CN111135882B - 一种二维流动聚焦装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种二维流动聚焦装置。该二维流动聚焦装置包括第一薄片、供液装置、腔体和抽气装置；第一薄片包括供液面，第一薄片的一端为尖端，尖端的端面的宽度小于或等于15μm；供液装置用于向供液面供液；腔体包括位于顶部的第二薄片，第二薄片上设置有狭缝，第一薄片位于第二薄片之上，尖端的长度方向与狭缝的延伸方向平行，且尖端的端面与狭缝正对设置；抽气装置用于抽取腔体内的气体，腔体内的气压小于外界气压。通过本发明实施例提供的技术方案，实现了多个射流源的产生，进而形成大批量液滴，满足实际应用的需求。

Description

一种二维流动聚焦装置
技术领域
本发明实施例涉及微流体技术领域，尤其涉及一种二维流动聚焦装置。
背景技术
微流体技术是指在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，其主要 应用在于利用形成的射流和微滴对微反应中的微量试剂进行运输。其中，流动 聚焦技术在形成射流和微滴的过程中，不涉及固液界面而绕过了高速剪切速率 带来的问题，极大地拓宽了可喷射液体的粘度范围，并且对液体是否带有电荷 没有要求，很好地补充了电喷雾技术。
现有基于流动聚焦技术形成射流和微滴的方法通常是采用毛细管，从毛细 管流出的流体在另一种流体的驱动下通过微孔产生单个射流，进而形成微滴， 产率偏低，不适于微滴的批量生产，无法满足人们实际应用需求。
发明内容
本发明实施例提供一种二维流动聚焦装置，以实现多个射流源的产生，进 而形成大批量液滴，满足实际应用的需求。
本发明实施例提供了一种二维流动聚焦装置，该二维流动聚焦装置包括： 第一薄片、供液装置、腔体和抽气装置；
第一薄片包括供液面，第一薄片的一端为尖端，尖端的端面的宽度小于或 等于15μm；
供液装置用于向供液面供液；
腔体包括位于顶部的第二薄片，第二薄片上设置有狭缝，第一薄片位于第 二薄片之上，尖端的长度方向与狭缝的延伸方向平行，且尖端的端面与狭缝正 对设置；
抽气装置用于抽取腔体内的气体，腔体内的气压小于外界气压。
可选地，狭缝的宽度为40μm～200μm。
可选地，腔体内的气压与外界气压的气压差为2kPa～20kPa。
可选地，供液面设置有多个向尖端延伸的微通道。
可选地，微通道的宽度为50μm，微通道的深度为70μm，相邻两个微通道 之间的间隔为100μm。
可选地，第一薄片包括相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面 中的至少一个为供液面。
可选地，第一表面和第二表面在尖端处的夹角小于或等于7°。
可选地，供液装置包括微量注射泵和供液管；第一薄片由与尖端相对的一 端穿设于供液管中，且露出尖端，供液管的输出端与第一薄片的表面接触设置。
可选地，尖端的端面到狭缝的距离小于或等于180μm。
可选地，微通道靠近尖端的端面的一端，到尖端的端面的距离小于或等于 1mm。
可选地，第一薄片的材质包括金属、硅或玻璃。
可选地，狭缝将第二薄片分隔成第一子薄片和第二子薄片；第二薄片的材 质为导电材料，第一子薄片接一电源的第一极，第二子薄片接电源的第二极。
本发明实施例提供的一种二维流动聚焦装置通过设置第一薄片、供液装置、 腔体和抽气装置；第一薄片包括供液面，第一薄片的一端为尖端，尖端的端面 的宽度小于或等于15μm；供液装置用于向供液面供液；腔体包括位于顶部的第 二薄片，第二薄片上设置有狭缝，第一薄片位于第二薄片之上，尖端的长度方 向与狭缝的延伸方向平行，且尖端的端面与狭缝正对设置；抽气装置用于抽取 腔体内的气体，腔体内的气压小于外界气压。解决现有技术中基于流动聚焦技 术通过毛细管及微孔等仅产生单个射流，无法满足实际应用需要的问题，实现 了多个射流源的产生，进而形成大批量液滴，满足实际应用的需求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的第一种二维流动聚焦装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的第二种二维流动聚焦装置的结构示意图；
图3为本发明实施例在控制二维流动聚焦装置的其余各个参数不变的情况 下尖端的端面到狭缝不同距离时产生的射流源；
图4为本发明实施例提供的第三种二维流动聚焦装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此 处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需 要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结 构。
图1为本发明实施例提供的第一种二维流动聚焦装置的结构示意图，如图1所示，该二维流动聚焦装置包括：第一薄片10、供液装置20、腔体30和抽 气装置50；第一薄片10包括供液面a，第一薄片10的一端为尖端，尖端的端 面b的宽度小于或等于15μm；供液装置20用于向供液面a供液；腔体30包括 位于顶部的第二薄片40，第二薄片40上设置有狭缝c，第一薄片10位于第二 薄片40之上，尖端的长度方向与狭缝c的延伸方向平行，且尖端的端面b与狭 缝c正对设置；抽气装置50用于抽取腔体30内的气体，腔体30内的气压小于 外界气压。
具体地，抽气装置50对腔体30抽气至腔体30内的气压小于外界气压，腔 体30包括位于顶部的第二薄片40。采用激光打标机在第二薄片40上加工一狭 缝c，第一薄片10设置于第二薄片40之上。采用激光打标机将第一薄片10的 一端，加工为具有二维端面b且二维端面b的宽度小于或等于15μm的尖端， 端面b的长度方向与狭缝c的延伸方向平行，且端面b与狭缝c正对设置，供 液装置20对第一薄片10的供液面a提供液体。液体从供液面a上的非尖端流 至尖端，并因表面张力及粘性力在尖端形成液膜，液膜受从端面b至狭缝c距 离中的气压的作用，在尖端末端及端面b形成大量的射流源-锥，即在尖端末端 及端面b产生了大量的射流源，大量的射流源流经狭缝c，在空腔30中形成大 批量的液滴。
上述技术方案中，第一薄片10可以为具有一定厚度的不锈钢矩形薄片，厚 度与材质的选择使得供液面a具有足够支撑液体的刚度，矩形形状便于加工后 的尖端具有二维端面b。第一薄片10位于第二薄片40之上，端面b的长度方 向与狭缝c的延伸方向平行，且端面b与狭缝c正对设置，腔体30内的气压小 于外界的气压，使得供液面a上的液体能够在尖端末端及端面b形成大量的射 流源-锥，二维端面b的宽度越小时对其自身附近的气压的影响越小，使得更多 的气压梯度作用于液面，从而越有利于射流源的形成，射流源流经狭缝c形成 大批量的液滴。若液体中携带微量试剂，则实现了利用大批量液滴对微量试剂 的输运，满足了实际应用需要。
综上所述，本发明实施例提供的第一种二维流动聚焦装置通过设置第一薄 片、供液装置、腔体和抽气装置。抽气装置抽取腔体内的气体至腔体内的气压 小于外界气压，腔体包括位于顶部的第二薄片。第二薄片上设置有狭缝，第一 薄片位于第二薄片之上。第一薄片的一端为尖端，尖端的端面的宽度小于或等 于15μm，尖端的长度方向与狭缝的延伸方向平行，且尖端的端面与狭缝正对设 置，第一薄片包括供液面，供液装置用于向供液面供液。以此实现了多个射流 源的产生，进而形成大批量液滴，满足实际应用的需求。
可选地，狭缝c的宽度为40μm～200μm。
具体地，控制二维流动聚焦装置的其余各个参数不变的情况下，仅调节狭 缝c的宽度，狭缝c的宽度过大或者过小，都不利于狭缝c与尖端之间的气压 保持有气压梯度，从而不利于液膜至射流源-锥的形成。经实验验证，狭缝c的 宽度范围可以在40μm至200μm中适当选择，优选为80μm。
可选地，腔体30内的气压与外界气压的气压差为2kPa～20kPa。
具体地，控制二维流动聚焦装置的其余各个参数不变的情况下，仅调节腔 体30内的气压，腔体30内的气压低于外界气压时，第一方面使得狭缝c与尖 端之间产生稳定的空气流场，尖端的液膜在尖端末端及端面b形成均匀的射流 源-锥，另一方面使得射流源能够流经狭缝c并在空腔30内部形成液滴，若气 压差过小，则导致液膜不易形成射流源-锥进而不易形成液滴，若气压差过大则 导致射流源-锥直接喷射为射流柱或者射流束，阻碍液滴形成。经实验验证，腔 体30内的气压与外界气压的气压差在2kPa～20kPa中适当选择，优选气压差为 10kPa。
可选地，图2为本发明实施例提供的第二种二维流动聚焦装置的结构示意 图，如图2所示，供液面a设置有多个向尖端延伸的微通道e。
具体地，采用扫描激光在供液面a上加工出多个向尖端延伸的微通道e，例 如图2中所示，向尖端延伸至尖端的末端。供液装置20向供液面a提供的液体 将沿着微通道e从非尖端流至尖端，微通道e的设置一方面防止液体在供液面a 上横向流动，加快了液体从非尖端流至尖端的效率，另一方面增加了尖端的润 湿度，使得在尖端更易形成液膜，进而更易形成射流源。
可选地，微通道e的宽度为50μm，微通道的深度为70μm，相邻两个微通 道e之间的间隔为100μm。
具体地，微通道e的宽度、深度以及两个微通道之间的间隔可以根据加工 过程中的实际情况或者实际需要进行适当选择，这里优选地宽度为50μm、深度 为70μm以及相邻两个微通道e之间的间隔为100μm。
可选地，如图2所示，第一薄片10包括相对的第一表面a1和第二表面a2， 第一表面a1和第二表面a2中的至少一个为供液面a。
具体地，第一薄片10的相对的第一表面a1和第二表面a2都可以作为供液 面a，供液装置20可以对第一表面a1和第二表面a2同时提供同种液体，也可 以分别对第一表面a1和第二表面a2提供不同液体，液体分别通过第一表面a1 和第二表面a2上的多个微通道e流至尖端的相对应的两个表面，并可以在端面 b融合，最终产生射流源。
可选地，第一表面a1和第二表面a2在尖端处的夹角小于或等于7°。
具体地，控制二维流动聚焦装置的其余各个参数不变的情况下，第一表面 a1和第二表面a2在尖端处呈一楔形的夹角，也可理解为楔形的楔角，随着夹角 接近0°，供液面a上的液体从非尖端流至尖端的速度发生变化，这里优选地， 第一表面a1和第二表面a2在尖端处的夹角等于7°。
可选地，供液装置20包括微量注射泵和供液管；第一薄片10由与尖端相 对的一端穿设于供液管中，且露出尖端，供液管的输出端与第一薄片10的表面 接触设置。
具体地，第一薄片10由与尖端相对的一端穿设于供液管的一端中，且露出 尖端，供液管的另一端与微量注射泵的注射口连通，通过微量注射泵向供液管 中注射液体，供液管的液体输出端与第一薄片10的表面接触设置，实现供液装 置20对第一薄片10的供液面a供液。
可选地，如图1所示，尖端的端面b到狭缝c的距离H小于或等于180μm。
具体地，控制二维流动聚焦装置的其余各个参数不变的情况下，仅调节尖 端的端面b到狭缝c的距离H的大小，尖端到狭缝c的距离H内的气压具有气 压梯度，端面b越靠近狭缝c处的气压越低，当距离H的数值为狭缝c的宽度 的5倍时，尖端末端还未形成射流源，当距离H的数值为狭缝c的宽度的2倍 时，尖端末端形成有射流源，当距离H的数值为狭缝c的宽度2～0.3倍时，尖 端末端形成有大量射流源，当距离H的数值小于狭缝c的宽度的0.3倍时会达 到失稳的状态而不能产生射流源；即在空腔30内的气压与外界气压差处于 2kPa～20kPa之间，且尖端的端面b到狭缝c的距离H为狭缝c的宽度5～0.3倍， 此时距离H越小，气压越低，产生的射流源数目越多。
图3为本发明实施例在控制二维流动聚焦装置的其余各个参数不变的情况 下尖端的端面到狭缝不同距离时产生的射流源。其中，这里所述的其余各个参 数具体为：第一薄片10为不锈钢刀片，其未经激光打标机加工时厚度为200μm， 加工至端面b宽度为14μm且楔角为7°的楔形尖端；两相对的供液面a-a1与供 液面a-a2上均加工有多个向尖端延伸且延伸至尖端末端的微通道e，微通道e 的宽度为50μm，微通道的深度为70μm，相邻两个微通道e之间的间隔为100μm； 第二薄片为厚度为200μm的金属薄片，经激光打标机加工有宽度为80μm的狭 缝c；空腔30的气压低于外界气压10kPa；用微量注射泵通过偏平的不锈钢供液管以12mL/h的流量向供液面a-a1与供液面a-a2稳定提供乙醇溶液；逐步调 节尖端的端面b到狭缝c的距离H分别220μm、200μm、180μm、160μm、140μm、 120μm、100μm、80μm和60μm，观察楔形尖端所产生的射流源-锥数目D并拍 摄记录，由图3可以看出，在空腔30内的气压与外界气压差处于2kPa～20kPa 之间，且尖端的端面b到狭缝c的距离H为狭缝c的宽度5～0.3倍，此时距离 H越小，气压越低，产生的射流源数目越多。
可选地，微通道e靠近尖端的端面的一端，到尖端的端面b的距离小于或 等于1mm。
具体地，供液面a上设置的多个向尖端延伸的微通道e，可以向尖端延伸至 尖端末端，也可以向尖端延伸至到尖端端面b的距离为小于或等于1mm处。微 通道e的设置有利于供液面a的润湿作用，从而使液体更快地覆盖到断面b，获 得更为稳定的射流源。
可选地，第一薄片10的材质包括金属、硅或玻璃。
具体地，第一薄片10的材质可以为金属、硅片或者玻璃，分别对应选择合 适的厚度，使得供液面a具有足够支撑液体的刚度即可。
可选地，图4为本发明实施例提供的第三种二维流动聚焦装置的结构示意 图，如图4所示，狭缝c将第二薄片40分隔成第一子薄片40-1和第二子薄片 40-2；第二薄片40的材质为导电材料，第一子薄片40-1接一电源的第一极，第 二子薄片40-2接电源的第二极。
具体地，狭缝c将第二薄片40分隔成第一子薄片40-1和第二子薄片40-2， 将第一子薄片40-1和第二子薄片40-2作为电极，在狭缝c之间形成电场，当射 流源由于瑞利不稳定性自然分裂形成的液滴的单分散性不良时，可以通过调节 狭缝c之间的电场来对液滴的单分散性进行微调，以获得单分散性良好的液滴， 以满足实际应用需求。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员 会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进 行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽 然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以 上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例， 而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种二维流动聚焦装置，其特征在于，包括第一薄片、供液装置、腔体和抽气装置；
所述第一薄片包括供液面，所述第一薄片的一端为尖端，所述尖端的端面的宽度小于或等于15μm；
所述供液装置用于向所述供液面供液；
所述腔体包括位于顶部的第二薄片，所述第二薄片上设置有狭缝，所述第一薄片位于所述第二薄片之上，所述尖端的长度方向与所述狭缝的延伸方向平行，且所述尖端的端面与所述狭缝正对设置；
所述抽气装置用于抽取所述腔体内的气体，所述腔体内的气压小于外界气压。
2.根据权利要求1所述的二维流动聚焦装置，其特征在于，所述狭缝的宽度为40μm～200μm。
3.根据权利要求1所述的二维流动聚焦装置，其特征在于，所述腔体内的气压与所述外界气压的气压差为2kPa～20kPa。
4.根据权利要求1所述的二维流动聚焦装置，其特征在于，所述供液面设置有多个向所述尖端延伸的微通道。
5.根据权利要求4所述的二维流动聚焦装置，其特征在于，所述微通道的宽度为50μm，所述微通道的深度为70μm，相邻两个所述微通道之间的间隔为100μm。
6.根据权利要求1所述的二维流动聚焦装置，其特征在于，所述第一薄片包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面中的至少一个为所述供液面。
7.根据权利要求6所述的二维流动聚焦装置，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面在所述尖端处的夹角小于或等于7°。
8.根据权利要求1所述的二维流动聚焦装置，其特征在于，所述供液装置包括微量注射泵和供液管；
所述第一薄片由与所述尖端相对的一端穿设于所述供液管中，且露出所述尖端，所述供液管的输出端与所述第一薄片的表面接触设置。
9.根据权利要求1所述的二维流动聚焦装置，其特征在于，所述尖端的端面到所述狭缝的距离小于或等于180μm。
10.根据权利要求4所述的二维流动聚焦装置，其特征在于，所述微通道靠近所述尖端的端面的一端，到所述尖端的端面的距离小于或等于1mm。
11.根据权利要求1所述的二维流动聚焦装置，其特征在于，所述第一薄片的材质包括金属、硅或玻璃。
12.根据权利要求1所述的二维流动聚焦装置，其特征在于，所述狭缝将所述第二薄片分隔成第一子薄片和第二子薄片；
所述第二薄片的材质为导电材料，所述第一子薄片接一电源的第一极，所述第二子薄片接所述电源的第二极。
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Assignee: Jingwu Technology (Shenzhen) Co.,Ltd.

Assignor: SOUTH University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA

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Denomination of invention: A two dimensional flow focusing device

License type: Exclusive License

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