CN110339881A - 一种微流液滴生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微流液滴生成装置。该装置包括液滴生成芯片、芯片夹具和气压驱动组件，所述芯片夹具用于放置和密封所述液滴生成芯片，所述液滴生成芯片用于生成微流液滴，所述气压驱动组件用于向所述芯片夹具内输出期望的气压，其中所述液滴发生芯片上设有水相存储池、油相存储池和液滴存储池，所述水相存储池的水相样品和所述油相存储池的油相样品在气压驱动下流入所述液滴生成芯片内部的微流管道形成液滴，所生成的液滴进而流入所述液滴存储池进行收集。本发明的微流液滴生成装置操作简便、成本低廉、性能可靠。

Description

一种微流液滴生成装置

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种微流液滴生成装置。

背景技术

微液滴技术是在微尺度通道内，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作用将连续流体分割成离散的液滴。微液滴形成的基本过程是：将两种互不相溶的液体，以其中一种作为连续相，另一种作为分散相，分散相以微小体积单元的形式分散与连续相中，形成微滴在通道内运动。

现有的液滴生成装置通常都是在压力泵的作用下，利用正压，推动连续相和分散相运动，在交叉处形成液滴。这种利用注射泵推动液体运动形成液滴的方法，会由于分别作用于连续相和分散相的注射泵压力的不一致性而导致加载在连续相和分散相的压力不同，从而无法保证形成的液滴的均匀性和一致性。此外，现有的多数微流液滴生成装置或者需要外接气源，并进行复杂的气压和流速调节，或者被限制为单一功能，无法进行扩展。

因此，需要对现有技术进行改进，提供操作简便、成本低廉、性能可靠、具备一定扩展功能的微流液滴生成装置，以实现发生油包水的乳化液滴的功能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种微流液滴生成装置。

本发明提供一种微流液滴生成装置。该装置包括液滴生成芯片、芯片夹具和气压驱动组件，所述芯片夹具用于放置和密封所述液滴生成芯片，所述液滴生成芯片用于生成微流液滴，所述气压驱动组件用于向所述芯片夹具内输出期望的气压，其中所述液滴发生芯片上设有水相存储池、油相存储池和液滴存储池，所述水相存储池的水相样品和所述油相存储池的油相样品在气压驱动下流入所述液滴生成芯片内部的微流管道形成液滴，所生成的液滴进而流入所述液滴存储池进行收集。

在一个实施例中，所述液滴生成芯片整体上为正方形，正方形的一角按斜45度方向设为防呆角，所述芯片夹具的基座设有与所述液滴生成芯片匹配的下沉凹槽。

在一个实施例中，所述芯片夹具的上盖和下盖之间通过卡扣方式连接，以密封所述液滴生成芯片，并且所述芯片夹具上设有回缩式凹槽，以取放所述液滴生成芯片。

在一个实施例中，在所述液滴发生芯片和所述芯片夹具之间配置垫片，该垫片上设有与所述水相存储池、所述油相存储池和所述液滴存储池相匹配的凹槽。

在一个实施例中，所述气压驱动组件包括用于提供气压的气压源、气压缓冲瓶、比例稳压阀门、数模/模数转换模块和芯片夹具切换模块。

在一个实施例中，所述气压驱动组件通过夹具切换模块使用二位五通阀门在维持一路输入的情况下对两路输出进行切换。

在一个实施例中，所述芯片夹具内设有用于监控所述液滴生成芯片和所述芯片夹具之间密封性的传感器。

在一个实施例中，本发明的微流液滴生成装置还包括中央控制系统、继电器驱动阵列、电源模块、气压与位置传感器。

在一个实施例中，所述芯片夹具采用铝制材料制造，所述液滴生成芯片和所述垫片采用抛弃型耗材制造。

在一个实施例中，所述液滴生成芯片通过一体注塑而成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的液滴生成装置采用气压驱动方式，通过内部气源生成足够大的压缩空气，并经过稳压装置将气压稳定在预设的水平，以便配合液滴生成芯片将所产生的液滴的体积控制在预设的大小。经过稳压装置后，有两组不同大小的气压经过气管进入夹具，并进入储液池推动液体流动，在本发明中，从稳压装置到液滴生成芯片储液池的整个气路的体积较小，从而在开气后，液滴生成芯片会在极短时间内达到气压平衡，以保证所产生的液滴的大小始终保持稳定。

附图说明

以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：

图1是根据本发明一个实施例的液滴发生芯片的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的液滴发生芯片夹具的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的垫片的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的气压源的示意图；

图5是根据本发明一个实施例的气压缓冲瓶的示意图；

图6是根据本发明一个实施例的比例稳压阀门的示意图；

图7是根据本发明一个实施例的数模/模数转换模块的示意图；

图8是根据本发明一个实施例的夹具切换模块的示意图；

图9是根据本发明一个实施例的中央控制系统的示意图；

图10是根据本发明一个实施例的继电器驱动阵列的示意图；

图11是根据本发明一个实施例的电源模块的示意图；

图12是根据本发明一个实施例的气压与位置传感器的示意图；

图13是根据本发明一个实施例的微流液滴生成装置的整体连线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

在本文示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

本发明实施例提供一种微流液滴生成装置，该装置整体上包括液滴发生芯片组件、气压驱动组件(或称稳定气压动力组件)和电路控制模块，在本发明中采用气压驱动方式将所产生的液滴体积控制在预设的大小。在下文中将详细介绍各组件或模块的功能。

1)、关于液滴发生组件的实施例

液滴发生组件包括液滴发生芯片、用于放置液滴发生芯片的芯片夹具以及垫片，其中液滴发生芯片用于产生微流液滴，芯片夹具用于放置和密封液滴发生芯片，垫片用于保证液滴发生芯片和芯片夹具之间的密封性。

图1是液滴发生芯片的示意图，在该实施例中，液滴发生芯片整体上是正方形，例如边长26mm的正方形，其中，有一侧按斜45度方向切掉一个防呆角。并且，液滴发生芯片上设有三个储液池，储液池10用于储存水相样品，储液池20用于储存油相样品，储液池30用于液滴收集。三个储液池通过设置在液滴发生芯片内部的微流管道进行连接。储液池10和储液池20内的液体样品，经过气压驱动组件(将在下文介绍)产生的气压驱动，流入微流管道，并在微流管道内部产生油包水液滴，再最终流入储液池30进行收集。优选地，三个储液池的容积不同，但高度相同，以有利于与芯片夹具配合进行密封。液滴发生芯片可采用抛弃型耗材通过一体注塑而成。

图2是芯片夹具的示意图，该芯片夹具与图1的液滴发生芯片匹配，具体包括基座1、卡扣2、凹槽3和防呆角4，其中基座1设有一下沉凹槽，用于放置液滴发生芯片；卡扣2用于确保芯片夹具扣好时，气路与液滴发生芯片间完全密封不漏气；凹槽3设置为回缩式，以便用户单手取放液滴发生芯片；防呆角4的设计，使得液滴发生芯片只能有一种放置方式，以避免事故和样品的浪费。优选地，芯片夹具是铝制材料。

在一个优选实施例中，液滴发生组件还包括垫片，参见图3所示，垫片上设有三个凹槽，与液滴发生芯片的三个储液池相匹配，垫片用于密封液滴发生芯片与芯片夹具上盖之间的空隙。垫片与液滴发生芯片一样，可采用抛弃型耗材，例如采用橡胶材质制造。

2)、关于气压驱动组件的实施例

气压驱动组件用于在液滴生成过程中提供期望的气压，以控制液滴生成的稳定性和均一性。例如，气压驱动组件包括气压源、气压缓冲瓶、稳压阀门、数模/模数转换模块和夹具切换模块。

图4是气压源的示意图，该气压源采用隔膜压缩泵，功耗低，寿命长，噪音小。优选地，在气压源入口处还设有过滤装置。气压源例如可采用Thomas气泵或Parker气泵等。

图5是气压缓冲瓶的示意图，气压缓冲瓶的目的是让高压气积聚足够大的体积，在负载有限的情况下，储气体积越大，气压稳定性越好。该缓冲瓶体积可定制，采用M6螺丝固定于底板上。

图6是稳压阀门的示意图，采用比例阀门进行气压调节。这种阀门使用电压信号进行气压调节，并自带输出校准。通过数模转换来进行阀门命令的下达，并用模数转换来进行校准信号的读取。

图7是数模/模数转换模块的示意图，中央控制系统通过I2C总线与数模/模数转换模块进行通讯。

图8是夹具切换模块的示意图，使用二位五通阀门，可以维持一路输入，并对两路输出进行切换。在切换的时候，在保证气源与新一路输出接通的同时，还可以让前一路与大气接通，瞬间放气，因此能够保证液滴发生芯片中液滴的稳定。二位五通阀可采用SMC，或者选用Lee，Pneumad yne，Festo等。

3)、关于电路控制模块的实施例

电路控制模块用于控制液滴生成过程，例如包括中央控制系统、继电器驱动阵列、电源模块、气压与位置传感器等。

图9是中央控制系统的示意图，其使用运行Linux的嵌入式开发系统Beagle BoneBlack，进行控制程序的开发，并实现对多个硬件、传感器、接口的综合控制，并且有助于进行程序功能的扩展，加入新的功能模块，甚至包括图形化界面。在另外的实施例中，中央控制系统还可以采用Raspberry Pi，Arduino或单片机等。

图10是继电器驱动阵列的示意图，为了自动化驱动高功率的负载，本发明的微流液滴生成装置采用稳定的固态+电磁继电器级连的方式进行硬件驱动。Vcc接好后，用逻辑1即可触发状态切换。

图11是电源模块的示意图，由于本发明的微流液滴生成装置的整体功耗不高，可选用常用的开关电源。例如，5V作为逻辑电路的供电，24V作为负载供电。需注意的是，这两路直流需要共地，否则后续需要强制进行电位拉平，以避免增加不必要的功耗。

图12是气压与位置传感器的示意图，可利用常见元件，以进行气压监控，例如，采用比例阀自带的气压传感器模块来检测芯片夹具出口位置的气压，但实际操作时，如果液滴生成非常稳定，则没有必要在芯片夹具端进行额外监控位置传感器用于检查芯片夹具是否关紧。

图13是根据本发明一个实施例的微流液滴生成装置的整体连接图，其中示意了电源、气瓶(即气压缓冲瓶)、气泵(即气压源)、芯片夹具、电磁继电器(即继电器驱动阵列)、比例阀(即比例稳压阀门)、数模转换器MCP4725、模数转换器ADS1115、二位三通阀(即夹具切换模块)、光电传感器之间的连接关系，其中气瓶和比例阀之间、比例阀和二位三通阀之间、二位三通阀和夹具之间、气瓶和气泵之间是气路连接，其他是电路连接，光电传感器用于检测芯片夹具是否盖紧。应理解的是，本发明的装置还进一步包括运行灯、系统开关、运行开关等，以监测或控制装置的运行。

需要说明的是，本发明的微流液滴生成装置在实际应用中还包括：控制软件，例如用于GPIO(通用型输入输出)控制、通讯与数模/模数转换控制、气压校准控制、芯片夹具定位传感等。此外，还可进一步包括外壳与人机交互设计，例如指示灯与控制按钮、夹具人体工学设计、散热与电磁屏闭等。在此不再一一赘述。

应理解的是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，本领域技术人员可对上述实施例作适当改变或变型。例如，正压驱动替代为负压驱动、将电压调节的比例调压阀换成电流驱动的比例调压阀、使用机械加工的方式制作液滴生成芯片以替代注塑加工方式、液滴发生芯片的注塑材料除采用COC之外，还可以有PS，COP等、液滴发生芯片的键合方式除了热键合，还可以有胶粘、激光焊接等。

综上所述，本发明实施例的微流液滴生成装置能够作为液滴生成仪样机，实现发生油包水的乳化液滴的功能，该装置自带气源，不需要任何外界附件，并且可重复使用。耗材为注塑芯片，单次用后可抛弃。在实际应用时，将试剂加入液滴发生芯片的水相样品储液池和油相样品储液池，将液滴发生芯片放入芯片夹具并开始运行，然后从液滴发生芯片的液滴收集储液池回收所产生的液滴，整个操作流程快速、简便、直观。

需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种微流液滴生成装置，其特征在于，包括液滴生成芯片、芯片夹具和气压驱动组件，所述芯片夹具用于放置和密封所述液滴生成芯片，所述液滴生成芯片用于生成微流液滴，所述气压驱动组件用于向所述芯片夹具内输出期望的气压，其中所述液滴发生芯片上设有水相存储池、油相存储池和液滴存储池，所述水相存储池的水相样品和所述油相存储池的油相样品在气压驱动下流入所述液滴生成芯片内部的微流管道形成液滴，所生成的液滴进而流入所述液滴存储池进行收集。

2.根据权利要求1所述的微流液滴生成装置，其特征在于，所述液滴生成芯片整体上为正方形，正方形的一角按斜45度方向设为防呆角，所述芯片夹具的基座设有与所述液滴生成芯片匹配的下沉凹槽。

3.根据权利要求1所述的微流液滴生成装置，其特征在于，所述芯片夹具的上盖和下盖之间通过卡扣方式连接，以密封所述液滴生成芯片，并且所述芯片夹具上设有回缩式凹槽，以取放所述液滴生成芯片。

4.根据权利要求1所述的微流液滴生成装置，其特征在于，在所述液滴发生芯片和所述芯片夹具之间配置垫片，该垫片上设有与所述水相存储池、所述油相存储池和所述液滴存储池相匹配的凹槽。

5.根据权利要求1所述的微流液滴生成装置，其特征在于，所述气压驱动组件包括用于提供气压的气压源、气压缓冲瓶、比例稳压阀门、数模/模数转换模块和芯片夹具切换模块，其中所述气压源和所述气压缓冲瓶之间、所述气压缓冲瓶和所述比例稳压阀门之间、所述比例稳压阀门和所述芯片夹具切换模块之间、所述芯片夹具切换模块和所述芯片夹具之间具有气路连接。

6.根据权利要求5所述的微流液滴生成装置，其特征在于，所述芯片夹具切换模块是二位三通阀门，在维持一路输入的情况下对两路输出进行切换。

7.根据权利要求1所述的微流液滴生成装置，其特征在于，所述芯片夹具内设有用于监控所述液滴生成芯片和所述芯片夹具之间密封性的传感器。

8.根据权利要求1所述的微流控液滴生成装置，其特征在于，所述装置还包括中央控制系统、继电器驱动阵列、电源模块、气压与位置传感器。

9.根据权利要求4所述的微流控液滴生成装置，其特征在于，所述芯片夹具采用铝制材料制造，所述液滴生成芯片和所述垫片采用抛弃型耗材制造。

10.根据权利要求1所述的微流控液滴生成装置，其特征在于，所述液滴生成芯片通过一体注塑而成。