CN109569752B - 一种用于提高液滴捕获后极限承受流量的微流控芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于提高液滴捕获后极限承受流量的微流控芯片，属于微流控技术领域。该主体固体结构包括主通道、离散相入口、连续相入口、间距调节入口、旁支路通道、圆形捕获腔、双狭窄通道和流体出口。两相流体从连续相和离散相入口进入，并于交汇处生成液滴序列。液滴序列经过间距调节入口得以扩展间距。由于旁支路阻力大于捕获腔致使液滴流入捕获腔，液滴捕获后堵塞双狭窄通道，后续液滴从旁支路流过。被捕获液滴常用于生物监测,如DNA分子性能研究，因此需要调节连续相流速以促进内部对流，缩短反应时间，但当流速超过一定值，液滴会脱离捕获腔。由于双狭窄通道及界面张力的存在，液滴脱离捕获腔时需要克服更强的拉普拉斯力，致使液滴能承受更高的极限流量。

Description

一种用于提高液滴捕获后极限承受流量的微流控芯片
技术领域
本发明涉及一种用于提高液滴捕获后极限承受流量的微流控芯片，属于微流控技术领域。
背景技术
微流控技术是一种以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征操控阿升至纳升(10-18至10-9L)流体的科学技术。基于液滴的多相微流控技术是其近年来快速发展的最重要分支，在石油开采、食品添加、生物制药、化妆品制备等工业领域发挥着重要作用。单个液滴可被视为独立的微反应器，具有高传热传质效率，能大大减少昂贵试剂的消耗，同时两相界面有效避免交叉污染。在血液检测、单细胞筛选和DNA分析等应用中，离散相液滴生成及发生反应后保持静止或固定在某个位置是进一步监测生化反应的关键。通过对通道几何结构进行设计，使液滴在粘性剪切力作用下进入捕获结构以实现停留液滴的目的。
在利用微流控芯片监测被捕获液滴中生化反应时，通常通过提升连续相流速以促进内部物质对流，缩短反应时间。但当流速超过一定临界值，液滴会被挤压出捕获腔，液滴脱离捕获腔现象如图2红色线框所示。为提升液滴脱离捕获腔时的临界连续相流速，需要从液滴停留原理出发对通道几何结构进行改进。
发明内容
本发明目的是提高液滴捕获后极限承受流量。设计一种结构可靠，易于加工并且能有效停留液滴的捕获单元。该捕获单元需要可以提供比以往结构更高的临界脱离连续相流速，使生化反应及其监测可以在更高流速范围内进行。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于提高液滴捕获后极限承受流量的微流控芯片，该微流控芯片包括主体固体结构1、连续相入口2、离散相入口3、主通道4、间距调节入口5、旁支路通道6、圆形捕获腔7、双狭窄通道8、流体出口9及下底板10。
连续相入口2、离散相入口3、主通道4、间距调节入口5、旁支路通道6、圆形捕获腔7、双狭窄通道8、流体出口9为主体固体结构1上的凹槽或孔洞结构，且各凹槽或孔洞结构为微流控芯片工作时液体流动区域；
离散相入口3和间距调节入口5并联连接在主通道4上，主通道4的一端为连续相入口2，另一端为圆形捕获腔7；圆形捕获腔7的进液口处设有倒U形流道与流体出口9连接，圆形捕获腔7与流体出口9之间通过双狭窄通道8连接；
所述主体结构1和底板10通过氧离子上下键合固定，下底板10置于主体结构1底部，以支撑微流控芯片并提供流动空间；
双狭窄通道8由两个单独的狭窄通道组成，其一位于液滴中轴，其长度为200μm；另一位于中轴上方50微米处，其长度由右端出口延伸至圆形捕获腔7决定。两个单独的狭窄通道宽度均为30μm。
在主体固体结构1上的连续相入口2、主通道4及流体出口9宽度为150μm，离散相入口3及间距调节入口5宽度为80μm，旁支路通道6宽度为150μm，边长为800μm；圆形捕获腔7的半径为200μm。
本微流控芯片的工作过程如下：从连续相入口2和离散相入口3分别注入连续相和离散相，两相流体在连续相入口2和离散相入口3组成的T型交叉处由粘性力克服表面张力生成液滴序列。从间距调节入口5注入连续相，使主通道4中液滴序列间距得以增加。液滴序列流至旁支路通道6和圆形捕获腔7交叉处，由于圆形捕获腔7较旁支路通道6流阻小，液滴序列中首个液滴会直接进入圆形捕获腔7。首个液滴流入圆形捕获腔7并堵塞双狭窄通道8，造成圆形捕获腔7流阻大于旁支路通道6，后续液滴全部经旁支路通道6流走。停止注入离散相使连续相充满通道，液滴停留在捕获腔固定位置，整个捕获过程完成。
与现有技术相比较，本发明具有如下技术优点：
1.通道结构简单，仅通过几何结构设计即能捕获液滴；
2.双支路狭窄通道宽度仅30μm，液滴脱离需要克服较强界面张力；
3.通道最窄处深宽比仅为3:1，便于加工制造。
附图说明
图1为一种用于提高液滴捕获后极限承受流量的微流控芯片三维结构示意图。
图2为到达临界流速后液滴脱离捕获腔时的高速显微摄影图。
图3为捕获腔中液滴中间面受力示意图。
图4为本微流控芯片的结构示意图。
图中：1、主体固体结构，2、连续相入口，3、离散相入口，4.主通道，5、间距调节入口，6、旁支路通道，7、圆形捕获腔，8、双狭窄通道，9、流体出口，10、下底板。
具体实施方式
下面结合结构附图对发明的工作过程和效果进行进一步的说明。
图1为一种用于提高液滴捕获后极限承受流量的微流控芯片三维结构示意图；
实现用于提高液滴捕获后极限承受流量的微流控芯片，包括主体固体结构1、离散相入口2、连续相入口3、主通道4、间距调节入口5、旁支路通道6、圆形捕获腔7、双狭窄通道8、流体出口9及下底板10。
具体而言，离散相入口2、连续相入口3、主通道4、间距调节入口5、旁支路通道6、圆形捕获腔7、双狭窄通道8、流体出口9为主体固体结构1上凹槽或孔洞结构，且各结构为芯片工作时液体流动区域；
所述主体固体结构1和下底板10通过氧离子上下键合固定，下底板10置于主体结构1底部，以支撑芯片主体结构并提供流动空间；所述主体结构1和下底板10由聚二甲基硅烷制成。所述液体入口2、3口为设置在主体结构1上的上下贯通的孔洞结构。
双狭窄通道8由两个单独的狭窄通道组成，其一位于液滴中轴，其长度为200μm；另一位于中轴上方50微米处，其长度由右端出口延伸至圆形捕获腔7决定。两个单独的狭窄通道宽度均为30μm。
在主体固体结构1上的连续相入口2、主通道4及流体出口9宽度为150μm，离散相入口3及间距调节入口5宽度为80μm，旁支路通道6宽度为150μm，边长为800μm，圆形捕获腔半径为200μm。
本装置的工作过程如下：从连续相入口2和离散相入口3分别注入连续相和离散相，两相流体在T型交叉处由粘性力克服表面张力生成液滴序列。从间距调节入口5注入连续相，使主通道4中液滴序列间距得以增加。液滴序列流至旁支路通道6和圆形捕获腔7交叉处，由于圆形捕获腔7较旁支路通道6流阻小，液滴序列中首个液滴会直接进入捕获腔7。首个液滴流入圆形捕获腔7并堵塞双狭窄通道8，造成圆形捕获腔7流阻大于旁支路通道6，后续液滴全部经旁支路通道6流走。
本发明中由于双狭窄通道及界面张力的存在，液滴脱离捕获腔时需要克服更强的拉普拉斯力，致使液滴能承受更高的极限流量，其液滴受力如附图3。
注：由于微通道尺寸较小，用实际尺寸表示微流控芯片时不能有效表征微流控芯片流道部分的结构，因此附图使用的是微流道结构相对放大的芯片示意图。

Claims (3)

1.一种用于提高液滴捕获后极限承受流量的微流控芯片，其特征在于：该微流控芯片包括主体固体结构(1)、连续相入口(2)、离散相入口(3)、主通道(4)、间距调节入口(5)、旁支路通道(6)、圆形捕获腔(7)、双狭窄通道(8)、流体出口(9)及下底板(10)；
连续相入口(2)、离散相入口(3)、主通道(4)、间距调节入口(5)、旁支路通道(6)、圆形捕获腔(7)、双狭窄通道(8)、流体出口(9)为主体固体结构(1)上的凹槽或孔洞结构，且各凹槽或孔洞结构为微流控芯片工作时液体流动区域；
离散相入口(3)和间距调节入口(5)并联连接在主通道(4)上，主通道(4)的一端为连续相入口(2)，另一端为圆形捕获腔(7)；圆形捕获腔(7)的进液口处设有倒U形流道与流体出口(9)连接，圆形捕获腔(7)与流体出口(9)之间通过双狭窄通道(8)连接；
所述主体固体结构(1)和下底板(10)通过氧离子上下键合固定，下底板(10)置于主体固体结构(1)底部，以支撑微流控芯片并提供流动空间；
双狭窄通道( 8) 由两个单独的狭窄通道组成，其一位于液滴中轴，其长度为200μm；另一位于中轴上方50微米处，其长度由右端出口延伸至圆形捕获腔( 7) 决定；两个单独的狭窄通道宽度均为30μm。
2.根据权利要求1所述的一种用于提高液滴捕获后极限承受流量的微流控芯片，其特征在于：在主体固体结构(1)上的连续相入口(2)、主通道(4)及流体出口(9)宽度为150μm，离散相入口(3)及间距调节入口(5)宽度为80μm，旁支路通道(6)宽度为150μm，边长为800μm；圆形捕获腔(7)的半径为200μm。
3.根据权利要求1所述的一种用于提高液滴捕获后极限承受流量的微流控芯片，其特征在于：从连续相入口(2)和离散相入口(3)分别注入连续相和离散相，两相流体在连续相入口(2)和离散相入口(3)组成的T型交叉处由粘性力克服表面张力生成液滴序列；从间距调节入口(5)注入连续相，使主通道(4)中液滴序列间距得以增加；液滴序列流至旁支路通道(6)和圆形捕获腔(7)交叉处，由于圆形捕获腔(7)较旁支路通道(6)流阻小，液滴序列中首个液滴会直接进入圆形捕获腔(7)；首个液滴流入圆形捕获腔(7)并堵塞双狭窄通道(8)，造成圆形捕获腔(7)流阻大于旁支路通道(6)，后续液滴全部经旁支路通道(6)流走；停止注入离散相使连续相充满通道，液滴停留在捕获腔固定位置，整个捕获过程完成。
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