CN111359684A - 一种液滴微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液滴微流控芯片，包括PMMA板、第一微量注射泵，第一微量注射器、调节筒，第二微量注射泵，第二微量注射器，所述PMMA板内设有贯穿PMMA板的主通道，主通道的两侧各设有对称连通的侧通道，侧通道延伸至PMMA板的侧边，第一微量注射泵与第一微量注射器连接，第一微量注射器上设有软管，调节筒上设有微针，软管将第一微量注射器和微针连通，微针深入主通道，侧通道上均连接第二微量注射器，第二微量注射器均设有第二微量注射泵。本发明的通道结构简单易设计，制造成本低，适用性广，可快速灵活的调控主通道中液滴的生成频率、大小和破裂位置，并可实现射流模式下周期性单分散性液滴生成，进而增大液滴尺寸的生成范围。

Description

一种液滴微流控芯片

技术领域

本发明涉及微小液滴流控技术领域，更具体地，涉及一种液滴微流控芯片。

背景技术

液滴微流控技术是一项全新的操控微小液滴的技术，该技术主要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分离成离散的纳升甚至更小体积的液滴。相比于连续流技术，液滴微流控技术具有诸多优点，如：液滴体积小，减少试剂消耗，液滴样品间无扩散，反应环境稳定，可避免样品间的交叉污染等。微液滴可作为理想的微反应器，目前已被广泛应用于生物、化学、医学和食品工业等诸多领域中。液滴生成是液滴微流控技术的重要前提，目前微液滴的生成主要通过主动和被动两种方式。其中主动方式主要利用机械扰动、声、光、电、温度和磁场等外场驱动力改变液体的自然流动特性，进而有效控制微液滴生成并实现对液滴的精确操控。被动方式则无需施加任何外力，依赖芯片的通道构型与流体流动特性来生成微液滴。与主动方式相比，被动方式制备液滴往往具有制作简单、速度快，通量高和操作简单等优势，可为单分散液滴的生成提供可靠和可控环境。

主动方式通过对微流体进行非接触式驱动，对液滴操控更为灵活，但往往存在制作复杂，外部设备要求高、制造成本高和操控范围受样品或设备自身条件限制等问题。比如，添加电场或热场虽能灵活控制微液滴的生成，但高压电场或高温会影响甚至破坏液滴内所含物质的分子结构；在电润湿法中，则需在芯片上集成微电极，配置可编程微电极开关控制系统，对芯片系统要求较高。此外，微电极可能会对液滴内部物质造成干扰或污染，比如液滴内部物质可能沉积在微电极上，电信号可能对生物分子(DNA或蛋白质)的生物相融性造成影响。被动方式中最常见三种通道为T型、同轴流和聚焦流通道。其中T型通道是最简单且较早提出用于可控生成液滴的微流体装置；同轴流通道内生成液滴较为稳定、尺寸较为均一，可避免液滴内分散相与通道壁的接触污染；而聚焦流通道内生成液滴更稳定、易操作、适用范围广，可一步到位制备出分布均匀、形态相同的微液滴。然而，T型通道存在液滴与通道壁接触污染的问题，且基于上述单一类型通道的液滴尺寸生成范围仍较为有限。如在同轴流通道内，当连续相毛细数或分散相韦伯数高于某一临界值时，分散相流动会呈现射流模式，此时射流液柱存在粗或细长而无法破裂生成液滴的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有被动方式中液滴尺寸生产范围有限的缺点，提供一种液滴微流控芯片。本发明通道结构简单易设计，制造成本低，适用性广，且可快速灵活的调控液滴的生成频率、大小和破裂位置，并可实现射流模式下周期性单分散性液滴生成，进而增大液滴尺寸的生成范围。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种液滴微流控芯片，其中，包括PMMA板、第一微量注射泵，第一微量注射器、调节筒，所述PMMA板内设有贯穿所述PMMA板的主通道，所述主通道的两侧各设有对称连通的侧通道，所述侧通道延伸至所述PMMA板的侧边，所述第一微量注射泵与所述第一微量注射器连接，所述第一微量注射器上设有软管，所述调节筒上设有微针，所述软管将所述第一微量注射器和所述微针连通，所述调节筒与所述主通道密封连接，所述微针深入所述主通道，所述侧通道上均连接有第二微量注射器，所述第二微量注射器均设有第二微量注射泵，所述侧通道与所述第二微量注射器之间设有阀门。

本技术方案中，PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯。利用第二微量注射泵和第二微量注射器先将连续相注入PMMA板中的主通道和所有侧通道，再利用第一微量注射泵和第一微量注射器将分散相注入PMMA板中的主通道，分散相在连续相中破裂形成液滴，通过调控第一微量注射泵和第二微量注射泵的两相流量，从而可以控制液滴形成的频率和尺寸。

进一步的，所述调节筒包括筒体、活塞柄、活塞轴和活塞，所述筒体与所述主通道密封对接，所述活塞位于所述筒体内，所述活塞轴一端连接所述活塞，另一端连接所述活塞柄，所述软管穿过所述活塞柄和活塞轴，所述软管在所述活塞中与所述微针连接。本技术方案中，通过移动活塞柄控制与之连通的活塞在筒体的位置，从而改变活塞连接的微针出口在主通道内的位置，来实现侧通道内连续相对液滴生成的控制。

进一步的，所述PMMA板的边缘设有PMMA盖板，所述PMMA盖板上预留出所述主通道和侧通道的通道口。PMMA盖板对PMMA板的除主通道和侧通道的通道口的边缘进行密封。

进一步的，所述微针位于所述主通道的中心线上。微针位于主通道的中心线上使得主通道与微针形成同轴流通道，同轴流通道内生成的液滴较为稳定、尺寸较为均一，可避免液滴内分散相与主通道的内壁形成接触污染。

进一步的，所述主通道的两侧各设有对称连通的侧通道，分别为第一侧通道、第二侧通道、第三侧通道和第四侧通道，所述第一侧通道与第三侧通道关于所述主通道对称设置，所述第二侧通道与第四侧通道关于所述主通道对称设置。所述第一侧通道、第二侧通道、第三侧通道和第四侧通道上均设有与其各自连通的第二微量注射器，所述各个第二微量注射器上均设有第二微量注射泵，所述第一侧通道、第二侧通道、第三侧通道和第四侧通道与其各自连通的所述第二微量注射器之间均设有阀门。

本技术方案中，首先将第二侧通道和第四侧通道的阀门关闭，利用第二微量注射泵和第二微量注射器先将连续相注入PMMA板中的主通道和所有侧通道，再利用第一微量注射泵和第一微量注射器将分散相注入PMMA板中的主通道，分散相在连续相中破裂形成液滴，通过调控第一微量注射泵和第二微量注射泵的两相流量，从而可以控制液滴形成的频率和尺寸。与第二、四侧通道连接的第二微注射器中装有连续相，当主通道的微针产生的液滴生成处于滴流模式时，通过调节筒将微针移动到主通道与第二、四侧通道连通的位置，将第二、四侧通道的阀门打开，第二微量注射泵将微注射器中装载的连续相从第二、四侧通道流入主通道内，强化了连续相对分散相的剪切作用，促使液滴快速生成。关闭第二、四侧通道的阀门，当主通道的微针产生的液滴生成处于射流模式时，液滴在拉长的液柱下游破裂生成，且破裂点位置随时间逐渐向下游移动，使得所生成的液滴具有多分散性；当射流液柱流经第二、四侧通道与主通道的连通处时，打开第二、四侧通道的阀门，连续相从第二、四侧通道流入主通道，使得液柱在此处所受的连续相剪切作用得以强化，进而可有效抑制射流模式下的对流不稳定性，进而可控制液滴流型从射流模式向滴流模式转变，此时液滴可持续在第二、四侧通道与主通道连通位置的下游处破裂生成。本装置通过控制微针在主通道的位置和阀门的开关，能够有效控制液滴的生成频率、大小和破裂位置，并且增大液滴尺寸的生成范围。除此之外，本技术方案还可通过改变侧通道与主通道间的夹角等方式亦可以达到控制液滴生成频率和大小的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过调节筒改变微针在主通道内的位置，从而能够快速灵活的调控液滴的生成频率、大小和破裂位置；

2.本发明通过在主通道的两侧设置对称侧通道，实现射流模式下周期性单分散性液滴生成，进而增大液滴尺寸的生成范围；

3.本发明由PMMA板、微量注射泵、微量注射器和调节筒构成，结构简单易设计，制造成本低，适用性广。

附图说明

图1为第一实施例一种液滴微流控芯片的结构示意图。

图2为第二实施例一种液滴微流控芯片中液滴形成的过程示意图。

图3为第三实施例一种液滴微流控芯片中液滴形成的过程示意图。

图示标记说明如下：

1-第一微量注射泵，2-第一微量注射器，3-软管，4-活塞柄，5-活塞，6-活塞轴，7-筒体，8-微针，9-PMMA板，10--主通道，11-PMMA盖板，12-第一侧通道，13-第二侧通道，14-第三侧通道，15-第四侧通道，16第一微阀门，17-第二微阀门，18-第三微阀门，19-第四微阀门。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，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。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。

第一实施例

如图1所示为本发明一种液滴微流控芯片的第一实施例。一种液滴微流控芯片，其中，包括PMMA板9、第一微量注射泵1，第一微量注射器2、调节筒，PMMA板9的内部设有一个主通道10，主通道10贯穿PMMA板9内部，主通道10的一端与调节筒密封对接，调节筒内部设有微针8，微针9深入主通道10内，位于主通道10的中心线上，调节筒的微针8与第一微注射器2通过软管3连通，第一微注射泵1与第一微注射器2连接，第一微注射泵1控制第一微注射器2中流体的注射量和注射流量。PMMA板9的边缘设有PMMA盖板11。

本实施例中，主通道10的两侧前后设有对称的侧通道，分别为第一侧通道12、第二侧通道13、第三侧通道14和第四侧通道15，第一侧通道12与第三侧通道14关于主通道10对称设置，第二侧通道13与第四侧通道15关于主通道10对称设置，四条侧通道均延伸至PMMA板9的边缘，第一侧通道12、第二侧通道13、第三侧通道14和第四侧通道15上均对应设有第二微量注射器，每个第二微量注射器上均对应连接一个第二微量注射泵，PMMA盖板11上预留出主通道10和各个侧通道的通道口。本实施例中，主通道10，第一侧通道12、第二侧通道13、第三侧通道14和第四侧通道15均是通过毛细管镶嵌在PMMA板内形成。

由于本实施例PMMA板9的尺寸小，故阀门采用的是微阀门，第一侧通道12与其连接的第二微注射器之间设有第一微阀门16，第二侧通道13与其连接的第二微注射器之间设有第二微阀门17，第三侧通道14与其连接的第二微注射器之间设有第三微阀门18，第四侧通道15与其连接的第二微注射器之间设有第四微阀门19。

本实施例中，调节筒包括筒体7、活塞柄4、活塞轴6和活塞5，筒体7与主通道10密封对接，活塞5位于筒体7内，活塞轴6一端在筒体7内连接活塞5，另一端在筒体7外连接活塞柄4，软管3穿过活塞柄4和活塞轴6在活塞5中与微针8连接。通过移动活塞柄4控制与之通过活塞轴6连接的活塞5在筒体7的位置，从而改变与活塞5连接的微针8出口在主通道10内的位置。

本实施例的工作原理如下文所示：首先将第二微阀门17和第四微阀门19的关闭，利用第二微量注射泵和第二微量注射器先将连续相注入PMMA板9中的主通道10和所有侧通道，再利用第一微量注射泵1和第一微量注射器2将分散相注入PMMA板9中的主通道10，分散相在连续相中破裂形成液滴，通过调控第一微量注射泵或第二微量注射泵的流量，从而可以控制液滴的生成频率和尺寸。

与四个侧通道连接的四个第二微注射器中均装有连续相，当主通道10的微针8产生的液滴生成处于滴流模式时，通过调节筒将微针8移动到主通道与第二侧通道13和第四侧通道15连通的位置，将第二微阀门17和第四微阀门19打开，两个第二微量注射器中的连续相从第二侧通道13和第四侧通道15进入主通道10，从而强化连续相对分散相的剪切作用，促使分散相液滴快速生成。

关闭第二微阀门17和第四微阀门19，当主通道10的微针8产生的液滴生成处于射流模式时，液滴在拉长的液柱下游破裂生成，且破裂点位置随时间逐渐向下游移动，使得所生成的液滴具有多分散性；当射流液柱流经第二微阀门17和第四微阀门19与主通道10的连通处时，打开第二微阀门17和第四微阀门19，连续相从第二侧通道13和第四侧通道15流入主通道10，使得液柱在此处所受的连续相剪切作用得以强化，进而可有效抑制射流模式下的对流不稳定性，进而可控制液滴流型从射流模式向滴流模式转变，此时液滴可持续在第二侧通道13和第四侧通道15与主通道10连通位置的下游处破裂生成。本实施例通过控制微针8在主通道10的位置和微阀门开关，能够控制液滴的生成频率、大小和破裂位置，并且增大液滴尺寸的生成范围。

第二实施例

本实施例与第一实施例类似，所不同之处在于，分散相采用水，连续相采用的是硅油，本实施例中微针8的内径为32.5μm，主通道10的内径为115μm，主通道10的内径为50μm，第一侧通道12、第二侧通道13、第三侧通道14和第四侧通道15的内径均为50μm。

在本实施例中，采用fluent数值模拟。在本次数值模拟中，将分散相和连续相流速分别设置为0.05m/s和0.2m/s，密度分别设置为965kg/m3和998kg/m3，粘性系数分别设置为0.01pa.s和0.001pa.s，两相表面张力系数设置为0.015N/m，壁面接触角设置为135°。

本实施例中，打开第一微阀门16和第三微阀门18，关闭第二微阀门17和第四位阀门19，计算模型采用VOF/CSF模型，模拟结果如图2所示，分散相从微针8处流出，在连续相的剪切作用下，形成窄射流模式，如图2(a)所示。其它条件不变，打开第二微阀门17和第四微阀门19，调整微针10至第二侧通道13和第四侧通道15的距离，当微针8尖端至第二侧通道13和第四侧通道15的距离较小时，射流液柱受到连续相强剪切作用，在第二侧通道13和第四侧通道15连通的下游处破裂生成液滴，液滴流型由射流模式转变为滴流模式，如图2(a-b)所示。微针8尖端至第二侧通道13和第四侧通道15的距离不同，射流液柱所受到连续相的剪切作用也就不同，进而可以通过微针8尖端至第二侧通道13和第四侧通道15的距离来控制液滴的生成频率、大小和破裂位置，生成不同尺寸大小的液滴，如图2(b-e)所示。其中当微针8至第二侧通道13和第四侧通道15的距离较大时，主通道10内射流液柱的对流不稳定性增强，开始周期性的形成多分散液滴，如图2(c-e)所示，这也为后续液滴融合、分裂和分拣等操作提供重要前提。

第三实施例

本实施例与第二实施例类似，所不同之处在于，本实施例比第二实施例增大了两相流速，其中分散相流速增大至0.1m/s，连续相流速增大至0.6m/s，其他条件不变。在该参数条件下，主通道10内射流液柱可以更为细长，如图3(f)所示。调整微针8至第二侧通道13和第四侧通道15的距离，当微针8至第二侧通道13和第四侧通道15距离较小时，在连续相强剪切作用下，可以高频率、稳定且可控的生成更小尺寸的液滴，如图3(g)所示。继续增大微针10至第二侧通道13和第四侧通道15的距离，液滴生成由单分散液滴转变为多分散液滴，如图3(h-j)所示。

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。

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 (6)

1.一种液滴微流控芯片，其特征在于：包括PMMA板、第一微量注射泵，第一微量注射器、调节筒，所述PMMA板内设有贯穿所述PMMA板的主通道，所述主通道的两侧各设有对称连通的侧通道，所述侧通道延伸至所述PMMA板的侧边，所述第一微量注射泵与所述第一微量注射器连接，所述第一微量注射器上设有软管，所述调节筒上设有微针，所述软管将所述第一微量注射器和所述微针连通，所述调节筒与所述主通道密封连接，所述微针深入所述主通道，所述侧通道上均连接有第二微量注射器，所述第二微量注射器均设有第二微量注射泵，所述侧通道与所述第二微量注射器之间设有阀门。

2.根据权利要求1所述的一种液滴微流控芯片，其特征在于：所述调节筒包括筒体、活塞柄、活塞轴和活塞，所述筒体与所述主通道密封对接，所述活塞位于所述筒体内，所述活塞轴一端连接所述活塞，另一端连接所述活塞柄，所述软管穿过所述活塞柄和活塞轴，所述软管在所述活塞中与所述微针连接。

3.根据权利要求2所述的一种液滴微流控芯片，其特征在于：所述PMMA板的边缘设有PMMA盖板，所述PMMA盖板上预留出所述主通道和侧通道的通道口。

4.根据权利要求2所述的一种液滴微流控芯片，其特征在于：所述微针位于所述主通道的中心线上。

5.根据权利要求4所述的一种液滴微流控芯片，其特征在于：所述主通道的两侧各设有对称连通的侧通道，分别为第一侧通道、第二侧通道、第三侧通道和第四侧通道，所述第一侧通道与第三侧通道关于所述主通道对称设置，所述第二侧通道与第四侧通道关于所述主通道对称设置。

6.根据权利要求5所述的一种液滴微流控芯片，其特征在于：所述第一侧通道、第二侧通道、第三侧通道和第四侧通道上均设有与其各自连通的第二微量注射器，所述各个第二微量注射器上均设有第二微量注射泵，所述第一侧通道、第二侧通道、第三侧通道和第四侧通道与其各自连通的所述第二微量注射器之间均设有阀门。

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