CN111804353B - 一种实现微液滴被动融合的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现微液滴被动融合的装置及其方法，其中，微通道干路的入口端分别与第一微通道支路、第二微通道支路和第三微通道支路相连通，第一微通道支路的轴线与微通道干路的轴线相同，第二微通道支路和第一微通道支路之间的夹角与第三微通道支路和第一微通道支路之间的夹角相同；第一注射泵向第一微通道支路注射连续相流体，第二注射泵向第二微通道支路注射第一分散相流体，第三注射泵向第三微通道支路注射第二分散相流体。本发明在不需要装置具有复杂微通道结构的情况下，就能够实现微液滴之间的高效融合。同时，本发明可以根据需要设置多组注射泵及微通道，从而实现多个微液滴之间的相互融合。
Description
技术领域
本发明属于液滴融合技术领域，特别涉及一种实现微液滴被动融合的装置及其方法。
背景技术
液滴微流控技术(Droplet-Based Microfluidics)是近年来微流控芯片技术的一个重要分支。液滴微流控技术是一种新的操控微小体积液滴的技术，即微流控芯片中利用两种及以上互不相溶的液体相互作用，生成高度单分散的纳升级至飞升级液滴。在液滴微流控技术应用中，液滴的可控融合是不同试剂或样品间混合的重要手段，广泛应用于微粒合成、生物化学反应和药物筛选等领域。
目前，液滴融合主要分为主动融合和被动融合两类。液滴主动融合指通过外场(如电场、磁场、温度场、光和声)作用，诱导液滴界面是失稳，发生融合。液滴主动融合对电信号的控制精度要求极高，同时微电极容易对内部物质造成干扰。液滴被动融合指通过微通道结构改变或通道表面润湿性改变等方式使得相邻液滴速度发生变化进而完成融合。与主动融合相比，被动融合的流控系统更为简单且对液滴自身特性干扰较小，但是微通道结构较为复杂，增加了微通道制作的难度。
发明内容
鉴于以上技术问题，本发明的目的在于解决现有技术中的不足，并提供一种实现微液滴被动融合的装置及其方法，本发明不仅实现了液滴之间的高效融合，而且不依赖于复杂的微通道结构。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种实现微液滴被动融合的装置，其包括微流控芯片，微流控芯片的一面设有微通道干路；所述微通道干路的入口端分别与第一微通道支路、第二微通道支路和第三微通道支路相连通，第一微通道支路、第二微通道支路和第三微通道支路仅在微通道干路的入口端交汇；第一微通道支路的轴线与微通道干路的轴线相同，第二微通道支路和第一微通道支路之间的夹角与第三微通道支路和第一微通道支路之间的夹角相同；所述第一微通道支路外接第一注射泵，通过第一注射泵向第一微通道支路注射连续相流体；所述第二微通道支路外接第二注射泵，通过第二注射泵向第二微通道支路注射第一分散相流体；所述第三微通道支路外接第三注射泵，通过第三注射泵向第三微通道支路注射第二分散相流体。
作为优选，所述第二微通道支路和第一微通道支路之间的夹角与第三微通道支路和第一微通道支路之间的夹角均满足大于0°且不超过90°。
作为优选，所述第一微通道支路的宽度与所述微通道干路的宽度相同。
作为优选，所述第一微通道支路的宽度大于第二微通道支路的宽度，第一微通道支路的宽度大于第三微通道支路的宽度。
作为优选，所述第一注射泵、第二注射泵和第三注射泵均为可编程流体注射泵，能通过自定义函数实现流体流速的周期性变化。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述任一所述装置实现微液滴被动融合的方法，其包括以下步骤：
1)开启第一注射泵，将连续相流体从第一微通道支路的进液口注入，并使连续相流体充满第一微通道支路和微通道干路；
2)保持第一注射泵开启，同时开启第二注射泵，将第一分散相流体从第二微通道支路的进液口注入，分别调节第一注射泵和第二注射泵的泵液速度，确定一组使连续相流体和第一分散相流体能在第一微通道支路和第二微通道支路的交汇处融合，并稳定形成第一液滴的速度组合，记录所述速度组合中连续相流体的流速v1和第一分散相流体的流速v2，测定在所述速度组合下生成单个第一液滴所需第二注射泵的注射时间t1；
3)保持第一注射泵开启，关闭第二注射泵，使连续相流体重新充满微通道干路；
4)保持第一注射泵开启，同时开启第三注射泵，将第二分散相流体从第三微通道支路的进液口注入，分别调节第一注射泵和第三注射泵的泵液速度，确定一组使连续相流体和第二分散相流体能在第一微通道支路和第三微通道支路的交汇处融合，并稳定形成第二液滴的速度组合，记录所述速度组合中连续相流体的流速v1’和第二分散相流体的流速v2’，测定在所述速度组合下生成单个第二液滴所需第三注射泵的注射时间t2；
5)根据步骤2)中的v1、v2、t1和步骤4)中的v1’、v2’和t2对第一注射泵、第二注射泵和第三注射泵分别进行编程，编写的程序能周期性改变第一注射泵、第二注射泵和第三注射泵的泵液速度，使得第一液滴和第二液滴能在微通道干路中交替生成；
6)开启第一注射泵，使连续相流体充满微通道干路；
7)同时开启经过编程后的第一注射泵、第二注射泵和第三注射泵，使第一液滴和第二液滴在微通道干路中交替生成，之后通过第一液滴和第二液滴的流速差实现第一液滴和第二液滴之间的融合。
作为优选，所述步骤1)、步骤3)和步骤6)中将连续相流体通过第一注射泵泵出时的泵液速度均为恒定速度。
作为优选，所述步骤2)中的t1为测量多组单个第一液滴生成时所需第二注射泵注射时间的平均值，步骤4)中的t2为测量多组单个第二液滴生成时所需第三注射泵注射时间的平均值。
作为优选，步骤5)中所述周期性改变泵液速度的具体方式为：当第一注射泵以v1的泵液速度持续t1的期间内，第二注射泵的泵液速度为v2、第三注射泵的泵液速度为0；当第一注射泵以v1’的泵液速度持续t2的期间内，第三注射泵的泵液速度为v2’、第二注射泵的泵液速度为0。
作为优选，所述连续相流体与第一分散相流体互不相溶，连续相流体与第二分散相流体互不相溶。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1)本发明的装置结构简单、操作容易、所需成本较小，有良好的市场应用潜力；
2)本发明在不需要装置具有复杂微通道结构的情况下，就能够实现微液滴之间的高效融合；
3)本发明采用可编程流体注射泵，无需人工操作即可自动实现不同微液滴之间的融合；
4)本发明可以根据需要设置多组注射泵及微通道，从而实现多个微液滴之间的相互融合。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明中液滴被动融合的过程示意图；
图3是本发明中使液滴被动融合的操作方法流程图；
图4是本发明实施例中两相流体的周期性速度变化图，其中，(a)为连续相流体中速度随时间的周期性变化图，(b)为第一分散相流体中速度随时间的周期性变化图，(c)为第二分散相流体中速度随时间的周期性变化图；
图5是本发明实施例中第一分散相液滴和第二分散相液滴交替形成过程的示意图，其中，(a)为第一分散相液滴的形成过程，(b)为第二分散相液滴的形成过程；
图6是本发明实施例中第一分散相液滴和第二分散相液滴之间融合过程的示意图，其中，(a)为第一分散相液滴和第二分散相液滴相互靠近的过程，(b)为第一分散相液滴和第二分散相液滴的融合过程；
图中：第一注射泵1，第二注射泵2，第三注射泵3，微流控芯片4，微通道模块5，第一微通道6，第二微通道7，第三微通道8，第一液滴9，第二液滴10，第三液滴11，第四液滴12。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本发明一种实现微液滴被动融合的装置，该装置包括微流控芯片4，微流控芯片4的一面上刻设微通道干路5。微通道干路5沿着微流控芯片4的长度方向上设置，为一条线型通道，微通道干路5的入口端分别与第一微通道支路6、第二微通道支路7和第三微通道支路8相连通，并且第一微通道支路6、第二微通道支路7和第三微通道支路8仅在微通道干路5的入口端交汇。第一微通道支路6的轴线与微通道干路5的轴线相同，第一微通道支路6与微通道干路5的宽度相同，且宽度均大于第二微通道支路7的宽度和第三微通道支路8的宽度。
第二微通道支路7和第一微通道支路6之间的夹角与第三微通道支路8和第一微通道支路6之间的夹角相同，将该夹角记为α，α满足0＜α≤90°。第一微通道支路6外接第一注射泵2，通过第一注射泵2向第一微通道支路6注射连续相流体c。第二微通道支路7外接第二注射泵3，通过第二注射泵3向第二微通道支路7注射第一分散相流体d1。第三微通道支路8外接第三注射泵1，通过第三注射泵1向第三微通道支路8注射第二分散相流体d2。第一注射泵2、第二注射泵3和第三注射泵1均为可编程流体注射泵，能通过自定义函数实现流体流速的周期性变化。
如图2和3所示，分别为本发明中液滴被动融合的过程示意图和液滴被动融合的操作方法流程图，下面对使用上述装置实现液滴被动融合的操作过程进行具体说明：
1)首先开启第一注射泵2，将连续相流体c在第一注射泵2的作用下从第一微通道支路6的进液口注入，并使连续相流体c逐渐充满第一微通道支路6和微通道干路5。在该泵液过程中，可以控制第一注射泵2泵出连续相流体c的速度恒定，以使连续相流体c在第一微通道支路6和微通道干路5的分布均匀稳定。
2)保持第一注射泵2开启的同时，开启第二注射泵3，将第一分散相流体d1通过第二注射泵3的作用从第二微通道支路7的进液口注入。分别调节第一注射泵2和第二注射泵3的泵液速度，确定一组使连续相流体c和第一分散相流体d1能在第一微通道支路6和第二微通道支路7的交汇处融合，并稳定形成第一液滴9的速度组合，记录该速度组合中连续相流体c的流速v1和第一分散相流体d1的流速v2，同时测定在该速度组合下生成单个第一液滴9所需第二注射泵3的注射时间t1。
在确定第一注射泵2和第二注射泵3的泵液速度时，首先保持第一注射泵2的泵液速度不变，对第二注射泵3的泵液速度进行调节，当观察到连续相流体c和第一分散相流体d1能够在微通道干路5中形成第一液滴9时，保持第二注射泵3的泵液速度不变，调节第一注射泵2的泵液速度，直到观察到连续相流体c和第一分散相流体d1在第一微通道支路6和第二微通道支路7的交汇处融合并稳定形成第一液滴9，此时，记录分别第一注射泵2和第二注射泵3的泵液速度。
生成单个第一液滴9所需第二注射泵3的注射时间t1指的是，从第二微通道支路7末端流出第一分散相流体d1开始，到第一分散相流体d1与连续相流体c之间作用逐渐形成稳定完整的第一液滴9为止所用的时间。在测量注射时间t1时可以采用秒表计时，并且测量多组生成第一液滴9所用时间取平均值，以保证注射时间t1的准确性。
3)保持第一注射泵2开启，并关闭第二注射泵3，从而使步骤2)中的第一分散相流体d1和第一液滴9排出微通道干路5，连续相流体c重新充满微通道干路5。在该泵液过程中，可以控制第一注射泵2泵出连续相流体c的速度恒定，以使连续相流体c在第一微通道支路6和微通道干路5的分布均匀稳定。
4)保持第一注射泵2开启的同时，开启第三注射泵1，将第二分散相流体d2通过第三注射泵1的作用从第三微通道支路8的进液口注入。分别调节第一注射泵2和第三注射泵1的泵液速度，确定一组使连续相流体c和第二分散相流体d2能在第一微通道支路6和第三微通道支路8的交汇处融合，并稳定形成第二液滴10的速度组合，记录速度组合中连续相流体c的流速v1’和第二分散相流体d2的流速v2’，同时测定在速度组合下生成单个第二液滴10所需第三注射泵1的注射时间t2。
在确定第一注射泵2和第三注射泵1的泵液速度时，首先保持第一注射泵2的泵液速度不变，对第三注射泵1的泵液速度进行调节，当观察到连续相流体c和第二分散相流体d2能够在微通道干路5中形成第二液滴10时，保持第三注射泵1的泵液速度不变，调节第一注射泵2的泵液速度，直到观察到连续相流体c和第二分散相流体d2在第一微通道支路6和第三微通道支路8的交汇处融合并稳定形成第二液滴10，此时，记录分别第一注射泵2和第三注射泵1的泵液速度。
生成单个第二液滴10所需第三注射泵1的注射时间t2指的是，从第三微通道支路8末端流出第二分散相流体d2开始，到第二分散相流体d2与连续相流体c之间作用逐渐形成稳定完整的第二液滴10为止所用的时间。在测量注射时间t2时可以采用秒表计时，并且测量多组生成第二液滴10所用时间取平均值，以保证注射时间t2的准确性。
5)根据步骤2)中的连续相流体c的流速v1和第一分散相流体d1的流速v2和步骤4)中的连续相流体c的流速v1’和第二分散相流体d2的流速v2’，对第一注射泵2、第二注射泵3和第三注射泵1分别进行编程，编写的程序能周期性改变第一注射泵2、第二注射泵3和第三注射泵1的泵液速度，使得第一液滴9和第二液滴10能在微通道干路5中交替生成。
其中，周期性改变泵液速度的具体方式为：
在第一注射泵2以v1的泵液速度持续t1的期间内，第二注射泵3的泵液速度为v2、第三注射泵1的泵液速度为0。在第一注射泵2以v1’的泵液速度持续t2的期间内，第三注射泵1的泵液速度为v2’、第二注射泵3的泵液速度为0。令t1为周期T1，t2为周期T2，则周期性改变指的就是周期T1和周期T2交替重复，从而使得第一液滴9和第二液滴10能在微通道干路5中交替生成。
6)开启第一注射泵2，使连续相流体c在第一注射泵2的作用下充满微通道干路5。在该泵液过程中，可以控制第一注射泵2泵出连续相流体c的速度恒定，以使连续相流体c在第一微通道支路6和微通道干路5的分布均匀稳定。
7)同时开启经过步骤5)编程后的第一注射泵2、第二注射泵3和第三注射泵1，如图5所示，第一液滴9和第二液滴10在微通道干路5中实现交替生成。如图6所示，当第一液滴9和第二液滴10在微通道干路5中交替生成后，由于第一液滴9和第二液滴10之间存在流速差，第一液滴9和第二液滴10之间的距离逐渐缩短，最终实现第一液滴9和第二液滴10之间的完全融合。
实施例
本实施例的装置中第一微通道6的宽度为100μm，第二微通道7和第三微通道8的宽度为30μm，第二微通道支路7和第一微通道支路6之间的夹角与第三微通道支路8和第一微通道支路6之间的夹角α均为90°。本实施例中通过第一注射泵2向第一微通道支路6注射的连续相流体c为去离子水，通过第二注射泵3向第二微通道支路7注射的第一分散相流体d1和通过第三注射泵1向第三微通道支路8注射的第二分散相流体d2均为矿物油，其中，第二分散相流体d2中加入染色剂，以使第一分散相流体d1和第二分散相流体d2之间进行区分，更易观察。本实施例中装置的其余结构与前述相同，在此不再赘述。
使用上述装置实现微液滴被动融合的操作方法具体如下：
1)开启第一注射泵2，将连续相流体c从第一微通道支路6的进液口注入，并使连续相流体c充满第一微通道支路6和微通道干路5。
2)保持第一注射泵2开启，同时开启第二注射泵3，将第一分散相流体d1从第二微通道支路7的进液口注入，分别调节第一注射泵2和第二注射泵3的泵液速度，确定一组使连续相流体c和第一分散相流体d1能在第一微通道支路6和第二微通道支路7的交汇处融合，并稳定形成第一液滴9的速度组合。该速度组合下连续相流体c的流速v1为100mm/s、第一分散相流体d1的流速v2为25mm/s、生成单个第一液滴9所需第二注射泵3的注射时间t1为0.0061s。
3)保持第一注射泵2开启，关闭第二注射泵3，使连续相流体c重新充满微通道干路5。
4)保持第一注射泵2开启，同时开启第三注射泵1，将第二分散相流体d2从第三微通道支路8的进液口注入，分别调节第一注射泵2和第三注射泵1的泵液速度，确定一组使连续相流体c和第二分散相流体d2能在第一微通道支路6和第三微通道支路8的交汇处融合，并稳定形成第二液滴10的速度组合。该速度组合下连续相流体c的流速v1’为15mm/s、第二分散相流体d2的流速v2’为35mm/s、生成单个第二液滴10所需第三注射泵1的注射时间t2为0.01035s。
5)根据步骤2)中的v1、v2、t1和步骤4中的v1’、v2’和t2对第一注射泵2、第二注射泵3和第三注射泵1分别进行编程，编写的程序能周期性改变第一注射泵2、第二注射泵3和第三注射泵1的泵液速度，使得第一液滴9和第二液滴10能在微通道干路5中交替生成。如图4所示，(a)为连续相流体c中速度随时间的周期性变化图，(b)为第一分散相流体d1中速度随时间的周期性变化图，(c)为第二分散相流体d2中速度随时间的周期性变化图。
6)开启第一注射泵2，使连续相流体c充满微通道干路5。
7)同时开启经过编程后的第一注射泵2、第二注射泵3和第三注射泵1，使第一液滴9和第二液滴10在微通道干路5中交替生成，之后通过第一液滴9和第二液滴10的流速差实现第一液滴9和第二液滴10之间的融合。
7.根据权利要求6实现微液滴被动融合的方法，其特征在于，步骤1、步骤3和步骤6中将连续相流体c通过第一注射泵2泵出时的泵液速度均为恒定速度。
8.根据权利要求6实现微液滴被动融合的方法，其特征在于，步骤2中的t1为测量多组单个第一液滴9生成时所需第二注射泵3注射时间的平均值，步骤4中的t2为测量多组单个第二液滴10生成时所需第三注射泵1注射时间的平均值。
9.根据权利要求6实现微液滴被动融合的方法，其特征在于，步骤5中周期性改变泵液速度的具体方式为：当第一注射泵2以v1的泵液速度持续t1的期间内，第二注射泵3的泵液速度为v2、第三注射泵1的泵液速度为0；当第一注射泵2以v1’的泵液速度持续t2的期间内，第三注射泵1的泵液速度为v2’、第二注射泵3的泵液速度为0。
以上的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种利用实现微液滴被动融合的装置实现微液滴被动融合的方法，其特征在于，所述实现微液滴被动融合的装置包括微流控芯片（4），微流控芯片（4）的一面设有微通道干路（5）；所述微通道干路（5）的入口端分别与第一微通道支路（6）、第二微通道支路（7）和第三微通道支路（8）相连通，第一微通道支路（6）、第二微通道支路（7）和第三微通道支路（8）仅在微通道干路（5）的入口端交汇；第一微通道支路（6）的轴线与微通道干路（5）的轴线相同，第二微通道支路（7）和第一微通道支路（6）之间的夹角与第三微通道支路（8）和第一微通道支路（6）之间的夹角相同；所述第一微通道支路（6）外接第一注射泵（2），通过第一注射泵（2）向第一微通道支路（6）注射连续相流体；所述第二微通道支路（7）外接第二注射泵（3），通过第二注射泵（3）向第二微通道支路（7）注射第一分散相流体；所述第三微通道支路（8）外接第三注射泵（1），通过第三注射泵（1）向第三微通道支路（8）注射第二分散相流体；
所述第一微通道支路（6）的宽度大于第二微通道支路（7）的宽度，第一微通道支路（6）的宽度大于第三微通道支路（8）的宽度；
所述实现微液滴被动融合的方法包括以下步骤：
1）开启第一注射泵（2），将连续相流体从第一微通道支路（6）的进液口注入，并使连续相流体充满第一微通道支路（6）和微通道干路（5）；
2）保持第一注射泵（2）开启，同时开启第二注射泵（3），将第一分散相流体从第二微通道支路（7）的进液口注入，分别调节第一注射泵（2）和第二注射泵（3）的泵液速度，确定一组使连续相流体和第一分散相流体能在第一微通道支路（6）和第二微通道支路（7）的交汇处融合，并稳定形成第一液滴（9）的速度组合，记录所述速度组合中连续相流体的流速v 1 和第一分散相流体的流速v 2 ，测定在所述速度组合下生成单个第一液滴（9）所需第二注射泵（3）的注射时间t 1 ；
3）保持第一注射泵（2）开启，关闭第二注射泵（3），使连续相流体重新充满微通道干路（5）；
4）保持第一注射泵（2）开启，同时开启第三注射泵（1），将第二分散相流体从第三微通道支路（8）的进液口注入，分别调节第一注射泵（2）和第三注射泵（1）的泵液速度，确定一组使连续相流体和第二分散相流体能在第一微通道支路（6）和第三微通道支路（8）的交汇处融合，并稳定形成第二液滴（10）的速度组合，记录所述速度组合中连续相流体的流速v 1 ’ 和第二分散相流体的流速v 2 ’ ，测定在所述速度组合下生成单个第二液滴（10）所需第三注射泵（1）的注射时间t 2 ；
5）根据步骤2）中的v 1 、v 2 、t 1 和步骤4）中的v 1 ’、v 2 ’和t 2 对第一注射泵（2）、第二注射泵（3）和第三注射泵（1）分别进行编程，编写的程序能周期性改变第一注射泵（2）、第二注射泵（3）和第三注射泵（1）的泵液速度，使得第一液滴（9）和第二液滴（10）能在微通道干路（5）中交替生成；
6）开启第一注射泵（2），使连续相流体充满微通道干路（5）；
7）同时开启经过编程后的第一注射泵（2）、第二注射泵（3）和第三注射泵（1），使第一液滴（9）和第二液滴（10）在微通道干路（5）中交替生成，之后通过第一液滴（9）和第二液滴（10）的流速差实现第一液滴（9）和第二液滴（10）之间的融合。
2.根据权利要求1所述实现微液滴被动融合的方法，其特征在于，所述第二微通道支路（7）和第一微通道支路（6）之间的夹角与第三微通道支路（8）和第一微通道支路（6）之间的夹角均满足大于0°且不超过90°。
3.根据权利要求1所述实现微液滴被动融合的方法，其特征在于，所述第一微通道支路（6）的宽度与所述微通道干路（5）的宽度相同。
4.根据权利要求1所述实现微液滴被动融合的方法，其特征在于，所述第一注射泵（2）、第二注射泵（3）和第三注射泵（1）均为可编程流体注射泵，能通过自定义函数实现流体流速的周期性变化。
5.根据权利要求1所述实现微液滴被动融合的方法，其特征在于，所述步骤1）、步骤3）和步骤6）中将连续相流体通过第一注射泵（2）泵出时的泵液速度均为恒定速度。
6.根据权利要求1所述实现微液滴被动融合的方法，其特征在于，所述步骤2）中的t 1 为测量多组单个第一液滴（9）生成时所需第二注射泵（3）注射时间的平均值，步骤4）中的t 2 为测量多组单个第二液滴（10）生成时所需第三注射泵（1）注射时间的平均值。
7.根据权利要求1所述实现微液滴被动融合的方法，其特征在于，步骤5）中所述周期性改变泵液速度的具体方式为：当第一注射泵（2）以v 1 的泵液速度持续t 1 的期间内，第二注射泵（3）的泵液速度为v 2 、第三注射泵（1）的泵液速度为0；当第一注射泵（2）以v 1 ’的泵液速度持续t 2 的期间内，第三注射泵（1）的泵液速度为v 2 ’、第二注射泵（3）的泵液速度为0。
8.根据权利要求1所述实现微液滴被动融合的方法，其特征在于，所述连续相流体与第一分散相流体互不相溶，连续相流体与第二分散相流体互不相溶。
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