CN111229069A - 一种高效的液滴生成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于液滴微流控技术领域，更具体地，涉及一种高效的液滴生成装置。包括分散相入口层、液滴生成层；还包括由一个输入端N个输出端呈树状结构连接的两级或多级连续相分级层、由一个输入端N个输出端呈树状结构连接的两级或多级分散相分级层；其中N为自然数，且大于等于3；每一个分散相分级层的输出端均连接一个分散相入口层，每一个分散相入口层均连接一个液滴生成层；连续相分级层的输出端一一与液滴生成层连接。本发明提供的一种高效的液滴生成装置，液体通道各处的情况完全相同，生成的液滴有较好的均一性与一致性，同时，通过分层级设置，有效提高了生产效率。

Description

一种高效的液滴生成装置
技术领域
本发明属于液滴微流控技术领域，更具体地，涉及一种高效的液滴生成装置。
背景技术
液滴微流控技术是微流控技术领域的一个重要分支，是一种流体以液滴的形式分散于另一种互不相溶流体中，以液滴作为基本的操作和反应单元。液滴微流控具有独特的优势，可广泛应用于生物、化学、材料科学、工程等领域，具有极大的应用前景。例如，目前已经商业化的微滴式PCR可以极大的缩短时间、微液滴作为微反应器可对微量化学物质进行高效检测和筛选、液滴微流控可实现材料高度均一化的制备。
实现微液滴的高效均匀制备是实现微液滴应用的前提，而目前采用微流控技术可实现液滴均匀制备，但是普遍存在效率低下，产量难以满足工业化生产和使用要求，严重制约其广泛应用，尤其是在工程领域的应用。因此非常有必要提高均一液滴的生成效率。
微流控液滴生成技术是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纳升级及以下体积的液滴，液滴于两种流体交叉处形成。目前，提升液滴生成效率往往是通过集中多个结构来提高液滴的产量，在平面结构内，由于空间的限制，集成度还相对比较低，有待进一步提高生成效率；也有利用三维集成结构来提升液滴生成效率，但普遍存在末端结构一致性较差且集成度还是相对较低等问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种高效的液滴生成装置，对分散相和连续相均进行了分层级设计，有效提高了生产效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高效的液滴生成装置，包括分散相入口层、液滴生成层；其中，还包括由一个输入端N个位置对等的输出端呈树状结构连接的两级或多级连续相分级层、由一个输入端N个位置对等的输出端呈树状结构连接的两级或多级分散相分级层；其中N为自然数，且大于等于3；每一个分散相分级层的输出端均连接一个分散相入口层，每一个分散相入口层均连接一个液滴生成层；连续相分级层的输出端一一与液滴生成层连接。在生产过程中，可以根据需求选取具体的分散相以及连续相的分级数n，也可以根据生产需求选择每一级的分散相和连续相具体有多少个，分级数以及每一级的个数决定最终的生产效率；通过本发明提供的装置，在生产时，只需要一个分散相输入口和一个连续相输入口即可，便能同时生产Nn个液滴，使得生成效率提高到Nn倍，有效提高了生产效率，另外，由于连续相和分散相均只有一个输入口，这样在生产的时候只需要在两个输入口分别使用一个泵即可，这样，各个末端通道的各种情况完全相同，因此各位液滴生成通道内生成的液滴尺寸是一致的。综上所述，本发明提供的液滴生成装置，在保证液滴均一性的同时又能保证具有较高的生成效率。
进一步地，所述的液滴生成层的上表面设置有连续相通道，中心处设有导流口，所述的连续相通道由所述导流口的中心向四周呈辐射状分布，每一条连续相通道的末端均设有一个上下贯通的液滴生成通道；液滴生成通道的顶部与分散相入口层连通，底部用于连接液滴收集管道；在所述液滴生成层的内部还设有一条与导流口连通的连续相流入管道；所述的连续相流入管道与连续相分级层的输出端一一对应连接。
进一步地，所述的分散相入口层的顶部设有分散相入口管道，在分散相入口层底部的底板上设有多个分散相通道，所述的分散相通道与液滴生成通道一一对应连通，所述的分散相入口管道与分散相分级层的输出端一一对应连接。分散相溶液从分散相入口管道流入至分散相入口层中，然后经分散相通道流出；分散相通道设有多个，一一与液滴生成通道对应连通；实现对分散相溶液的分流，实现同时生成多滴分散相。
进一步地，在每一个分散相通道上均连接有一个导流管，所述的导流管伸入至液滴生成通道内。在分散相通道上连接一个导流管，一方面，便于分散相形成液滴；另一方面，连续相溶液从导流管的外部四周流向导流管，然后与分散相汇集，将分散相包裹，分散相在流动的连续相的剪切作用下，生成液滴。
进一步地，所述的导流管呈锥体结构，且锥体的底面一侧与分散相通道的底部连接，尖端一侧伸入液滴生成通道内。
进一步地，所述的分散相分级层和连续相分级层的结构相同，均包括一个分级层入口和多个分级层出口。每一个分级层的出口均与下一级的分级层入口连接，通过这种树状的连接方式，逐级增加最终的输出口的个数，从而提高生产效率。
作为本发明的另一个实施方式，进一步地，在所述的液滴生成层的顶部设有连续相入口管道，在所述的液滴生成层的底部设有多个液滴生成通道；所述的分散相入口层的顶部设有分散相入口管道，在分散相入口层底部的底板上设有多个分散相通道，所述的分散相通道通过分散相管道一一伸入至液滴生成层中，并一一穿设于液滴生成通道中；且所述的液滴生成通道与分散相管道之间设有供连续相流通的间隙。
进一步地，在每一个分散相管道的末端均连接有一个导流管，导流管位于液滴生成通道内；所述的导流管呈锥体结构，且锥体的底面一侧与分散相通道的底部连接，尖端一侧伸入液滴生成通道内。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种高效的液滴生成装置，生成液滴的各个支路，生成的液滴有较好的均一性与一致性，同时，通过分层级设置，有效提高了生产效率。
附图说明
图1是本发明实施例1整体结构示意图。
图2是本发明实施例1分散相入口层与液滴生成层连接关系示意图。
图3是本发明实施例1分散相入口层结构示意图。
图4是本发明实施例1液滴生成层结构示意图。
图5是本发明实施例1连续相分级层或分散相分级层的结构示意图。
图6是本发明实施例2整体结构示意图。
图7是本发明实施例2分散相管道与液滴生成层连接结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1至图5所示，一种高效的液滴生成装置，包括分散相入口层1、液滴生成层2；其中，还包括由一个输入端N个输出端呈树状结构连接的两级或多级连续相分级层4、由一个输入端N个输出端呈树状结构连接的两级或多级分散相分级层3；其中N为自然数，且大于等于3；每一个分散相分级层3的输出端均连接一个分散相入口层1，每一个分散相入口层1均连接一个液滴生成层2；连续相分级层4的输出端一一与液滴生成层2连接。各个层之间均通过层间管道5进行连通。在生产过程中，可以根据需求选取具体的分散相以及连续相的分级数n，也可以根据生产需求选择每一级的分散相和连续相具体有多少个，分级数以及每一级的个数决定最终的生产效率；通过本发明提供的装置，在生产时，只需要一个分散相输入口和一个连续相输入口即可，便能同时生产Nn个液滴，有效提高了生产效率，另外，由于连续相和分散相均只有一个输入口，这样在生产的时候只需要在两个输入口分别使用一个供液泵即可，这样，各个通道的情况完全一致，生成的液滴具有较好的均一性。综上所述，本发明提供的液滴生成装置，在保证液滴均一性的同时又能保证具有较高的生成效率。
如图2和图4所示，液滴生成层2的上表面设置有连续相通道21，中心处设有导流口22，连续相通道21由所述导流口22的中心向四周呈辐射状分布，每一条连续相通道21的末端均设有一个上下贯通的液滴生成通道23；液滴生成通道23的顶部与分散相入口层1连通，底部用于连接液滴收集管道；在所述液滴生成层2的内部还设有一条与导流口22连通的连续相流入管道24；连续相流入管道24与连续相分级层4的输出端一一对应连接。
如图2和图3所示，分散相入口层1的顶部设有分散相入口管道11，在分散相入口层1底部的底板上设有多个分散相通道12，分散相通道12与液滴生成通道23一一对应连通，分散相入口管道11与分散相分级层3的输出端一一对应连接。分散相溶液从分散相入口管道11流入至分散相入口层1中，然后经分散相通道12流出；分散相通道12设有多个，一一与液滴生成通道23对应连通；实现对分散相溶液的分流，实现同时生成多股分散相。
如图2和图3所示，在每一个分散相通道12上均连接有一个导流管13，导流管13伸入至液滴生成通道23内。在分散相通道12上连接一个导流管13，一方面，便于分散相形成液滴；另一方面，连续相溶液从导流管13的外部四周流向导流管13，然后与分散相汇集，将分散相包裹，分散相在流动的连续相的剪切作用下，生成液滴。
其中，导流管13呈锥体结构，且锥体的底面一侧与分散相通道12的底部连接，尖端一侧伸入液滴生成通道23内。
工作原理：
如图1所示，以分散相分级层3的级数和连续相分级层4的层数n为2进行说明；
1.分散相流通从一级分散相分级层31的分级层入口导入，经过一级分散相分级层31的分级层出口导入二级分散相分级层32的分级层入口中，从而流入二级分散相分级层32中，然后经过二级分散相分级层32的分级层出口流入分散相入口层1的分散相入口管道11中，随后经分散相通道12流入液滴生成通道23中；
2.同时，连续相流体从一级连续相分级层41的分级层入口流入，经一级连续相分级层41的分级层出口导入至二级连续相分级层42的分级层入口中，从而流入二级连续相分级层42中；连续相流体经二级连续相分级层42的分级层出口流入至液滴生成层2的连续相流入管道24中，经过导流口22流入各连续相通道21当中，通过连续相通道21流入液滴生成通道23；
3.分散相在导流管13的尖端处形成液滴，连续相从导流管13的外部流向尖端处将分散相包裹，分散相在流动的连续相的剪切作用下，生成液滴。
在本发明中，分散相流体和连续相流体均分别从一个入口流入，最终从多个出口流出，每个出口均一一对应连接有液滴生成层2和分散相入口层1，既保证了各个通道的情况完全一致，保证了生成的液滴的均一性，也有效提高了生成效率。
实施例2
如图6和图7所示，一种高效的液滴生成装置，包括分散相入口层1、液滴生成层2；其中，还包括由一个输入端N个输出端呈树状结构连接的两级或多级连续相分级层4、由一个输入端N个输出端呈树状结构连接的两级或多级分散相分级层3；其中N为自然数，且大于等于3；每一个分散相分级层3的输出端均连接一个分散相入口层1，每一个分散相入口层1均连接一个液滴生成层2；连续相分级层4的输出端一一与液滴生成层2连接。各个层之间均通过层间管道5进行连通。在生产过程中，可以根据需求选取具体的分散相以及连续相的分级数，也可以根据生产需求选择每一级的分散相和连续相具体有多少个，分级数以及每一级的个数决定最终的生产效率；通过本发明提供的装置，在生产时，只需要一个分散相输入口和一个连续相输入口即可，便能同时生产多个液滴，有效提高了生产效率，另外，由于连续相和分散相均只有一个输入口，这样在生产的时候只需要在两个输入口分别使用一个供液泵即可，这样，各个通道的情况完全相同，生成的液滴具有较好的均一性。综上所述，本发明提供的液滴生成装置，在保证液滴均一性的同时又能保证具有较高的生成效率。
其中，在液滴生成层2的顶部设有连续相入口管道25，在所述的液滴生成层2的底部设有多个液滴生成通道23；所述的分散相入口层1的顶部设有分散相入口管道11，在分散相入口层1底部的底板上设有多个分散相通道12，所述的分散相通道12通过分散相管道14一一伸入至液滴生成层2中，并一一穿设于液滴生成通道23中；且所述的液滴生成通道23与分散相管道14之间设有供连续相流通的间隙。
其中，在每一个分散相管道的末端均连接有一个导流管13，导流管13位于液滴生成通道23内；所述的导流管13呈锥体结构，且锥体的底面一侧与分散相通道12的底部连接，尖端一侧伸入液滴生成通道23内。
实施例2与实施例1相比，结构更加简单，分散相分级层3与连续相分级层4设置在同一侧，节省了空间，也便于操作，另外，也便于收集成品液滴。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高效的液滴生成装置，包括分散相入口层(1)、液滴生成层(2)；其特征在于，还包括由一个输入端N个输出端呈树状结构连接的两级或多级连续相分级层(4)、由一个输入端N个输出端呈树状结构连接的两级或多级分散相分级层(3)；其中N为自然数，且大于等于3；每一个分散相分级层(3)的输出端均连接一个分散相入口层(1)，每一个分散相入口层(1)均连接一个液滴生成层(2)；连续相分级层(4)的输出端一一与液滴生成层(2)连接。
2.根据权利要求1所述的高效的液滴生成装置，其特征在于，所述的液滴生成层(2)的上表面设置有连续相通道(21)，中心处设有导流口(22)，所述的连续相通道(21)由所述导流口(22)的中心向四周呈辐射状分布，每一条连续相通道(21)的末端均设有一个上下贯通的液滴生成通道(23)；液滴生成通道(23)的顶部与分散相入口层(1)连通，底部用于连接液滴收集管道；在所述液滴生成层(2)的内部还设有一条与导流口(22)连通的连续相流入管道(24)；所述的连续相流入管道(24)与连续相分级层(4)的输出端一一对应连接。
3.根据权利要求2所述的高效的液滴生成装置，其特征在于，所述的分散相入口层(1)的顶部设有分散相入口管道(11)，在分散相入口层(1)底部的底板上设有多个分散相通道(12)，所述的分散相通道(12)与液滴生成通道(23)一一对应连通，所述的分散相入口管道(11)与分散相分级层(3)的输出端一一对应连接。
4.根据权利要求3所述的高效的液滴生成装置，其特征在于，在每一个分散相通道(12)上均连接有一个导流管(13)，所述的导流管(13)伸入至液滴生成通道(23)内。
5.根据权利要求4所述的高效的液滴生成装置，其特征在于，所述的导流管(13)呈锥体结构，且锥体的底面一侧与分散相通道(12)的底部连接，尖端一侧伸入液滴生成通道(23)内。
6.根据权利要求1至5任一项所述的高效的液滴生成装置，其特征在于，所述的分散相分级层(3)和连续相分级层(4)的结构相同，均包括一个分级层入口和多个分级层导出口。
7.根据权利要求1所述的高效的液滴生成装置，其特征在于，在所述的液滴生成层(2)的顶部设有连续相入口管道(25)，在所述的液滴生成层(2)的底部设有多个液滴生成通道(23)；所述的分散相入口层(1)的顶部设有分散相入口管道(11)，在分散相入口层(1)底部的底板上设有多个分散相通道(12)，所述的分散相通道(12)通过分散相管道(14)一一伸入至液滴生成层(2)中，并一一穿设于液滴生成通道(23)中；且所述的液滴生成通道(23)与分散相管道(14)之间设有供连续相流通的间隙。
8.根据权利要求7所述的高效的液滴生成装置，其特征在于，在每一个分散相管道(14)的末端均连接有一个导流管(13)，导流管(13)位于液滴生成通道(23)内；所述的导流管(13)呈锥体结构，且锥体的底面一侧与分散相通道(12)的底部连接，尖端一侧伸入液滴生成通道(23)内。
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