CN111841672B - 一种台阶式微流控液滴或气泡乳化模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种台阶式微流控液滴或气泡乳化模块，该模块由上部分散相和连续相输送管道、中部液滴/气泡乳化腔、下部微液滴/气泡运输通道构成。其中，液滴/气泡乳化腔内，安有多个圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器。而众多楔形渐扩式台阶通道则通过环形阵列的方式均匀分布在圆盘型乳化器边缘。液滴与气泡的生产过程只需切换模块放置方向，即可实现生产工况的转化。该液滴/气泡乳化模块能够有效解决通道数目放大后台阶式芯片中部分通道活化程度不高，以及下游台阶通道在乳化过程中易受上游已生成液滴/气泡干扰的问题。

Description

一种台阶式微流控液滴或气泡乳化模块
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种台阶式微流控液滴或气泡乳化模块。
背景技术
众所周知，由于微液滴/气泡具备超高的比表面积，能够隔绝其他物质而作为独立反应单元等优点，被广泛应用于食品乳化、药物封装、医疗检测、功能性颗粒物制备等各种常见的高新科技领域。近些年来，迅速发展的微流控技术，其主要目标之一便是寻找更好的途径来生产尺寸可控、单分散性优异的微液滴/气泡。
随着该技术的不断发展，微流控装置出现了以T型、Y型、流聚型、共流型以及台阶式微通道结构为代表几种常用构型。相对其他依靠连续相的剪切力和挤压力实现液滴/气泡颈部夹断过程的传统乳化装置，以界面张力作为液滴/气泡夹断驱动力，基于自发转化机制的台阶乳化装置，其生成的液滴/气泡尺寸只与进样孔口结构和分散相与壁面之间的接触角有关，不随供应流体速度的波动而改变，使得该种构型的液滴/气泡乳化过程不需要精密的进样设备，具备驱动方式多样化、放大方式简单、液滴/气泡尺寸可控等优点，大大降低了芯片的设计、加工以及运行成本。
台阶式芯片主要通过并行阵列微通道实现乳化单元的数目放大过程。目前，连续相通道主要采用蛇形蜿蜒的方式将刻有平行阵列分散相通道的平台进行串联，实现众多进样管道的排布过程。另外，直通式台阶乳化装置则采取类似膜乳化的方式，在板材上刻蚀众多分散相通道的方法完成数目放大过程。但是，随着流道长度和通道数量的增加，上述两种排布方式会造成流体在通道中压力分布不均。因此，出现很多通道即乳化单元没有活化，无液滴/气泡生成的现象。有研究者发现，利用直通式台阶装置生产4.4～9.8μm液滴时，92575根通道活化程度只有1～12.3％，大部分的微通道呈现闲置状态，大大影响了装置的乳化通量。
另外，随着连续相通道中液滴/气泡数目的逐渐增多，大量需要通过连续相通道运出芯片的液滴/气泡将干扰后续台阶式通道孔口处液滴/气泡的生成过程。无法及时排出的液滴将与正在生成的液滴/气泡相互接触，影响液滴/气泡的界面演化和孔口周围连续相的流动条件，使得液滴/气泡单分散性大大下降。
综上所述，如何解决通道孔口活化程度不高，降低连续相通道中已生成的液滴/气泡对正在生成液滴/气泡的干扰，已成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种台阶式微流控液滴或气泡乳化模块，解决现有技术中台阶式芯片中通道活化程度不高，以及下游台阶通道在乳化过程易受上游已生成液滴/气泡干扰的问题。
本发明的技术方案如下：
一种台阶式微流控液滴或气泡乳化模块，该模块由上部分散相运输管道(1)和连续相运输管道(2)、中部液滴/气泡乳化腔(6)、下部微液滴/气泡运输通道(5)构成；分散相通过中间的分散相运输管道(1)进入液滴/气泡乳化腔(6)内的液滴/气泡乳化器(4)，连续相通过连续相运输管道(2)进入液滴/气泡乳化腔(6)，分散相在液滴/气泡乳化器(4)内完成液滴/气泡的乳化过程，生成微液滴/气泡；微液滴/气泡运输通道(5)与液滴/气泡乳化腔(6)相联通，液滴/气泡乳化腔(6)内生成的微液滴和连续相运输管道(2)内的连续相一同流入微液滴/气泡运输通道(5)。
所述液滴/气泡乳化器(4)由圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器的上盖板(8)与多个圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器(10)层叠而成；分散相通过液滴/气泡乳化器内分散相运输通道(7)向各圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器(10)内运输流体；分散相回压管道(9)与上端液滴/气泡乳化器内分散相运输通道(7)相连通，缓解液滴/气泡乳化器(4)内分散相压力分布不均的情况。
所述圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器(10)由液滴/气泡乳化器内分散相运输通道(7)向圆盘型液滴/气泡乳化器空腔(11)内输送分散相，该乳化器由上盖板(8)实现腔体的密封；同时，腔体内刻蚀有环形凹槽(12)，数目众多的楔形渐扩式台阶通道(13)通过环形阵列的方式均匀分布在圆盘型液滴/气泡乳化器四周。
所述楔形渐扩式台阶通道(13)由分散相进样微通道(14)和楔形渐扩式空腔结构15构成。
所述模块串联多个，实现液滴/气泡乳化器的放大过程，负责运输微液滴/气泡的连续相通过管道入口(16)，被运送到各个模块下方/上方；微液滴/气泡在液滴/气泡乳化腔内生成后，在重力/浮力作用下进入下方/上方的微液滴运输通道(5)；当微液滴/气泡达到一定数目后，通过微液滴/气泡的排出口(17)排出装置，进入微液滴/气泡的收集和存贮设备。
本发明具有以下有益效果：
1.增加了专门运输微液滴/气泡的通道，实现微液滴/气泡生成位置和运输液滴/气泡通道的相互分离，有利于降低上游液滴/气泡对下游液滴/气泡的干扰。微液滴/气泡在圆盘式液滴/气泡乳化器生成后，在重力/浮力的作用下，离开液滴/气泡乳化腔，下沉/上浮到下方/上方运输液滴/气泡的管道。在管道5中连续相的流动下，携带已生成的微液滴/气泡排出装置。由于液滴/气泡乳化腔6和运输液滴/气泡的管道5分离，即使无数模块安装在一起，各乳化腔内生成的液滴/气泡也互不干扰，降低了原先连续相通道中已生成的液滴/气泡对正在生成液滴/气泡的干扰，提升了液滴/气泡的单分散性。
2.工况转换方便。对于需要生成微气泡或微液滴等分散相密度小于连续相密度的生产工况，我们只需将装置倒置，利用浮力协助液滴进入运输液滴/气泡管道5即可。
3.液滴/气泡乳化腔内，圆盘呈多层放置，最下方圆盘空腔内分散相压力要大于上部圆盘的压力，故最下方圆盘中微液滴的产量是最大的。但由于其恰好位于最下方，其生成的微液滴进入下方运输微液滴的管道5的距离也是最短的。
4.液滴/气泡乳化器4中设有分散相回压管道9，分散相在压力不均一的情况可以得到缓解。
5.圆盘式结构，可以实现分散相到各楔形渐扩式台阶通道的距离保持一致，减小分散相压力分布不均的情况，提高各孔口的活化程度。
6.圆盘乳化器空腔内的环形凹槽，可以提高圆盘内分散相的流动阻力，抑制分散相的流动波动，有利于提高各楔形孔口的活化程度。另外，还可向空腔内填充合适的填料物质，同样达到提高空腔内分散相流动阻力，提升各孔口活化程度的目的。
7.放大方式简单。可以通过串联多个乳化模块的方式，实现工业化生成微液滴/气泡的目标。各模块之间，互不干扰，在模块损坏后，单独将损坏的模块拆除并替换，即可继续生产。
8.分布在圆盘型液滴/气泡乳化器四周的台阶式微通道孔口结构除采用楔形渐扩式空腔结构外，平台式、EDGE型、矩形孔口等结构均可应用于该圆盘型液滴/气泡乳化器。
附图说明
图1是本发明液滴/气泡乳化模块示意图；
图2是液滴/气泡乳化器；
图3是液滴/气泡乳化器的结构分解示意图；
图4是圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器；
图5是楔形渐扩式台阶通道；
图6是模块放大后的装置结构示意图；
图中：1分散相运输管道、2连续相运输管道、3模块上封板、4液滴/气泡乳化器、5微液滴/气泡运输通道、6液滴/气泡乳化腔、7液滴/气泡乳化器内分散相运输通道、8圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器上盖板、9分散相回压管道、10圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器、11圆盘型液滴/气泡乳化器空腔、12圆盘式乳化器空腔内刻蚀的环形凹槽、13楔形渐扩式台阶通道、14分散相进样微通道、15楔形渐扩式空腔结构、16微液滴/气泡运输通道中连续相的入口、17微液滴/气泡的排出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行作详细描述。
本发明台阶式微流控液滴/气泡乳化模块结构如图1所示，分散相通过中间的分散相运输管道1进入液滴/气泡乳化腔6内的液滴/气泡乳化器4，连续相通过连续相运输管道2进入液滴/气泡乳化腔6，分散相在液滴/气泡乳化器4内完成液滴/气泡的乳化过程，生成微液滴/气泡。微液滴/气泡运输通道5与液滴/气泡乳化腔6相联通，液滴乳化腔6内生成的微液滴和连续相运输管道2内的连续相一同流入微液滴/气泡运输通道5。另外向微液滴/气泡运输通道5输入一股连续相，负责及时移走液滴/气泡乳化腔内形成的微液滴/气泡。
如图2所示，液滴/气泡乳化器4外形结构为圆柱状层叠结构。本模块示意图中，仅放置三个圆盘结构，具体圆盘数量需要实验论证。在不影响下方圆盘生产液滴/气泡的情况下，尽可能提高圆盘的数量，以实现单个模块乳化通量的最大化。
如图3所示，液滴/气泡乳化器4由圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器的上盖板8与多个圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器10层叠而成。分散相通过液滴/气泡乳化器内分散相的运输通道7向各圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器10内运输流体。分散相回压管道9与上端分散相输入管道7相连通，缓解液滴/气泡乳化器4内分散相压力分布不均的情况。
如图4所示，圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器由分散相运输通道7向圆盘型液滴/气泡乳化器空腔11内输送分散相，该乳化器由上盖板8实现腔体的密封。同时，腔体内刻蚀了环形凹槽12，数目众多的楔形渐扩式台阶通道13通过环形阵列的方式均匀分布在圆盘型液滴/气泡乳化器四周。
如图5所示，楔形渐扩式台阶通道13由分散相进样微通道14和楔形渐扩式空腔结构15构成。分散相在压力作用下，通过进样微通道14进入楔形渐扩式空腔15。当分散相头部跨过空腔边缘后，失去孔口壁面的空间约束，在界面张力的作用下，自发膨胀为球体。根据Laplace方程得知，由于两相界面曲率的迅速下降，液滴/气泡头部内分散相压力迅速得到释放，空腔内的分散相快速流出，导致流出空腔的分散相流量Qout远远大于通过进样微通道14流入空腔的分散相流量Qin。空腔内分散相体积变小，液滴/气泡颈部形成，颈部水平方向曲率由正值变为负值。在Laplace压力差下，液滴乳化腔6内连续相流入楔形渐扩式空腔15，协助颈部收缩过程。随着颈部不断收缩，最终触发液滴/气泡颈部夹断，最终脱离台阶边缘，完成一个液滴/气泡的乳化过程。上述生成的微液滴/气泡会在重力/浮力的作用下，进入下方/上方的微液滴运输通道5。
模块放大后的装置结构示意图：
如图6所示，通过串联多个模块实现液滴/气泡乳化器的放大过程，负责运输微液滴/气泡的连续相通过管道入口16，被运送到各个模块下方/上方。微液滴/气泡在液滴/气泡乳化腔内生成后，在重力/浮力作用下进入下方/上方的微液滴运输通道5。当微液滴/气泡达到一定数目后，通过微液滴/气泡的排出口17排出装置，进入微液滴/气泡的收集和存贮设备。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种台阶式微流控液滴或气泡乳化模块，其特征在于，该模块由上部分散相运输管道(1)和连续相运输管道(2)、中部液滴/气泡乳化腔(6)、下部微液滴/气泡运输通道(5)构成；分散相通过中间的分散相运输管道(1)进入液滴/气泡乳化腔(6)内的液滴/气泡乳化器(4)，连续相通过连续相运输管道(2)进入液滴/气泡乳化腔(6)，分散相在液滴/气泡乳化器(4)内完成液滴/气泡的乳化过程，生成微液滴/气泡；微液滴/气泡运输通道(5)与液滴/气泡乳化腔(6)相联通，液滴/气泡乳化腔(6)内生成的微液滴和连续相运输管道(2)内的连续相一同流入微液滴/气泡运输通道(5)；所述液滴/气泡乳化器(4)由圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器的上盖板(8)与多个圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器(10)层叠而成；分散相通过液滴/气泡乳化器内分散相运输通道(7)向各圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器(10)内运输流体；分散相回压管道(9)与上端液滴/气泡乳化器内分散相运输通道(7)相连通，缓解液滴/气泡乳化器(4)内分散相压力分布不均的情况。
2.根据权利要求1所述台阶式微流控液滴或气泡乳化模块，其特征在于，所述圆盘型台阶式液滴/气泡乳化器(10)由液滴/气泡乳化器内分散相运输通道(7)向圆盘型液滴/气泡乳化器空腔(11)内输送分散相，该乳化器由上盖板(8)实现腔体的密封；同时，腔体内刻蚀有环形凹槽(12)，数目众多的楔形渐扩式台阶通道(13)通过环形阵列的方式均匀分布在圆盘型液滴/气泡乳化器四周。
3.根据权利要求2所述台阶式微流控液滴或气泡乳化模块，其特征在于，所述楔形渐扩式台阶通道(13)由分散相进样微通道(14)和楔形渐扩式空腔结构( 15) 构成。
4.根据权利要求1-3任意一项权利要求所述台阶式微流控液滴或气泡乳化模块，其特征在于，所述模块串联多个，实现液滴/气泡乳化器的放大过程，负责运输微液滴/气泡的连续相通过管道入口(16)，被运送到各个模块下方/上方；微液滴/气泡在液滴/气泡乳化腔内生成后，在重力/浮力作用下进入下方/上方的微液滴/气泡运输通道(5)；当微液滴/气泡达到一定数目后，通过微液滴/气泡的排出口(17)排出装置，进入微液滴/气泡的收集和存贮设备。
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