如图7所示，该系统结构包含两组互联腔体，其他均同于单泵微液滴控制系统构成。第一组互联腔体包含第一存储腔体32和第二存储腔体33，油水相经液滴产生结构34形成液滴，进而流入第二组互联腔体的第二存储腔体33，液滴在第二组互联腔体的液滴形成结构34中与第一存储腔体32中的液体形成油包水包油或者水包油包水复乳微液滴。
综上所述，本发明提供的单泵微液滴控制系统，利用泊肃叶流体定律和剪切流场液滴模型，通过构建共用压力点，使得两相液体在相对压力值恒定的作用下生成液滴，提高了液滴的均匀性和稳定性，在只需单一动力源的作用下，就可以实现液滴的产生；通过调节液滴产生结构的尺寸和流量泵的速度可以精确控制液滴大小和产生频率。本发明的系统受外界环境影响小，对压力控制设备要求低，液滴精确可控性，系统体积小易于便携。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种单泵微液滴控制系统，其特征在于，该系统包含：
样品池；
进样通道，该进样通道的入口端与样品池连通；
出样通道；
至少一组互联腔体，该互联腔体包含：第一存储腔体、第二存储腔体、压力共用接头及液滴产生结构，其中，第一存储腔体、第二存储腔体的入口端通过压力共用接头与进样通道的出口端连接，第一存储腔体、第二存储腔体的出口端通过液滴产生结构与出样通道的入口连通；
连接出样通道出口的流量泵，及
摄像设备。
2.如权利要求1所述的单泵微液滴控制系统，其特征在于，所述的样品池包含油相池和水相池。
3.如权利要求1所述的单泵微液滴控制系统，其特征在于，所述的第一存储腔体中设置有单向阀。
4.如权利要求1所述的单泵微液滴控制系统，其特征在于，第二存储腔体中设置有单向阀。
5.如权利要求1所述的单泵微液滴控制系统，其特征在于，所述的摄像设备包含具有摄像头的电子设备。
6.如权利要求1所述的单泵微液滴控制系统，其特征在于，所述的液滴产生结构选择同向聚焦流剪切流场液滴模型、T型剪切模型、流动聚焦法剪切模型中的任意一种。
7.如权利要求1所述的单泵微液滴控制系统，其特征在于，该系统包含两组互联腔体。
8.一种根据权利要求1-7中任意一项所述的单泵微液滴控制系统的用途，其特征在于，该系统用于微液滴生成。
9.如权利要求8所述的单泵微液滴控制系统的用途，其特征在于，该系统用于复乳微液滴的生成。
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