CN110052298A - 一种振动管路控制微流控芯片生成微液滴的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种振动管路控制微流控芯片生成微液滴的方法。本发明选定某一类型的微流控芯片，在某一连续相流量点下，调整分散相流体的流量，使其流量刚好弱于连续产生液滴的临界流量；通过电磁振动器对微流控芯片两相流体进口上游的分散相或连续相中的非气相流体管路施加一个振幅、脉冲数精密可调的冲击振动；通过上述冲击振动的振幅控制微流控芯片中生成的微液滴的大小；通过冲击振动中的单个冲击波型脉冲控制微流控芯片生成单个微液滴；从而生成单个或者定量任意个微液滴。本发明可以主动控制微液滴的生成尺寸、频率，极大的提高了液滴的生产效率。

Description

一种振动管路控制微流控芯片生成微液滴的方法
技术领域
本发明属于流体机械领域，涉及一种振动管路控制微流控芯片生成微液滴的方法。
背景技术
近年来，微液滴技术凭借其在科研领域的重要影响和工程领域的特殊应用，得到了广泛关注。科研工作者们提出了很多形成近似单分散微液滴的方法，例如滴水龙头、喷嘴释放、微流控技术等等。在这些技术中，液滴微流体是最普遍的一种方法，可以被用于食物传递、药品传输、化学反应、健康监测以及其他一些生物分析领域。总的来说，有三种典型的几何设备可以用于产生微液滴：Ｔ型、流动聚焦型和同轴流动型。其中流动聚焦型能够实现较宽体积范围内微液滴序列的形成。一种典型的流动聚焦微流体设备如图2所示，它包括三个入口（十字部分），中间的入口注入分散相，两侧的入口注入连续相。两种不混溶的液体在狭窄的管道中相遇并彼此接触，随后断裂分解形成微液滴。
由于微液滴应用在不同领域时所需粒径尺寸不同，所以对微流控芯片生成可控尺寸的微液滴也提出了更高的要求。目前微流控芯片能生成尺寸可控的微液滴方法有以下几种：一是通过改变微流控芯片的通道几何结构，但对于生成不同尺寸的微液滴，通过改变通道几何结构，对加工精度提出了更高的要求，成本也会大幅提升。二是通过改变两种流体的粘度和表面张力来控制不同尺寸的微液滴，但是对于给定的流体性质，这种方法难以控制生成的微液滴尺寸，因此限制了其应用、三是通过精确控制流体的压力来控制不同尺寸的微液滴，操作中流体需要较高压力，因此也限制了这种方法在实际过程中的应用。上述方法都或多或少在使用过程中技术上存在一定的局限和难点，而如果通过在外部分散相管路中施加一个稳定的机械扰动，就能以此控制微流控芯片微液滴的生成，这样将可以很大程度上解决上述问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种振动管路控制微流控芯片生成微液滴的方法。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
选定某一类型的微流控芯片，在某一连续相流量点下Q 1，调整分散相流体的流量Q 2，使其流量刚好弱于连续产生液滴的临界流量Q C；
通过电磁振动器对微流控芯片两相流体进口上游的分散相或连续相中的非气相流体管路施加一个振幅、脉冲数精密可调的冲击振动；
通过上述冲击振动的振幅控制微流控芯片中生成的微液滴的大小；通过冲击振动中的单个冲击波型脉冲控制微流控芯片生成单个微液滴；从而生成单个或者定量任意个微液滴。总体而言，可以使每一个不同大小的微液滴以单次或不同的频率生成。
进一步说，所述的微流控芯片包括以下三种类型：Ｔ型、流动聚焦型和同轴流动型。
进一步说，当分散相为气体时，通过上述可调的冲击振动可生成单个或者定量任意个微气泡。
进一步说，当微流控芯片为流动聚焦型时，通过电磁振动器对微流控芯片两相流体进口上游的分散相或同时对连续相中的非气相流体管路施加一个振幅、脉冲数精密可调的冲击振动。
进一步说，冲击振动的频率不大于微液滴或微气泡的生成频率。
进一步说，冲击振动的幅值正比于微液滴或微气泡的尺度大小。
根据伯努利原理，各相流体管路内的总能量一定时，由于电磁振动器对微芯片外部管路的扰动实际上是对被激励的分散相或连续相非气相流体产生一个压力波，压力的变化则导致该路流体在原有流量基础上产生一个附加的流量峰值，在另一相流体流量大小合适并保持稳定时，使得分散相流体流量直接或者间接（受连续相压力波的间接作用）受此冲击振动的作用，获得足够的动能从而激励分散液滴的生成。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、现有的微流控芯片生成微液滴的过程，只能通过改变微通道的几何结构、流体压力以及流体的粘度等被动因素来控制微液滴的生成尺寸和频率，而不能主动控制微液滴的生成频率和尺寸。本发明通过在外部分散相流体管路中施加一个振幅、频率可控的电磁振动器便可以主动控制微液滴的生成尺寸、频率，极大的提高了液滴的生产效率。
2、针对微流控芯片因外部流体流量和粘度的原因，使得生成微液滴的过程中产生射流模式，造成生成的微液滴不均匀的影响，本发明可以通过在外部分散相流体管路中施加的电磁振动器，在一定频率和振幅条件下，可以将射流模式转变成滴落模式，从而提高了液滴生成的稳定性，使得生成的微液滴粒径大小一致，具有高度的单分散性。
3、针对现有微流控芯片难以按需生成单个或精确定量多个微液滴的不足，本发明提供一种具有可控的冲击波型脉冲的电磁振动器，可以通过改变电磁振动器的脉冲数按需生成单个或精确定量多个微液滴。
附图说明
图1是扰动控制流动聚焦型微流控芯片生成微液滴系统管路的装置图；
图中：1、注射泵，2、微量进样器，3、注射泵，4、微量进样器，5、分散相管路，6、电磁振动器，7、连续相管路，8、出口管路，9、流动聚焦型微流控芯片，10、收集瓶。
图2是流动聚焦型微流控芯片示意图；
图中：11、连续相进口，12、分散相进口，13、出口端。
具体实施方式
如图1所示，以在流动聚焦型微流控芯片生成微液滴过程中分散相管路中加机械扰动为实例，本发明的具体实施方案为：在某一连续相流量点下Q 1，调整分散相流体的流量Q 2，使其流量刚好弱于连续产生液滴的临界流量Q C，通过注射泵1推动微量进样器2使流体进入分散相管路5，并穿过电磁振动器6，使流体流进流动聚焦型微流控芯片9中的分散相进口12。注射泵3推动微量进样器4使流体进入连续相管路7并流进流动聚焦型微流控芯片9中的连续相进口11。两种不混溶的流体在狭窄的管道中相遇并彼此接触，随后断裂分解形成液滴。由于流体流动，微液滴经出口端13和出口管路8进入收集瓶10中，此过程连续生成微液滴。当启动电磁振动器6时，改变电磁振动器6的振幅和脉冲，便可以精确地按需控制微液滴生成的尺寸、个数。
当流动聚焦型微流控芯片9内生成微液滴的临界流量为5μL/min，调节分散相的流量为4.99μL/min，使其刚好不生成微液滴。电磁振动器6的振幅（0cm-10cm）保持为2㎜，在某一时刻电磁振动器6给1个脉冲，在这时刻就会生成一个微液滴，给的脉冲数就决定了生成的微液滴数，当以60Hz的频率给10个脉冲时，微液滴就以60Hz的频率生成10个。电磁振动器6的脉冲保持为1时，改变电磁振动器6的振幅（0cm-10cm）可控制每个微液滴生成的尺寸大小。
当流动聚焦型微流控芯片9内微液滴生成状态恰好为射流模式的时候，此时分散相流量为7μL/min，通过电磁振动器6振幅的增加使得射流模式变成滴落模式，提高微液滴生成的稳定性和单分散性。
综上，本发明通过控制微流控芯片分散相管路中的机械扰动来精确控制微液滴按照需要生成，包括微液滴尺寸、个数、频率，最主要的是可以使每一个不同大小的微液滴以不同的频率或单次生成。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种振动管路控制微流控芯片生成微液滴的方法，其特征在于：
选定某一类型的微流控芯片，在某一连续相流量点下Q 1，调整分散相流体的流量Q 2，使其流量刚好弱于连续产生液滴的临界流量Q C；
通过电磁振动器对微流控芯片两相流体进口上游的分散相或连续相中的非气相流体管路施加一个振幅、脉冲数精密可调的冲击振动；
通过上述冲击振动的振幅控制微流控芯片中生成的微液滴的大小；通过冲击振动中的单个冲击波型脉冲控制微流控芯片生成单个微液滴；从而生成单个或者定量任意个微液滴。
2.根据权利要求1所述的一种振动管路控制微流控芯片生成微液滴的方法，其特征在于：所述的微流控芯片包括以下三种类型：Ｔ型、流动聚焦型和同轴流动型。
3.根据权利要求1所述的一种振动管路控制微流控芯片生成微液滴的方法，其特征在于：当分散相为气体时，通过上述可调的冲击振动可生成单个或者定量任意个微气泡。
4.根据权利要求2所述的一种振动管路控制微流控芯片生成微液滴的方法，其特征在于：当微流控芯片为流动聚焦型时，通过电磁振动器对微流控芯片两相流体进口上游的分散相或同时对连续相中的非气相流体管路施加一个振幅、脉冲数精密可调的冲击振动。
5.根据权利要求1或3所述的一种振动管路控制微流控芯片生成微液滴的方法，其特征在于：所述冲击振动的频率不大于微液滴或微气泡的生成频率。
6.根据权利要求1或3所述的一种振动管路控制微流控芯片生成微液滴的方法，其特征在于：所述冲击振动的幅值正比于微液滴或微气泡的尺度大小。
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