CN110801874B - 一种单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置和方法。包括载玻片、点胶针头、连续相管、储液槽、分散相管，点胶针头的针座底部与载玻片固定连接，储液槽固定在载玻片上，储液槽的开口面对点胶针头，点胶针头垂直于载玻片设置，分散相管的一端伸入储液槽，另一端为自由端，连续相管的一端伸入点胶针头的针座内部，另一端穿过储液槽伸入分散相管。收集装置为敞口容器，收集装置位于分散相管的下方。制备方法简单，操作方便，同时制备出来的微气泡和微液滴尺寸均匀稳定。

Description

一种单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置和方法

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置和方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

微流控芯片技术是指使用微管道处理或操纵微小流体的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。利用微流控芯片技术可以完成微液滴的制备，方法是将两种互不相溶的液体，其中的一种液体作为连续相，另一种液体作为分散相，按照一定的流速通入微流控芯片中，在流体剪切力的作用下，将分散相分割成微小体积的液滴分散于连续相液体中。此方法可产生均匀稳定的微液滴，广泛应用于化学和生物医学中。

微气泡具有比表面积大、气含率高、上升速度慢和溶解度快的特点，广泛应用于生物医学、酿酒、废水处理和好氧生物养殖等领域。Terasaka等将微气泡应用于废水处理，利用微气泡比表面积大的特点，加速气体溶解，高效回收废水中的细碳颗粒。近年来关于微气泡的研究和应用得到了越来越多学者的关注，出现了很多产生微气泡的设备和技术，目前制备微气泡的方式有降压或升温成泡、剪切破碎成泡和微孔成泡等。近年来，众多学者对微气泡产生作了一系列的研究，发明了许多气泡发生器，Onari等发明了旋转液体型气泡发生器，利用高速旋转液体的离心作用来产生微气泡。Sadatomi等发明了文丘里气泡发生器，在圆管中部安装一个球体，形成突然缩小的流道，抽吸破碎气体形成微气泡，后来他们对上述文丘里气泡发生器作了改进，用圆孔代替球体、用嵌入式多孔板代替在管壁上开孔，同样能够产生微气泡。发明人发现，上述现有技术制备的微气泡尺寸稳定性较差，且制备过程较为繁琐，装置成本较高。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置和方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，包括载玻片、点胶针头、连续相管、储液槽、分散相管，点胶针头的针座底部与载玻片固定连接，储液槽固定在载玻片上，储液槽的开口面对点胶针头，点胶针头垂直于载玻片设置，分散相管的一端伸入储液槽，另一端为自由端，连续相管的一端伸入点胶针头的针座内部，另一端穿过储液槽伸入分散相管。

本发明的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，可以用于制备微气泡和微液滴，微液滴包括油滴或水滴。原理为通过连续相流体流入分散相管，在分散相管内产生微气泡、油滴、水滴，储液槽具有放入分散相液体的作用，储液槽内分散相液体流入分散相管，在分散相管内与连续相液体相遇，产生油滴或水滴。

在一些实施例中，连续相管中通入水相溶液，分散相中不通溶液或通入油相溶液；优选的，水相溶液为SDS水溶液，油相溶液为油溶红、石蜡油溶液；进一步优选的，水相溶液的质量分数为1％-2％，油相溶液的质量分数为0.1％-0.2％。

在一些实施例中，连续相管中通入油相溶液，分散相管中通入水相溶液；优选的，油相溶液为span80、石蜡油溶液，水相溶液为blue O水溶液；进一步优选的，油相溶液的质量分数为1％-2％，水相溶液的质量分数为0.1％-0.2％。

其中油溶红和blue O起染色作用，目的是为了方便观察实验现象，不对本实验结果产生影响。

在一些实施例中，还包括收集装置，收集装置为敞口容器，收集装置位于分散相管的下方；优选的收集装置中放入连续相管内相同的溶液；进一步优选的，收集装置内放入溶液的厚度为1-3mm；优选的，分散相管与收集装置内的液面的垂直距离为1-3cm。

在一些实施例中，分散相管内径D应大于连续相管外径d，且D-d≥0.4mm。分散相管内径D与连续相管外径d差值大于等于4mm。

优选的，连续相管的内径为0.08-0.12mm；分散相管的外径为0.8-1mm。

在一些实施例中，分散相流体出口与连续相流体出口之间的距离L≥50mm；优选的，L为90mm。

在一些实施例中，储液槽内的液面高度与分散相管的顶部管口的高度差小于5mm。

第二方面，一种单相液体驱动的微流控气泡/液滴的制备方法，具体步骤为：

在收集装置内放入与连续相管中注入的溶液相同的溶液，将水相溶液或油相溶液注入连续相管中，待分散相管中出现气泡；

利用收集装置进行收集即得到微气泡；

或，当分散管中出现气泡后，在储液槽中加入油相或水相溶液，即得到为微液滴，利用收集装置进行收集。

在一些实施例中，微气泡的制备方法，在收集装置内放入与连续相管中注入的溶液相同的溶液，将水相溶液注入连续相管中，待分散相管中出现气泡，利用收集装置进行收集即得到微气泡。

在一些实施例中，油滴的制备方法，在收集装置内放入与连续相管中注入的溶液相同的溶液，将水相溶液注入连续相管中，待分散相管中出现气泡，向储液槽中注入油相溶液，利用收集装置进行收集即得油滴。

在一些实施例中，水滴的制备方法，在收集装置内放入与连续相管中注入的溶液相同的溶液，将油相溶液注入连续相管中，待分散相管中出现气泡，向储液槽中注入水相溶液，利用收集装置进行收集即得水滴。

优选的，水滴的制备过程中，在制作微流控装置之前，对分散相管的内表面进行疏水处理。进一步优选的，利用OTS液体注入分散相管内进行洗涤，然后将分散相管进行干燥。疏水处理的作用为防止形成的水滴接触到分散相管内壁时出现沾壁现象，导致水滴破裂。

在一些实施例中，连续相管中注入液体的速度为0.2-5mL/min；优选的，微气泡和油滴的制备过程中，连续相管中注入速度为1-5mL/min；优选的，水滴的制备过程中，连续相管中注入速度为0.2-0.4mL/min。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种可以制备微气泡和微液滴的微流控装置，该装置只需控制连续相流体的流量，即可完成上述制备过程。相比于传统技术，上述装置制作简单方便，成本较低，可以重复使用；制备方法简单，操作方便，同时制备出来的微气泡和微液滴尺寸均匀稳定。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本次发明的微流控装置结构示意图；

图2为本次发明的微流控装置二维示意图；

图3为利用本次发明装置制备气泡时分散相流体通道内气泡现象图；

图4为利用本次发明装置制备气泡时不同水相流速下产生气泡的光学显微镜图；

图5为利用本次发明装置制备油滴时不同水相流速下产生油滴的光学显微镜图；

图6为利用本次发明装置制备水滴时不同油相流速下产生水滴的光学显微镜图；

其中，1、载玻片，2、点胶针头，3、连续相管，4、连续相流体入口，5、连续相流体通道，6、连续相流体出口，7、分散相管，8、分散相流体入口，9、分散相流体通道，10、分散相流体出口，11、储液槽，12、培养皿。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

由图1和图2所示，本发明的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置包括载玻片1、点胶针头2、连续相管3、储液槽11、分散相管7，点胶针头2的针座底部与载玻片1固定连接，储液槽11固定在载玻片1上，储液槽11的开口面对点胶针头2，点胶针头2垂直于载玻片1设置，分散相管7的一端伸入储液槽11，另一端为自由端，连续相管3的一端伸入点胶针头2的针座内部，另一端穿过储液槽11伸入分散相管7。

载玻片1提供一个固定和支撑的作用。

点胶针头2垂直设置在载玻片1上，通过针头向连续相管内注入油相溶液或水相溶液。

本发明中利用管径较小的连续相管3伸入到分散相管7中，连续相管3中液体流入到分散相管7中形成水包油或者油包水的形式。如果是制备微气泡，连续相管3中的液体进入到分散相管7中后与空气产生微气泡。

分散相管7内径D应大于连续相管3外径d，且D-d≥0.4mm。在本发明中分散相管7和连续相管3满足上述关系，有利于产生连续不断的，稳定的微气泡或微液滴。

连续相管3的顶部为连续相流体入口4，连续相管3的内部为连续相流体通道5，连续相管的底部为连续相流体出口6；分散相管的顶部为分散相流体入口8，分散相管的内部为分散相流体通道9，分散相管的底部为分散相流体出口10。

分散相流体出口10与连续相流体出口5之间的距离L≥50mm。如果L<50mm，则无法在连续相流体通道中形成微气泡或微液滴。

其中连续相管3嵌套在分散相管7中，两者皆用AB胶固定在载玻片1上；将点胶针头2边缘刻出与连续相管3外径相切合的沟槽后，如图示用AB胶固定在载玻片1上；储液槽11由切割后的载玻片围成，用AB胶固定，底部相应位置打孔；分散相管7穿过储液槽11底部，接触部位可用AB胶密封。

收集装置为敞口容器，可以为培养皿。

实施例2

制备微气泡

制备水相溶液：水相溶液是质量分数为1％的SDS水溶液。

实验台的搭建:连接实验仪器和装置，将配置好的水相溶液量取在注射器中，注射器和装置之间用硅胶软管连接，然后将连接好的注射器装置在注射泵上，装置用夹具固定，使其保持竖直，并在分散相流体出口下方2cm处放置收集培养皿，最后在培养皿中加入深度为1mm配置好的SDS水溶液。

制备微气泡：设置水相溶液的流量，使其注入装置中，在分散相流体通道中可以观察到气泡出现，利用培养皿收集制备好的微气泡，收集过程中应不断缓慢移动培养皿，防止气泡聚合。

观察现象：通过改变水相溶液的流量和内外相流体出口高度差可以在分散相流体通道中观察到不同的现象，图3为用高速相机记录下的分散相流体通道中的不同现象。高度差固定为85mm时，只改变水相溶液的流量可以得到不同尺寸的气泡，将其用培养皿收集，用显微镜观察可得到如图4所示现象。

实施例3

制备油滴

制备水相溶液和油相溶液：水相溶液是质量分数为1％的SDS水溶液，油相是质量分数为0.1％的油溶红、石蜡油溶液。

实验台的搭建:连接实验仪器和装置，将配置好的水相溶液量取在注射器中，注射器和装置之间用硅胶软管连接，然后将连接好的注射器装置在注射泵上，装置用夹具固定，使其保持竖直，并在分散相流体出口下方2cm出放置收集培养皿，最后在培养皿中加入1mm厚度配置好的水相溶液。

制备油滴：设置水相溶液的流量，使其注入装置中，当观察到在分散相流体通道中有气泡出现时，向储液槽中加入油相流体，此时会在分散相流体通道中可以观察到油滴生成，利用培养皿收集制备好的油滴，收集过程中应不断缓慢移动培养皿，防止油滴聚合。

观察现象：通过改变水相溶液的流量可以制备直径不同的油滴，将其用培养皿收集，用显微镜观察可得到如图5所示现象。

实施例4

制备水滴

制备装置：准备0.1mm毛细玻璃管作为连续相玻璃管、0.9mm毛细玻璃管作为分散相玻璃管、载玻片、点胶针头、AB胶水。

将分散相玻璃管进行疏水处理，本次疏水处理的方式为采用OTS进行疏水处理：将OTS通入0.9mm毛细玻璃管中，10s后用氮气吹干。疏水处理结束后将连续相玻璃管嵌套在分散相玻璃管中，两者皆用AB胶固定在载玻片上；将点胶针头边缘刻出与连续相玻璃管外径相切合的沟槽后，如图1示用AB胶固定在载玻片上；用切割后的载玻片围成储液槽，用AB胶固定，底部相应位置打孔；分散相玻璃管穿过储液槽底部，接触部位可用AB胶密封。

制备水相溶液和油相溶液：水相为0.1％的blueO水溶液，油相溶液是质量分数为1％的span80、石蜡油溶液。

实验台的搭建:连接实验仪器和装置，将配置好的油相溶液量取在注射器中，注射器和装置之间用硅胶软管连接，然后将连接好的注射器装置在注射泵上，装置用夹具固定，使其保持竖直，并在分散相流体出口下方2cm出放置收集培养皿，最后在培养皿中加入1mm厚度配置好的油相溶液。

制备水滴：设置油相溶液的流量，使其注入装置中，当观察到在分散相流体通道中有气泡出现时，向储液槽中加入水相流体，此时会在分散相流体通道中可以观察到水滴生成，利用培养皿收集制备好的水滴，收集过程中应不断缓慢移动培养皿，防止水滴聚合。

观察现象：通过改变油相溶液的流量可以制备直径不同的水滴，将其用培养皿收集，用显微镜观察可得到如图6所示现象。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：包括载玻片、点胶针头、连续相管、储液槽、分散相管，点胶针头的针座底部与载玻片固定连接，储液槽固定在载玻片上，储液槽的开口面对点胶针头，点胶针头垂直于载玻片设置，分散相管的一端伸入储液槽，另一端为自由端，连续相管的一端伸入点胶针头的针座内部，另一端穿过储液槽伸入分散相管，分散相管内径D应大于连续相管外径d，且D-d≥0.4mm。

2.根据权利要求1所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：制备气泡或油滴时，连续相管中通入水相溶液，分散相中不通溶液或通入油相溶液。

3.据权利要求2所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：水相溶液为SDS水溶液，油相溶液为油溶红、石蜡油溶液。

4.据权利要求3所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：水相溶液的质量分数为1%-2%，油相溶液的质量分数为0.1%-0.2%。

5.根据权利要求1所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：制备水滴时，连续相管中通入油相溶液，分散相管中通入水相溶液。

6.根据权利要求5所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：油相溶液为span80、石蜡油溶液，水相溶液为blue O水溶液。

7.根据权利要求6所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：油相溶液的质量分数为1%-2%，水相溶液的质量分数为0.1%-0.2%。

8.根据权利要求1所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：还包括收集装置，收集装置为敞口容器，收集装置位于分散相管的下方。

9.根据权利要求8所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：收集装置中放入连续相管内相同的溶液。

10.根据权利要求9所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：收集装置内放入溶液的厚度为1-3mm。

11.根据权利要求10所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：分散相管与收集装置内的液面的垂直距离为1-2cm。

12.根据权利要求1所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：连续相管的内径为0.08-0.12mm；分散相管的外径为0.8-1mm。

13.根据权利要求12所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：分散相流体出口与连续相流体出口之间的距离L≥50mm。

14.根据权利要求13所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：分散相流体出口与连续相流体出口之间的距离LL为90mm。

15.根据权利要求12所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴制备装置，其特征在于：储液槽内的液面高度与分散相管的顶部管口的高度差小于5mm。

16.一种单相液体驱动的微流控气泡/液滴的制备方法，其特征在于：具体步骤为：

在收集装置内放入与连续相管中注入的溶液相同的溶液，将水相溶液或油相溶液注入连续相管中，待分散相管中出现气泡；

连续相管伸入到分散相管中，分散相管的一端伸入储液槽，驱动连续相进入分散相管中；

利用收集装置进行收集即得到微气泡；

或，当分散管中出现气泡后，在储液槽中加入油相或水相溶液，即得到为微液滴，利用收集装置进行收集。

17.根据权利要求16所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴的制备方法，其特征在于：微气泡的制备方法，在收集装置内放入与连续相管中注入的溶液相同的溶液，将水相溶液注入连续相管中，待分散相管中出现气泡，利用收集装置进行收集即得到微气泡。

18.根据权利要求16所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴的制备方法，其特征在于：油滴的制备方法，在收集装置内放入与连续相管中注入的溶液相同的溶液，将水相溶液注入连续相管中，待分散相管中出现气泡，向储液槽中注入油相溶液，利用收集装置进行收集即得油滴。

19.根据权利要求16所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴的制备方法，其特征在于：水滴的制备过程中，在制作微流控装置之前，对分散相管的内表面进行疏水处理。

20.根据权利要求16所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴的制备方法，其特征在于：利用OTS液体注入分散相管内进行洗涤，然后将分散相管进行干燥。

21.根据权利要求16所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴的制备方法，其特征在于：连续相管中注入液体的速度为0.2-5mL/min。

22.根据权利要求16所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴的制备方法，其特征在于：微气泡和油滴的制备过程中，连续相管中注入速度为1-5mL/min。

23.根据权利要求16所述的单相液体驱动的微流控气泡/液滴的制备方法，其特征在于：水滴的制备过程中，连续相管中注入速度为0.2-0.4mL/min。

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