CN109718874B - 一种分离影响液滴内部流动行为变量的微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分离影响液滴内部流动行为变量的微流控芯片，属于微流控技术领域。两相流体从连续相和离散相入口进入，并于第一个T型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或缩小间距。在整个液滴生成过程中，液滴间距、流速、体积、粘度及界面张力相互耦合，难以分离，因此常被耦合研究。本发明通过设计特定的微流控芯片结构，采用先生成再缓存最后运行的方式，将上述研究变量分离，从而实现研究单独变量的目的。该发明有助于探究液滴内部动力学行为形成机理，对直接利用液滴内部对流的混合、萃取和合成等应用具有重要指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种分离影响液滴内部流动行为变量的微流控芯片，属于微流控技术领域。
背景技术
微流控技术Microfluidics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阿升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。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，在微混合、单细胞捕获、纳米晶体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。
液滴内部流动行为直接影响封裹着的细胞和其中内部反应物质，有报告指出强流场剪切力会改变细胞生理结构，如降低精细胞受精能力及引起干细胞功能失调等。因此，研究液滴内部流场是进一步发展微流控流式细胞术的要求。除流式细胞术外，该研究还有助于探究纳米晶体结晶机理、提高生化反应效率及建立液滴动力学行为与流阻特性的联系。但在整个液滴生成过程中，液滴间距、流速、体积、粘度及界面张力相互耦合，难以分离，因此常被耦合研究。本发明通过设计特定的微流控芯片结构，采用先生成再缓存最后运行的方式，将上述研究变量分离，从而实现研究单独变量的目的。
发明内容
本发明目的是实现分离影响液滴内部流动行为的变量。设计一种结构简单，易于加工并且能有效分离影响液滴内部流动行为变量的微流控芯片。该微流控芯片可以用于研究单个变量对液滴流动行为的影响，变量包括液滴流速、间距、体积、粘度及界面张力。
本发明采用的技术方案为一种用于实现分离影响液滴内部流动行为变量的微流控芯片，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、间距调节入口4、垃圾过滤槽5、主通道6、观测通道7、弯曲连接通道8、流体出口9及下底板10。
连续相入口2、离散相入口3、间距调节入口4、垃圾过滤槽5、主通道6、观测通道7、弯曲连接通道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该微流控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置于主体固体结构1底部，以支撑芯片主体固体结构并提供流动空间。
连续相入口2、离散相入口3、间距调节入口4和流体出口9为设置在主体固体结构1上的上下贯通孔洞结构。
离散相入口3和间距调节入口4并联设置在主通道6的外侧，各个主通道6平行布置，各个主通道6的端部通过弯曲连接通道8连接；观测通道7设置在最后一个主通道6的底部并与流体出口9连接；离散相入口3和间距调节入口4与主通道6之间设有垃圾过滤槽5。
主通道6长度范围设定在6-12厘米以避免通道整体流动阻力过大影响液滴生成；垃圾过滤槽5内部阻挡单元间距设定为40微米，以阻挡40微米以上的固体垃圾；观测通道7距离上游弯曲连接通道81厘米以上，以保证弯曲连接通道8处流场不干扰液滴运动。
所述主体固体结构1和下底板10由聚二甲基硅氧烷制成。
本发明总体工作过程如下：
研究液滴流速对其内部流动行为影响时，通过连续相入口2和离散相入口3调节特定流量，生成所需尺寸液滴。当液滴充满整个主通道6时，暂停从连续相入口2和离散相入口3的液体注入。由于微尺度下，韦伯数We＝ρv2l/σ远远小于1，式中ρ为流体密度Kg/m，v为特征流速m/s，l为特征长度m，σ为流体的表面张力系数N/m，因此界面张力起主导作用，液滴速度将很快降低至0。待主通道6中液滴速度稳定降至0后，仅从连续相入口2通入所需研究流量，从而实现分离液滴流速对其内部流动行为的影响，并从观测通道7进行液滴相关数据捕获。
研究液滴间距对其内部流动行为影响时，通过连续相入口2和离散相入口3调节特定流量，生成所需尺寸液滴。由于初始生成时，存在一个最短间距，如图2，因此在研究更短间距时，需先生成大尺寸液滴，如图3，再通过间距调节入口4回抽通道内的所有流体，如图4，从而实现液滴体积及间距的进一步降低；在研究长间距时，通过连续相入口2和离散相入口3调节特定流量，生成所需尺寸液滴，并从间距调节入口4注入连续相以实现更长液滴间距。在整个液滴间距控制过程结束后，同样通过先使液滴充满主通道6，再暂停从连续相入口2和离散相入口3的液体注入。待主通道6中液滴速度稳定降至0后，仅从连续相入口2通入所需研究流量，从而实现分离液滴间距对其内部流动行为的影响，并从观测通道7进行液滴相关数据捕获。
研究液滴体积、粘度及界面张力对其内部流动行为影响时，通过连续相入口2和离散相入口3调节特定流量，生成所需尺寸液滴。由于初始生成时，存在初始间距，为消除不同长度间距对液滴造成影响，从间距调节入口4注入连续相以实现远大于液滴尺寸20倍的间距控制。生成特定尺寸液滴并调整好间距后，使液滴充满主通道6，再暂停从连续相入口2和离散相入口3的液体注入。待主通道6中液滴速度稳定降至0后，仅从连续相入口2通入所需研究流量，从而实现分离液滴体积、粘度及界面张力对其内部流动行为的影响，并从观测通道7进行液滴相关数据捕获。
上述技术方案具有下列优点：
1.整个通道最窄处深宽比仅为3:1，便于加工制造。
2.主通道6整体长度范围设定在6-12厘米，既保证有足够长度使液滴能加速到稳定状态并开始拍摄，又避免通道内流阻过大影响液滴生成。
3.通道结构简单，仅通过连续相入口2、离散相入口3和间距调节入口4即能调整所研究参数。
附图说明
图1为一种分离影响液滴内部流动行为变量的微流控芯片的三维结构示意图；
图2为液滴生成初始间距高速显微摄影图像；
图3为大体积液滴生成高速显微摄影图像；
图4为液滴体积及间距回抽高速显微摄影图像。
图5为本发明的平面结构示意图。
图中：1、主体固体结构，2、连续相入口，3、离散相入口，4.间距调节入口，5、垃圾过滤槽，6、主通道，7、观测通道，8、弯曲连接通道，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为一种分离影响液滴内部流动行为变量的微流控芯片的三维结构示意图，该芯片包括主体固体结构1、连续相入口2、离散相入口3、间距调节入口4、垃圾过滤槽5、主通道6、观测通道7、弯曲连接通道8、流体出口9及下底板10。
具体而言，连续相入口2、离散相入口3、间距调节入口4、垃圾过滤槽5、主通道6、观测通道7、弯曲连接通道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；主通道6长度范围设定在6-12厘米以避免通道整体流动阻力过大影响液滴生成；垃圾过滤槽5内部阻挡单元间距设定为40微米，以阻挡40微米以上的固体垃圾；观测通道7距离上游弯曲连接通道8一公分以上，以保证弯曲连接通道8处流场不干扰液滴运动。
所述主体固体结构1和底板10通过氧离子上下键合固定，下底板10置于主体固体结构1底部，以支撑芯片主体固体结构并提供流动空间；
本发明总体工作过程如下：
研究液滴流速对其内部流动行为影响时，通过连续相入口2和离散相入口3调节特定流量，生成所需尺寸液滴。当液滴充满整个主通道6时，暂停从连续相入口2和离散相入口3的液体注入。由于微尺度下，韦伯数We＝ρv2l/σ远远小于1，式中ρ为流体密度Kg/m，v为特征流速m/s，l为特征长度m，σ为流体的表面张力系数N/m，因此界面张力起主导作用，液滴速度将很快降低至0。待主通道6中液滴速度稳定降至0后，仅从连续相入口2通入所需研究流量，从而实现分离液滴流速对其内部流动行为的影响，并从观测通道7进行液滴相关数据捕获。
研究液滴间距对其内部流动行为影响时，通过连续相入口2和离散相入口3调节特定流量，生成所需尺寸液滴。由于初始生成时，存在一个最短间距，如图2，因此在研究更短间距时，需先生成大尺寸液滴，如图3，再通过间距调节入口4回抽通道内的所有流体，如图4，从而实现液滴间距的进一步降低；在研究长间距时，通过连续相入口2和离散相入口3调节特定流量，生成所需尺寸液滴，并从间距调节入口4注入连续相以实现更长液滴间距。在整个液滴间距控制过程结束后，同样通过先使液滴充满主通道6，再暂停从连续相入口2和离散相入口3的液体注入。待主通道6中液滴速度稳定降至0后，仅从连续相入口2通入所需研究流量，从而实现分离液滴间距对其内部流动行为的影响，并从观测通道7进行液滴相关数据捕获。
研究液滴体积、粘度及界面张力对其内部流动行为影响时，通过连续相入口2和离散相入口3调节特定流量，生成所需尺寸液滴。由于初始生成时，存在初始间距，为消除不同长度间距对液滴造成影响，从间距调节入口4注入连续相以实现远大于液滴尺寸20倍的间距控制。生成特定尺寸液滴并调整好间距后，使液滴充满主通道6，再暂停从连续相入口2和离散相入口3的液体注入。待主通道6中液滴速度稳定降至0后，仅从连续相入口2通入所需研究流量，从而实现分离液滴体积、粘度及界面张力对其内部流动行为的影响，并从观测通道7进行液滴相关数据捕获。
Claims (3)
1.一种分离影响液滴内部流动行为变量的微流控芯片，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)、间距调节入口(4)、垃圾过滤槽(5)、主通道(6)、观测通道(7)、弯曲连接通道(8)、流体出口(9)及下底板(10)；
连续相入口(2)、离散相入口(3)、间距调节入口(4)、垃圾过滤槽(5)、主通道(6)、观测通道(7)、弯曲连接通道(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该微流控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)置于主体固体结构(1)底部，以支撑芯片主体固体结构并提供流动空间；
连续相入口(2)、离散相入口(3)、间距调节入口(4)和流体出口(9)为设置在主体固体结构(1)上的上下贯通孔洞结构；
离散相入口(3)和间距调节入口(4)并联设置在主通道(6)的外侧，各个主通道(6)平行布置，各个主通道(6)的端部通过弯曲连接通道(8)连接；观测通道(7)设置在最后一个主通道(6)的底部并与流体出口(9)连接；离散相入口(3)和间距调节入口(4)与主通道(6)之间设有垃圾过滤槽(5)；
主通道(6)长度范围设定在6-12厘米以避免通道整体流动阻力过大影响液滴生成；垃圾过滤槽(5)内部阻挡单元间距设定为40微米，以阻挡40微米以上的固体垃圾；观测通道(7)距离上游弯曲连接通道(8)1厘米以上，以保证弯曲连接通道(8)处流场不干扰液滴运动。
2.根据权利要求1所述的一种分离影响液滴内部流动行为变量的微流控芯片，其特征在于：所述主体固体结构(1)和下底板(10)由聚二甲基硅氧烷制成。
3.根据权利要求1所述的一种分离影响液滴内部流动行为变量的微流控芯片，其特征在于：该微流控芯片的工作过程如下，
通过连续相入口(2)和离散相入口(3)调节特定流量，生成所需尺寸液滴；当液滴充满整个主通道(6)时，暂停从连续相入口(2)和离散相入口(3)的液体注入；由于微尺度下，韦伯数We＝ρv2l/σ远远小于1，式中ρ为流体密度，v为特征流速，l为特征长度，σ为流体的表面张力系数，因此界面张力起主导作用，液滴速度将很快降低至0；待主通道(6)中液滴速度稳定降至0后，仅从连续相入口(2)通入所需研究流量，从而实现分离液滴流速对其内部流动行为的影响，并从观测通道(7)进行液滴相关数据捕获；
研究液滴间距对其内部流动行为影响时，通过连续相入口(2)和离散相入口(3)调节特定流量，生成所需尺寸液滴；由于初始生成时，存在一个最短间距，因此在研究更短间距时，需要先生成大尺寸液滴，再通过间距调节入口(4)回抽通道内的所有流体，从而实现液滴体积及间距的进一步降低；在研究长间距时，通过连续相入口(2)和离散相入口(3)调节特定流量，生成所需尺寸液滴，并从间距调节入口(4)注入连续相以实现更长液滴间距；在整个液滴间距控制过程结束后，同样通过先使液滴充满主通道(6)，再暂停从连续相入口(2)和离散相入口(3)的液体注入；待主通道(6)中液滴速度稳定降至0后，仅从连续相入口(2)通入所需研究流量，从而实现分离液滴间距对其内部流动行为的影响，并从观测通道(7)进行液滴相关数据捕获；
研究液滴体积、粘度及界面张力对其内部流动行为影响时，通过连续相入口(2)和离散相入口(3)调节特定流量，生成所需尺寸液滴；由于初始生成时，存在初始间距，为消除不同长度间距对液滴造成影响，从间距调节入口(4)注入连续相以实现远大于液滴尺寸20倍的间距控制；生成特定尺寸液滴并调整好间距后，使液滴充满主通道(6)，再暂停从连续相入口(2)和离散相入口(3)的液体注入；待主通道(6)中液滴速度稳定降至0后，仅从连续相入口(2)通入所需研究流量，从而实现分离液滴体积、粘度及界面张力对其内部流动行为的影响，并从观测通道(7)进行液滴相关数据捕获。
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