CN111773861A - 一种微流道气泡捕获装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微流道气泡捕获装置，属于气液分离技术领域。所述装置包括流入管，与流入管连通的集气腔，以及与集气腔连通的流出管，所述集气腔的横截面大于流入管和流出管的横截面，所述集气腔的最大横截面应保证集气腔内液体的表面张力和摩擦力足够让集气腔内液体不受重力影响而塌陷。本发明还提供利用所述装置进行微流道气泡捕获的方法。本发明微流道气泡铺集装置及方法，可以有效对微流道中产生的气泡进行排出并实现气泡的铺集，且不需要制造负压，就能达到气液分离的目的。同时本发明微流道气泡铺集装置结构简单，体积小巧，能够满足微流控装置成本低和体积小的要求。
Description
技术领域
本发明属于气液分离技术领域，具体为一种微流道气泡捕获装置及方法。
背景技术
微流控(Microfluidics)指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到微升)的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。因为具有微型化、集成化等特征，微流控装置通常被称为微流控芯片，也被称为芯片实验室(Lab on a Chip)和微全分析系统(micro-Total Analytical System)。微流控的早期概念可以追溯到19世纪70年代采用光刻技术在硅片上制作的气相色谱仪，而后又发展为微流控毛细管电泳仪和微反应器等。微流控的重要特征之一是微尺度环境下具有独特的流体性质，如层流和液滴等，借助这些独特的流体现象，微流控可以实现一系列常规方法所难以完成的微加工和微操作。
目前，微流控技术已经普遍应用在各类领域，并被认为在生物医学研究中具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景。但在微流控技术中，管路中容易产生气泡，会对其应用产生很大影响，比如需要严格定量液体的应用或色谱分析的应用。同时，在微管路或者微腔体下，气液压强与重力等都克服不了液体表面张力、范德华力、液体摩擦力等微作用力的影响，从而导致不能使用类似莫氏滴管的方式进行排泡。
目前微流控技术中应用较广的气泡捕获装置采用透气阻水膜，在膜的一端制造负压，管路中流过该膜的气体会被膜透过，液体正常流出。这种方法需要一个负压装置，且结构与工艺都很复杂，体型相对庞大，不能有效体现微流控装置成本和体积小巧的优势。
发明内容
本发明的目的在于针对现有气泡捕获装置结构和工艺复杂，需要负压实现气液分离，体型庞大，不能有效体现微流控装置成本和体积小巧的现状，提出一种微流道气泡捕获装置及方法。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种微流道气泡捕获装置，所述装置包括流入管，与流入管连通的集气腔，以及与集气腔连通的流出管，所述集气腔的横截面大于流入管和流出管的横截面，所述集气腔的最大横截面应保证集气腔内液体的表面张力和摩擦力足够让集气腔内液体不受重力影响而塌陷。
进一步，所述集气腔的材质应为管内液体的浸润材料，不能为管内液体的吸收材料。
进一步，所述集气管中沿横截面设置张力阻气结构。
进一步，所述阻气结构可以为一个或多个串联的张力阻气膜，或者为张紧的丝线和集气腔腔壁形成的两个半圆孔。
进一步，所述张力阻气膜为带有若干个孔的薄膜。
进一步，所述集气腔底部还设置有贯穿集气腔底部的排液沟槽，排液沟槽的上部开口大，下部开口小。
一种微流道气泡捕获方法，采用上述所述的装置实现气液分离，包括以下步骤：
当液体通入装置时，流入管和集气腔中含有若干段液体以及液体之间形成的气泡，当液体中距离集气腔最近的气泡进入集气腔时，由于液体张力的作用，会形成一个半缺泡，随着液体的继续向前运动，气泡会停在集气腔顶部；
控制液体流速，使气泡前后承受的液压差不足以克服气泡的摩擦力、范德华力和表面张力的共同作用，此时液体会一直从集气腔向流出管流出，但气泡不会移动；
当下一个气泡和液体进入集气腔后，气泡会聚集到顶部使顶部的气泡变大，但由于液压差不大，气泡依然不会移动，而液体仍然会从集气腔向流出管流出；
流入管中的气泡和液体依次进入集气腔，并聚集到顶部，使顶部的气泡变大，当气泡变大到一定程度后，由于表面张力作用，液体会急速收缩，并在集气腔形成一个新的气液界面，气液分离结束；
继续通入气体，产生的压力会克服表面张力推动液体向前，直到将液体全部推出集气腔，进而实现了气泡的捕获。
进一步，若液体流速过快，集气腔顶部气泡前后会产生压差，进而推动气泡前进，需要在集气腔横截面上增加张力阻气膜阻截气泡，当气泡封闭上薄膜孔时，由于表面张力的作用，气液界面仅会往液端微曲，由于张力阻气膜上的孔非常小，此时推力变大带来的前后液压差不足以克服该表面张力作用，气体不会从封闭的上薄膜孔通过，但液体可以从下孔流过；
流入管中的液体和气泡依次进入集气腔，液体流过但气泡聚集，当气泡足够大的时候，气泡会在下孔形成向前微曲的界面，该界面需要足够的液压差才能克服表面张力；
流入管中的液体和气泡继续增多，气泡增大，液体从下孔流过，最终张力阻气膜上的所有孔将会被气泡堵塞，进而形成新的气液界面，气液分离结束；
继续通入气体，产生的压力会克服表面张力推动液体向前，直到将液体全部推出集气腔，进而实现了气泡的捕获。
进一步，当张力阻气膜上的所有孔将会被气泡堵塞时，由于表面张力作用于每个孔都不一样，其中的一个孔首先往孔后方排出一个气泡，在排出气泡后，该孔随即被液体导通，张力阻气膜又回到过液阻气的状态。
进一步，若气泡量过大，需要在集气腔的底部设置贯穿集气腔底部的排液沟槽，排液沟槽采用上部开口大，下部开口小的结构，当液体和气泡流入集气腔时，液体进入排液沟槽，气泡在集气腔中，气液界面微向下弯曲，且气体不能进入排液沟槽；
当液体全部通过排液沟槽从集气腔进入流出管，空气会切断排液沟槽和流出管的液体连接，并推动液体前行，最终完成气液分离，实现气泡的捕获。
集气腔底部设置排液沟槽，由于气体压力和表面张力作用，气液界面往下弯曲，但由于排液沟槽往下越来越窄(采用上部开口大，下部开口小的结构)，表面能增大，在没有高压的情况下，即使集气腔做得很长，气液界面也很难往下移动。因此，可以通过增加集气腔的长度来困住大量气体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明微流道气泡铺集装置及方法，可以有效对微流道中产生的气泡进行排出并实现气泡的铺集，且不需要制造负压，就能达到气液分离的目的。同时本发明微流道气泡铺集装置结构简单，体积小巧，能够满足微流控装置成本低和体积小的要求。
附图说明
图1为微流道气泡捕获装置的结构示意图；
图2为微流道气泡捕获装置中不同阶段液体和气泡的状态；
图3为带有两个孔的张力阻气膜；
图4为张紧的丝线和集气腔腔壁形成的两个半圆孔；
图5为安装有张力阻气膜的微流道气泡捕获装置的阻气示意图；
图6为排液沟槽为水滴形时的集气腔横截面；
图7为排液沟槽为方形的一条棱边时的集气腔横截面；
图8为带有排液沟槽的微流道气泡捕获装置的纵截面图；
附图标记：1-流入管，2-集气腔，201-集气腔腔壁，3-流出管，4-张力阻气膜，401-孔，5-排液沟槽，6-气泡，7-液体，8-丝线，9-沟槽开口线，10-沟槽处气液界面。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合具体结构及原理对发明一种微流道气泡捕获装置及方法进行详细说明。
一种微流道气泡捕获装置，如图1所示，所述装置包括流入管，与流入管连通的集气腔，以及与集气腔连通的流出管，所述集气腔的横截面大于流入管和流出管的横截面，所述集气腔的最大横截面应保证集气腔内液体的表面张力和摩擦力足够让集气腔内液体不受重力影响而塌陷。
本发明微流道气泡捕获装置中流入管是为了实现液体和气泡的流入，集气腔是为了实现液体和气泡的分离，同时对分离后的气泡进行收集；流出管是为了实现分离后液体的流出。由于重力和表面张力共同作用，最开始进入集气腔的液体界面一般会呈现下大上小的凸面形态，如果集气管横截面过大，重力比张力大，液体无法维持一个凸面，所以集气管最大截面和液体表面张力相关，应保证集气腔内液体的表面张力和摩擦力足够让集气腔内液体不受重力影响而塌陷。
进一步，对于纯水，集气腔截面为直径小于3mm的圆形。
进一步，所述集气腔的材质应为管内液体的浸润材料，不能为管内液体的吸收材料。液体的浸润材料或者吸收材料对于本领域技术人员来说是公知常识，本领域技术人员基于本领域的常规技术即可选择，比如水溶性试剂，集气腔的材质可以为二甲基硅氧烷，也可以是聚丙烯等材料。
进一步，所述集气管中沿横截面设置张力阻气结构。张力阻气结构的作用是困住气体，由于张力阻气结构上设有孔，其中一个孔通液体，其它孔上的气泡和液体会在孔上形成气液界面，由于液体的张力，会把气泡困在张力阻气膜一端，而液体却可以通过通液体的孔直接流过。
进一步，所述阻气结构可以为多个串联的张力阻气膜，或者为张紧的丝线和集气腔腔壁形成的两个半圆孔。
进一步，所述张力阻气膜为带有若干个孔的薄膜。
进一步，所述集气腔底部还设置有贯穿集气腔底部的排液沟槽，排液沟槽的上部开口大，下部开口小。排液沟槽可以和集气腔外壁一体成型，排液沟槽可以为水滴形也可以为方形的一条或多条棱边。排液沟槽的作用是为了在有气泡的时候给液体提供流通的通路，从而困住气泡。该排液沟槽会在液体中有气泡进入集气腔时，保持液体的连通，使气泡不能阻断液体流通。当液体有流通的通道时，气泡受摩擦力和表面张力共同作用，不会移动，从而困住气泡，实现气泡的铺集。
利用本发明微流道气泡捕获装置实现气泡捕获的方法，有三种实现方式：
第一种实现方式为低流速(小于10uL/秒)下正常阻碍气泡移动，实现气液分离和气泡铺集，此种方式不包括张力阻气结构和排液沟槽，具体过程如下：
当液体通入装置时，流入管和集气腔中含有若干段液体以及液体之间形成的气泡，当液体中距离集气腔最近的气泡进入集气腔时，由于液体张力的作用，会形成一个半缺泡，随着液体的继续向前运动，气泡会停在集气腔顶部；
控制液体流速，使气泡前后承受的液压差不足以克服气泡的摩擦力、范德华力和表面张力的共同作用，此时液体会一直从集气腔向流出管流出，但气泡不会移动；
当下一个气泡和液体进入集气腔后，气泡会聚集到顶部使顶部的气泡变大，但由于液压差不大，气泡依然不会移动，而液体仍然会从集气腔向流出管流出；
流入管中的气泡和液体依次进入集气腔，并聚集到顶部，使顶部的气泡变大，当气泡变大到一定程度后，由于表面张力作用，液体会急速收缩，并在集气腔形成一个新的气液界面，气液分离结束；
继续通入气体，产生的压力会克服表面张力推动液体向前，直到将液体全部推出集气腔，进而实现了气泡的捕获。
第二种实现方式为液体流速较大(大于10微升/秒)时，在集气腔中沿横截面设置张力阻气膜，张力阻气膜为带有若干个孔的薄膜，可以采用一个或多个串联，具体过程如下：
若液体流速过快，集气腔顶部气泡前后会产生压差，进而推动气泡前进，需要在集气腔横截面上增加张力阻气膜阻截气泡，当气泡封闭上薄膜孔时，由于表面张力的作用，气液界面仅会往液端微曲，由于张力阻气膜上的孔非常小，此时推力变大带来的前后液压差不足以克服该表面张力作用，气体不会从封闭的上薄膜孔通过，但液体可以从下孔流过；
流入管中的液体和气泡依次进入集气腔，液体流过但气泡聚集，当气泡足够大的时候，气泡会在下孔形成向前微曲的界面，该界面需要足够的液压差才能克服表面张力；
流入管中的液体和气泡继续增多，气泡增大，液体从下孔流过，最终张力阻气膜上的所有孔将会被气泡堵塞，进而形成新的气液界面，气液分离结束；
继续通入气体，产生的压力会克服表面张力推动液体向前，直到将液体全部推出集气腔，进而实现了气泡的捕获。
当张力阻气膜上的所有孔将会被气泡堵塞时，由于表面张力作用于每个孔都不一样，其中的一个孔首先往孔后方排出一个气泡，在排出气泡后，该孔随即被液体导通，张力阻气膜又回到过液阻气的状态。
第三种实现方式为气泡特别多时，在集气腔底部设置排液沟槽，具体过程如下：
若气泡量过大，需要在集气腔的底部设置贯穿集气腔底部的排液沟槽，排液沟槽采用上部开口大，下部开口小的结构，当液体和气泡流入集气腔时，液体进入排液沟槽，气泡在集气腔中，气液界面微向下弯曲，且气体不能进入排液沟槽；
当液体全部通过排液沟槽从集气腔进入流出管，气体会切断排液沟槽和流出管的液体连接，并推动液体前行，最终完成气液分离，实现气泡的捕获。
集气腔底部设置排液沟槽，由于气体压力和表面张力作用，气液界面往下弯曲，但由于排液沟槽往下越来越窄(采用上部开口大，下部开口小的结构)，表面能增大，在没有高压的情况下，即使集气腔做得很长，气液界面也很难往下移动。因此，可以通过增加集气腔的长度来困住大量气体。
下面结合具体实施例对本发明一种微流道气泡捕获装置及方法进一步说明。
实施例1
图2示出了微流道气泡捕获装置中不同阶段液体和气泡的状态。
图2A为一段管路中串联有一个集气腔(管路中液体流入集气腔的为流入管，流出集气腔的为流出管)，管路中三段液体封有两个气泡。
由于重力和表面张力共同作用，最开始的液体界面呈现下大上小的凸面形态。如果集气管横截面过大，重力比张力大，液体无法维持一个凸面，但集气管截面太小，气体收集量就小，所以集气管最大截面和液体表面张力相关，应保证集气腔内液体的表面张力和摩擦力足够让集气腔内液体不受重力影响而塌陷。
当液体中第一个气泡进入集气腔，如图2B所示，由于液体张力的作用，会形成一个半缺泡，当管内继续施压，向前运动时，气泡会停在集气管顶部，如图2C。
若液速不高，气泡前后承受的液压差很小，不足以克服气泡的摩擦力、范德华力和表面张力的共同作用，使气泡前进，此时管路会一直过液，气泡不会移动。
若有足够空间，第二个气泡进入集气管后，会使气泡变大，但同样的，由于液压差不大，气泡依然停在集气管顶部不会移动，如图2D所示。
最后液体全部通过流入管，剩下气体，后端气体在让气泡变大到一定程度后，由于表面张力作用，液体会急速收缩，并在集气腔形成一个新的气液界面如图2E所示。至此，气液分离结束。继续通气体，压力会克服表面张力推动液体向前，直至全部推出集气腔，实现气泡铺集。
当液体后端施加的压力较大，液体速度过快，图2C或图2D中，特别是图2D中较大气泡前后会产生压差，会推动气泡前进，上述结构不能有效完成气泡阻拽的作用。此时在集气腔横截面上增加张力阻气结构会有效阻截气泡。张力阻气结构优选为一个或多个串联的张力阻气膜，或者为张紧的丝线和集气腔腔壁形成的两个半圆孔。张力阻气膜为带有若干个孔的薄膜，图3示出了带有两个孔的张力阻气膜，张紧的丝线和集气腔腔壁形成的两个半圆孔如图4所示。
图5示意了安装有张力阻气膜(带两个孔)的微流道气泡捕获装置的阻气示意图。
当气泡封闭上薄膜孔时，由于表面张力的作用力，气液界面仅会往液端微曲，由于孔非常小，此时推力变大带来的前后液压差不足以克服该表面张力作用，气泡不会从封闭的上薄膜孔通过，但液体可以从下孔流过，如5A所示。
流入管中的液体和气泡依次进入集气腔，液体流过但气泡聚集，当气体足够大的时候，气泡会在下孔在形成如图5A所示向前微曲的界面，该界面需要足够的液压差才能克服表面张力。
当气体继续增多，气泡增大，最终张力阻气膜上的所有孔将会被气泡堵塞，这个时候，管路中的压力会把气泡压过张力阻气膜，但由于表面张力作用于每个孔都不一样，这个时候会有1个孔首先往孔后方排出一个泡，如图5B。在排出这个泡后，该孔随即被液体导通，该阻气膜又回到过液阻气的状态，而排过去的气泡，可以使用下一个串联在管路的张力阻气膜进行捕获。
当液体全部从下孔通过后，尾端气体和液体会形成如图5C所示界面。此时，气液完成分离，继续通入气体，产生的压力会克服表面张力推动液体向前，直到将液体全部推出集气腔，进而实现了气泡的捕获。
若气泡量过大，需要在集气腔的底部设置贯穿集气腔底部的排液沟槽，排液沟槽采用上部开口大，下部开口小的结构，当液体和气泡流入集气腔时，液体进入排液沟槽，气泡在集气腔中，气液界面微向下弯曲，且气体不能进入排液沟槽。
当液体全部通过排液沟槽从集气腔进入流出管，气体会切断排液沟槽和流出管的液体连接，并推动液体前行，最终完成气液分离，实现气泡的捕获。
排液沟槽可以和集气腔外壁一体成型，排液沟槽可以为水滴形也可以为方形的一条或多条棱边形，带有排液沟槽的集气腔横截面如图6和图7所示，纵截面如图8所示从纵截面可以看到排液沟槽的沟槽开口线以及沟槽处气液界面。
集气腔底部设置排液沟槽，由于气体压力和表面张力作用，气液界面往下弯曲，但由于排液沟槽往下越来越窄(采用上部开口大，下部开口小的结构)，表面能增大，在没有高压的情况下，即使集气腔做得很长，气液界面也很难往下移动。因此，可以通过增加集气腔的长度来困住大量气体。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微流道气泡捕获装置，其特征在于，所述装置包括流入管，与流入管连通的集气腔，以及与集气腔连通的流出管，所述集气腔的横截面大于流入管和流出管的横截面，所述集气腔的最大横截面应保证集气腔内液体的表面张力和摩擦力足够让集气腔内液体不受重力影响而塌陷。
2.如权利要求1所述一种微流道气泡捕获装置，其特征在于，所述集气腔的材质应为管内液体的浸润材料，不能为管内液体的吸收材料。
3.如权利要求1所述一种微流道气泡捕获装置，其特征在于，所述集气管中沿横截面设置张力阻气结构。
4.如权利要求3所述一种微流道气泡捕获装置，其特征在于，所述阻气结构可以为一个或多个串联的张力阻气膜，或者为张紧的丝线和集气腔腔壁形成的两个半圆孔。
5.如权利要求4所述一种微流道气泡捕获装置，其特征在于，所述张力阻气膜为带有若干个孔的薄膜。
6.如权利要求1所述一种微流道气泡捕获装置，其特征在于，所述集气腔底部还设置有贯穿集气腔底部的排液沟槽，排液沟槽的上部开口大，下部开口小。
7.一种微流道气泡捕获方法，其特征在于，采用上述权利要求1至6任一项所述的装置实现气液分离，包括以下步骤：
当液体通入装置时，流入管和集气腔中含有若干段液体以及液体之间形成的气泡，当液体中距离集气腔最近的气泡进入集气腔时，由于液体张力的作用，会形成一个半缺泡，随着液体的继续向前运动，气泡会停在集气腔顶部；
控制液体流速，使气泡前后承受的液压差不足以克服气泡的摩擦力、范德华力和表面张力的共同作用，此时液体会一直从集气腔向流出管流出，但气泡不会移动；
当下一个气泡和液体进入集气腔后，气泡会聚集到顶部使顶部的气泡变大，但由于液压差不大，气泡依然不会移动，而液体仍然会从集气腔向流出管流出；
流入管中的气泡和液体依次进入集气腔，并聚集到顶部，使顶部的气泡变大，当气泡变大到一定程度后，由于表面张力作用，液体会急速收缩，并在集气腔形成一个新的气液界面，气液分离结束；
继续通入气体，产生的压力会克服表面张力推动液体向前，直到将液体全部推出集气腔，进而实现了气泡的捕获。
8.如权利要求7所述一种微流道气泡捕获方法，其特征在于，若液体流速过快，集气腔顶部气泡前后会产生压差，进而推动气泡前进，需要在集气腔横截面上增加张力阻气膜阻截气泡，当气泡封闭上薄膜孔时，由于表面张力的作用，气液界面仅会往液端微曲，由于张力阻气膜上的孔非常小，此时推力变大带来的前后液压差不足以克服该表面张力作用，气体不会从封闭的上薄膜孔通过，但液体可以从下孔流过；
流入管中的液体和气泡依次进入集气腔，液体流过但气泡聚集，当气泡足够大的时候，气泡会在下孔形成向前微曲的界面，该界面需要足够的液压差才能克服表面张力；
流入管中的液体和气泡继续增多，气泡增大，液体从下孔流过，最终张力阻气膜上的所有孔将会被气泡堵塞，进而形成新的气液界面，气液分离结束；
继续通入气体，产生的压力会克服表面张力推动液体向前，直到将液体全部推出集气腔，进而实现了气泡的捕获。
9.如权利要求8所述一种微流道气泡捕获方法，其特征在于，当张力阻气膜上的所有孔被气泡堵塞时，由于表面张力作用于每个孔都不一样，其中的一个孔首先往孔后方排出一个气泡，在排出气泡后，该孔随即被液体导通，张力阻气膜又回到过液阻气的状态。
10.如权利要求7所述一种微流道气泡捕获方法，其特征在于，若气泡量过大，需要在集气腔的底部设置贯穿集气腔底部的排液沟槽，排液沟槽采用上部开口大，下部开口小的结构，当液体和气泡流入集气腔时，液体进入排液沟槽，气泡在集气腔中，气液界面微向下弯曲，且气体不能进入排液沟槽；
当液体全部通过排液沟槽从集气腔进入流出管，空气会切断排液沟槽和流出管的液体连接，并推动液体前行，最终完成气液分离，实现气泡的捕获。
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