CN110787846B - 一种一步式双层微液滴生成装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一步式多层微液滴生成装置包括微量流体注射模块、微流控芯片和液滴收集模块，微流控芯片的入口和出口通过毛细管分别连接于微量流体注射模块和液滴收集模块；微流控芯片为轴对称结构，对称轴上分别设置有外部相入口、中部相入口、内部相入口、流动聚焦模块和液滴出口，流动聚焦模块为5入1出的对称六连通结构，外部相入口经一个三通模块后通过微流道连接于流动聚焦模块的A口和E口，中部相入口经一个三通模块后通过微流道连接于流动聚焦模块的B口和D口，内部相入口通过微流道连接于流动聚焦模块的C口，流动聚焦模块的F口连接于液滴出口。本发明结构简单，简化了微流控芯片的制作工序，缩短了制作周期，提高了生产效率。

Description

一种一步式双层微液滴生成装置及方法

技术领域

本发明涉及微流控技术生成技术，尤其涉及一种基于流动聚焦模块的双层微液滴生成方法。

背景技术

在双层微液滴结构中，中间相流体包裹着内部相流体稳定存在于外部相流体内。通过固化中间相流体，可将双层微液滴制成胶囊状结构。调节中间相流体的性质，使得胶囊状结构可以在特定环境下破裂，内部相流体在特定的时间或地点释放并产生作用。因此，双层微液滴在食品、化工、医药、农业等方面发挥重要作用。

使用流动聚焦模块生成双层微液滴主要分为一步式生成和两步式生成。两步式生成的缺点在于难以形成中间相薄的双层微液滴，一步式生成可以有效地避免该缺陷。中国发明专利说明书CN106140340公布了一种两个流动聚焦模块串联的生成双层微液滴结构，该结构需对两个流动聚焦模块之间的流道进行表面局部改性处理，增加流道制作难度。因此，需设计一个结构紧凑、对流道壁面润湿性要求较低、便于制造的流动聚焦模块，缩短微流控芯片制作周期，提高效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中生成双层微液滴结构中流道制作过程较复杂的缺陷，提供一种优化的双层微液滴生成装置，从而缩短微流控芯片的制作工序，便于制造，提高效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种一步式双层微液滴生成装置，包括微量流体注射模块、微流控芯片和液滴收集模块，所述微流控芯片的入口通过毛细管连接于微量流体注射模块，其出口通过毛细管连接于液滴收集模块；

所述微流控芯片为轴对称结构，对称轴上分别设置有外部相入口、中部相入口、内部相入口、流动聚焦模块和液滴出口；

所述流动聚焦模块为5入1出的六连通对称结构，包括A口、B口、C口、D口、E口和F口，所述C口和F口沿对称轴设置，所述A口和E口对称设置，所述B口和D口对称设置，所述A口和对称轴的夹角范围为0°～180°，所述B口设置于A口和对称轴之间；

所述外部相入口经一个三通模块后通过外部相微流道连接于所述流动聚焦模块的A口和E口，所述中部相入口经一个三通模块后通过中间相微流道连接于所述流动聚焦模块的B口和D口，所述内部相入口通过内部相微流道连接于所述流动聚焦模块的C口，所述液滴出口通过微流道连接于所述流动聚焦模块的F口。

接上述技术方案，所述微流控芯片内部级联多个所述流动聚焦模块。

接上述技术方案，所述微量流体注射模块包括结构相同的外部相微量注射泵、中间相微量注射泵和内部相微量注射泵，均包括微注射泵和注射器，所述微注射泵推动注射器将各相流体分别注入外部相入口、中部相入口、内部相入口。

接上述技术方案，所述微流控芯片的材料为疏水性材料或亲水性材料，外部相微流道、中间相微流道和内部相微流道材料根据生成的双层微液滴性质进行选择。

接上述技术方案，所述微流道的流道宽度为5μm～1000μm,流道深度为20μm～200μm。

接上述技术方案，所述液滴收集模块为培养皿。

接上述技术方案，所述毛细管为聚四氟乙烯毛细管。

提供一种一步式双层微液滴生成方法，包括以下步骤：

S1、向微量流体注射模块的外部相微量注射泵、中间相微量注射泵和内部相微量注射泵的注射器中分别装入外部相流体、中间相流体和内部相流体；

S2、外部相微量注射泵、中间相微量注射泵和内部相微量注射泵独立工作，推动对应的注射器，使得外部相流体、中间相流体和内部相流体以一定的流量比例通过毛细管分别注入外部相入口、中间相入口和内部相入口；

S3、内部相流体直接通过内部相微流道到达流动聚焦模块，中间相流体经三通模块分流后经过对称的中间相微流道同时到达流动聚焦模块，外部相流体经三通模块分流后经过对称的外部相微流道同时到达流动聚焦模块，外部相流体、中间相流体和内部相流体在流动聚焦模块的汇聚处破裂，中间相流体包覆内部相流体，外部相立体包覆中间相流体，生成双层微液滴；

S4、所述生成的双层微液滴经出口和毛细管流入培养皿。

提供一种一步式多层微液滴生成方法，包括以下步骤：

SM1、利用级联多个流动聚焦模块的微流控芯片，向微量流体注射模块的外部相微量注射泵、中间相微量注射泵和内部相微量注射泵的注射器中装入外部相流体、中间相流体和内部相流体；

SM2、外部相微量注射泵、中间相微量注射泵和内部相微量注射泵独立工作，推动对应的注射器，使得外部相流体、中间相流体和内部相流体以一定的流量比例通过毛细管分别注入外部相入口、中间相入口和内部相入口；

SM3、内部相流体直接通过内部相微流道到达流动聚焦模块，中间相流体经三通模块分流后经过对称的中间相微流道同时到达流动聚焦模块，外部相流体经三通模块分流后经过对称的外部相微流道同时到达流动聚焦模块，外部相流体、中间相流体和内部相流体在流动聚焦模块的汇聚处破裂，中间相流体包覆内部相流体，外部相立体包覆中间相流体，生成双层微液滴；

SM4、所述生成的双层微液滴作为内部相流体继续沿内部相微流道到达下一个流动聚焦模块，中间相流体和外部相流体沿对应的微流道到达该流动聚焦模块，并在流动聚焦模块破裂，从而中间相流体包覆内部相流体，外部相流体包覆中间相流体，形成多层微液滴；

SM5、重复SM4直到最后一个流动聚焦模块，最后一个流动聚焦模块输出多层微液滴，经过毛细管流入培养皿。

本发明产生的有益效果是：本发明提供的一种一步式双层微液滴生成装置，通过一个带有流动聚焦模块的微流控芯片，其入口通过聚四氟乙烯毛细管连接于微量流体注射模块，其出口通过聚四氟乙烯毛细管连接于液滴收集模块，本发明提供的装置仅使用一个流动聚焦模块实现一步式生成双层微液滴，结构简单，简化了微流控芯片的制作工序，缩短了微流控芯片的制作周期，提高了生产效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的一步式生成双层微液滴生成装置结构示意图；

图2是本发明的流动聚焦模块示意图；

图3是本发明一步式生成多层微液滴生成装置结构示意图；

图4是本发明具体实施例微流控芯片结构示意图；

图5是本发明具体实施例一步式生成双层微液滴的过程示意图；

图6是本发明实验得到的O/W/O(油包水包油)型双层微液滴生成过程；

图7是本发明仿真得到的O/W/O(油包水包油)型双层微液滴生成过程。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种一步式双层微液滴生成装置，包括微量流体注射模块1、微流控芯片2、液滴收集模块3，微流控芯片2的入口通过毛细管4连接于微量流体注射模块1，其出口通过毛细管4连接于液滴收集模块3。微流控芯片2为轴对称结构，对称轴上分别设置有外部相入口21、中部相入口22、内部相入口23、流动聚焦模块24和液滴出口25，本装置仅使用一个流动聚焦模块24实现一步式生成双层微液滴，结构简单，简化了微流控芯片2的制作工序，缩短了微流控芯片2的制作周期，提高了生产效率。

如图2所示，流动聚焦模块24为5入1出的六连通对称结构，包括A口、B口、C口、D口、E口和F口，其中C口和F口沿对称轴设置，A口和E口对称设置，B口和D口对称设置，A口和对称轴的夹角范围为0°～180°，B口设置于A口和对称轴之间，对称设置可使同相流体的微流道长度相同，保证流体能同时到达流动聚焦模块24。

如图1所示，外部相入21口经一个三通模块26后通过外部相微流道27连接于流动聚焦模块24的A口和E口，中部相入口22经一个三通模块26后通过中间相微流道28连接于流动聚焦模块24的B口和D口，内部相入口23通过内部相微流道29连接于所述流动聚焦模块的C口，液滴出口25通过微流道连接于流动聚焦模块24的F口。

进一步地，如图3所示，微流控芯片2内部级联多个所述流动聚焦模块24，可用于生成多层微液滴。

进一步地，微量流体注射模块1包括结构相同的外部相微量注射泵11、中间相微量注射泵12和内部相微量注射泵13，均包括微注射泵和注射器，微注射泵推动注射器将各相流体分别注入外部相入口21、中部相入口22、内部相入口23，通过微注射泵可以控制流体注入的流量和速度。

进一步地，微流控芯片2的材料为疏水性材料或亲水性材料，外部相微流道27、中间相微流道28和内部相微流道29材料根据生成的双层微液滴性质进行选择。

进一步地，微流道的流道宽度为5μm～1000μm,流道深度为20μm～200μm。

进一步地，液滴收集模块3为培养皿。

进一步地，毛细管4为聚四氟乙烯毛细管。

本发明提供一种一步式双层微液滴生成方法，包括以下步骤：

S1、向微量流体注射模块1的外部相微量注射泵11、中间相微量注射泵12和内部相微量注射泵13的注射器中分别装入外部相流体、中间相流体和内部相流体；

S2、外部相微量注射泵11、中间相微量注射泵12和内部相微量注射泵13独立工作，推动对应的注射器，使得外部相流体、中间相流体和内部相流体以一定的流量比例通过毛细管4分别注入外部相入口21、中间相入口22和内部相入口23；

S3、内部相流体直接通过内部相微流道29到达流动聚焦模块24，中间相流体经三通模块26分流后经过对称的中间相微流道28同时到达流动聚焦模块24，外部相流体经三通模块26分流后经过对称的外部相微流道27同时到达流动聚焦模块24，外部相流体、中间相流体和内部相流体在流动聚焦模块24的汇聚处破裂，中间相流体包覆内部相流体，外部相立体包覆中间相流体，生成双层微液滴；

S4、所述生成的双层微液滴经出口和毛细管4流入培养皿。

提供一种一步式多层微液滴生成方法，包括以下步骤：

SM1、利用级联多个流动聚焦模块24的微流控芯片3，向微量流体注射模块1的外部相微量注射泵11、中间相微量注射泵12和内部相微量注射泵13的注射器中装入外部相流体、中间相流体和内部相流体；

SM2、外部相微量注射泵11、中间相微量注射泵12和内部相微量注射泵13独立工作，推动对应的注射器，使得外部相流体、中间相流体和内部相流体以一定的流量比例通过毛细管4分别注入外部相入口21、中间相入口22和内部相入口23；

SM3、内部相流体直接通过内部相微流道29到达流动聚焦模块24，中间相流体经三通模块26分流后经过对称的中间相微流道28同时到达流动聚焦模块24，外部相流体经三通模块26分流后经过对称的外部相微流道27同时到达流动聚焦模块24，外部相流体、中间相流体和内部相流体在流动聚焦模块24的汇聚处破裂，中间相流体包覆内部相流体，外部相立体包覆中间相流体，生成双层微液滴；

SM4、所述生成的双层微液滴作为内部相流体继续沿内部相微流道29到达下一个流动聚焦模块24，中间相流体和外部相流体沿对应的微流道到达该流动聚焦模块24，并在流动聚焦模块破裂，从而中间相流体包覆内部相流体，外部相流体包覆中间相流体，形成多层微液滴；

SM5、重复SM4直到最后一个流动聚焦模块24，最后一个流动聚焦模块输出多层微液滴，经过毛细管4流入培养皿。

如图4所示，本发明的O/W/O(油包水包油)型双层微液滴生成装置的微流控芯片2结构示意图，流动聚焦模块24为对称结构，流动聚焦模块24的A口和E口关于对称轴对称且和对称轴垂直，通过外部相微流道27连接于外部相入口21；流动聚焦模块24的B口和D口关于对称轴对称且和对称轴成45°夹角，通过中间相微流道28连接于中间相入口22；流动聚焦模块24的C口沿对称轴设置，通过内部相微流道29和内部相入口23。外部相微流道27、中间相微流道28和外部相微流道29截面均是长方形，微流道宽度可以不完全相等。作为一较佳实施例，外部相微流道27、中间相微流道28和外部相微流道29宽度、深度均相等，材料为亲水性材料，流道宽度为50μm，流道深度约为70μm。内部相、中间相、外部相三相流体中任意接触的两相流体互不相溶。在内部相、中间相、外部相三相流体中可加入表面活性剂，避免生成的液滴之间发生融合现象。

如图5所示，利用一步式生成双层微液滴装置生成双层微液滴的方法如下，三个独立工作的微量注射泵分别推动三个装有各相流体的注射器，使得内部相流体、中间相流体、外部相流体以一定的流量比通过毛细管4分别注入内部相入口21、中间相入口22、外部相入口23。内部相流体流经内部相微流道29抵达流动聚焦模块24的C口，中间相流体流经中间相微流道28抵达流动聚焦模块24的B口和D口，外部相流体流经外部相微流道29抵达流动聚焦模块24的A口和E口。整个微流控芯片2仅包含一个流动聚焦模块24，在流动聚焦模块24汇聚处处，中间相流体和内部相流体同时破裂形成液滴，一步式生成O/W/O型双层微液滴，后随毛细管4流入培养皿中进行收集。通过调节内部相、中间相、外部相三相流体的流量，可以改变生成的双层微液滴中包含的内部相液滴的尺寸和中间相壳层厚度。图6是实验得到的O/W/O(油包水包油)型双层微液滴生成过程。图7是仿真得到的O/W/O(油包水包油)型双层微液滴生成过程。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种一步式多层微液滴生成方法，其特征在于，包括微量流体注射模块、微流控芯片和液滴收集模块，所述微流控芯片的入口通过毛细管连接于微量流体注射模块，其出口通过毛细管连接于液滴收集模块；

所述微流控芯片为轴对称结构，对称轴上分别设置有外部相入口、中部相入口、内部相入口、流动聚焦模块和液滴出口；所述微流控芯片内部级联多个所述流动聚焦模块；

所述流动聚焦模块为5入1出的六连通对称结构，包括A口、B口、C口、D口、E口和F口，所述C口和F口沿对称轴设置，所述A口和E口对称设置，所述B口和D口对称设置，所述A口和对称轴的夹角为锐角，所述B口设置于A口和对称轴之间；

所述外部相入口经一个三通模块后通过外部相微流道连接于所述流动聚焦模块的A口和E口，所述中部相入口经一个三通模块后通过中间相微流道连接于所述流动聚焦模块的B口和D口，所述内部相入口通过内部相微流道连接于所述流动聚焦模块的C口，所述液滴出口通过微流道连接于所述流动聚焦模块的F口；外部相微流道、中间相微流道和内部相微流道截面均是长方形，且F口的宽度均匀；

采用装置生成多层微液滴的具体过程包括：

SM1、利用级联多个流动聚焦模块的微流控芯片，向微量流体注射模块的外部相微量注射泵、中间相微量注射泵和内部相微量注射泵的注射器中装入外部相流体、中间相流体和内部相流体；

SM2、外部相微量注射泵、中间相微量注射泵和内部相微量注射泵独立工作，推动对应的注射器，使得外部相流体、中间相流体和内部相流体以一定的流量比例通过毛细管分别注入外部相入口、中间相入口和内部相入口；

SM3、内部相流体直接通过内部相微流道到达流动聚焦模块，中间相流体经三通模块分流后经过对称的中间相微流道同时到达流动聚焦模块，外部相流体经三通模块分流后经过对称的外部相微流道同时到达流动聚焦模块，外部相流体、中间相流体和内部相流体在流动聚焦模块的汇聚处破裂，中间相流体包覆内部相流体，外部相流体包覆中间相流体，生成双层微液滴；

SM4、生成的双层微液滴作为内部相流体继续沿内部相微流道到达下一个流动聚焦模块，中间相流体和外部相流体沿对应的微流道到达该下一个流动聚焦模块，并在流动聚焦模块破裂，从而中间相流体包覆内部相流体，外部相流体包覆中间相流体，形成多层微液滴；

SM5、重复SM4直到最后一个流动聚焦模块，最后一个流动聚焦模块输出多层微液滴，经过毛细管流入液滴收集模块。

2.根据权利要求1所述的一步式多层微液滴生成方法，其特征在于，所述微量流体注射模块包括结构相同的外部相微量注射泵、中间相微量注射泵和内部相微量注射泵，均包括微注射泵和注射器，所述微注射泵推动注射器将各相流体分别注入外部相入口、中部相入口、内部相入口。

3.根据权利要求1所述的一步式多层微液滴生成方法，其特征在于，所述微流道的流道宽度为5μm~1000μm,流道深度为20μm~200μm，微流道宽度不完全相等。

4.根据权利要求1所述的一步式多层微液滴生成方法，其特征在于，所述液滴收集模块为培养皿。

5.根据权利要求1所述的一步式多层微液滴生成方法，其特征在于，所述毛细管为聚四氟乙烯毛细管。

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