CN111889156A - 微液滴生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微液滴生成装置，包括控制模块、供气模块、芯片移动模块及气压调节模块等，供气模块中具有气瓶，气压调节模块中具有气腔，气瓶上设有用于实时监测气瓶中气体压力的第一压力传感器，气腔上设有用于实时监测其内气体压力的第二压力传感器，气腔的气路输出侧设有并联的油相电磁阀与水相电磁阀，控制模块被配置成能够依据第一压力传感器及第二压力传感器实时监测的压力值，并在压力值超出压力预设阈值范围时，控制泄气阀或者油相电磁阀、水相电磁阀产生泄气动作。本发明的微液滴生成装置，能够对气路中的气体压力实现二次实时监测与稳压调控，防止气体压力波动过大，进而保证微液滴生成的稳定性。

Description

微液滴生成装置

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种微液滴生成装置。

背景技术

微液滴微流控(droplet-based microfluidics)是近年来在微流控芯片上发展起来的一种操控微小体积液体的技术。微液滴技术是在微尺度通道内，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米级及以下体积的液滴的一种微纳技术。

迄今为止，微液滴类型主要有气-液相液滴和液-液相液滴两种。气-液相液滴由于容易在微通道中挥发和造成交叉污染而限制了其应用。液-液相液滴根据连续相和分散相的不同又分为水包油(O/W)、油包水(W/O)、油包水包油(O/W/O)以及水包油包水(W/O/W)等，其可以克服液滴挥发、交叉污染等缺点，因而是微流控液滴技术发展的侧重所在。其中，油包水(W/O)微液滴生成原理为：将两种互不相溶的液体，例如一种为油相、另一种为水相，油相和水相同时进入微通道后，在微通道的作用下，水相以微小体积(10^-15～10^-9L)模块的形式分布于油相中，形成一系列离散的微液滴。每个液滴作为一个微反应器，完成一组化学或生物反应。微液滴用于筛选具有如下优点：

1)样品消耗极微，大大降低筛选成本；

2)生成的微液滴尺寸范围较广、大小可控、单分散性较好，且对壁面材料润湿性要求不高而受到广泛的关注以及应用；

3)液滴被油包裹，与外界无物质交换，液滴内的反应条件稳定，结果可靠。

因此在药物筛选、微纳米材料合成、酶反应分析等方面具有重要及广泛的应用前景。

对于微流控芯片而言，其生成的微液滴的数目、尺寸以及均一性是衡量该微流控芯片性能指标的重要参数。现有的微流控芯片多采用的是微注射泵的控制方式，由于现有的微注射泵的气压控制精度有限，生成的微液滴合格率相对较低，因此，只通过控制微注射泵生成的微液滴已不能满足日益高标准的实验需求，基于现有技术的前述不足提出本发明。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种微液滴生成装置，其供气模块以及气腔皆设有压力传感器，能够对气路中的气体压力实现二次实时监测与稳压调控，防止气体压力波动过大，进而保证微液滴生成的稳定性。

为了解决上述问题，本发明提供一种微液滴生成装置，包括控制模块、供气模块以及与所述供气模块形成可选择性连通的多个气压调节模块，所述供气模块中具有气瓶，所述气压调节模块中具有气腔，所述气瓶具有与气泵连通的供气管、与所述气腔气路选择性连通的出气管以及与泄气阀连通的泄气管，所述气瓶上设有用于实时监测所述气瓶中气体压力的第一压力传感器，所述气腔上设有用于实时监测其内气体压力的第二压力传感器，所述气腔的气路输出侧设有并联的油相电磁阀与水相电磁阀，所述控制模块被配置成能够依据所述第一压力传感器及第二压力传感器实时监测的压力值，并在所述压力值超出压力预设阈值范围时，控制所述泄气阀或者油相电磁阀、水相电磁阀产生泄气动作。

优选地，所述控制模块还被配置成在所述压力值低于压力预设阈值范围时，控制所述气泵运转，或者控制所述油相电磁阀、水相电磁阀连通所述气腔与处于其气路下游的芯片模块。

优选地，所述气泵的进气口设有空气过滤器，和/或，所述气泵与所述气瓶的供气管之间设有单向阀。

优选地，所述芯片模块包括多个并列设置的芯片本体，所述芯片本体上构造有储液部、微液滴生成部、收集部，其中所述储液部包括油相储液槽以及水相储液槽，所述油相储液槽以及水相储液槽分别通过所述油相电磁阀、水相电磁阀与所述气腔选择性连通，在所述气腔中的压力气体的作用下，所述油相储液槽中的油相与所述水相储液槽中的水相在所述微液滴生成部处生成微液滴并被输送至所述收集部中。

优选地，所述芯片本体上具有气密垫，所述气密垫对应环绕设置于所述油相储液槽以及水相储液槽的槽口周围，以使每个所述油相储液槽、水相储液槽彼此相互密封独立。

优选地，所述收集部包括收集管以及盖设于所述收集管上的密封盖。

优选地，所述微液滴生成部包括十字端口，所述十字端口包括对应于所述油相储液槽的两个油相端口、对应于所述水相储液槽的水相端口、对应于所述收集部的输出端口，所述输出端口通过沟道与所述收集部连通。

优选地，所述微液滴生成装置还包括芯片移动模块，所述控制模块还被配置成控制所述芯片移动模块移动至微液滴生成位置。

优选地，所述芯片移动模块包括动力模块及芯片从动模块，所述动力模块在所述控制模块的控制下带动所述芯片从动模块产生对应运动。

优选地，所述气压调节模块还具有气腔连通电磁阀，所述气腔连通电磁阀处于所述气瓶的出气管与所述气腔之间的管路上。

本发明提供的一种微液滴生成装置，通过所述第一压力传感器以及第二压力传感器分别对所述气瓶、气腔中的压力气体的压力实现实时监测，并在对应部位处的气体压力超出相应的预设阈值范围时，控制所述泄气阀及时泄气或者控制所述油相电磁阀、水相电磁阀泄气也即产生泄气动作，进而保证所述微液滴生成装置中的压力气体的压力不超出预设阈值范围，通过两侧的压力实时监测与调整防止压力气体压力波动过大，进而精准的控制试剂在微液滴生成部的进样速率，保证微液滴生成的稳定性、实现高精度的自动化操作，保证了生成的各组待检微液滴均呈相互离散的状态，节约了试剂的使用量。

附图说明

图1为本发明实施例的微液滴生成装置的系统结构示意图；

图2为图1中供气模块的连接结构示意图；

图3为本发明实施例中的芯片本体的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例中的芯片本体的仰视结构示意图；

图5为本发明实施例中的芯片本体的微液滴生成过程示意图。

附图标记表示为：

1、控制模块；11、指令输出模块；12、气路控制模块；13、传动控制模块；2、气路模块；21、供气模块；211、空气过滤器；212、气泵；213、单向阀；214、气瓶；215、泄气阀；216、第一压力传感器；22、气压调节模块；221、第二压力传感器；222、气腔；223、气腔连通电磁阀；224、油相电磁阀；225、水相电磁阀；3、芯片移动模块；31、动力模块；32、芯片从动模块；4、芯片模块；41、芯片本体；411、储液部；4111、油相储液槽；4112、水相储液槽；412、微液滴生成部；4121、十字端口；413、收集部。

具体实施方式

结合参见图1至图5所示，根据本发明的实施例，提供一种微液滴生成装置，包括控制模块1、供气模块21以及与所述供气模块21形成可选择性连通的多个气压调节模块22(共同构成气路模块2)，所述供气模块21中具有气瓶214，所述气压调节模块22中具有气腔222，所述气瓶214具有与气泵212连通的供气管、与所述气腔222气路选择性连通的出气管以及与泄气阀215连通的泄气管，所述气瓶214上设有用于实时监测所述气瓶214中气体压力的第一压力传感器216，所述气腔222上设有用于实时监测其内气体压力的第二压力传感器221，所述气腔222的气路输出侧设有并联的油相电磁阀224与水相电磁阀225，所述控制模块1被配置成能够依据所述第一压力传感器216及第二压力传感器221实时监测的压力值，并在所述压力值超出压力预设阈值范围时，控制所述泄气阀215或者油相电磁阀224、水相电磁阀225产生泄气动作。该技术方案中，通过所述第一压力传感器216以及第二压力传感器221分别对所述气瓶214、气腔222中的压力气体的压力实现实时监测，并在对应部位处的气体压力超出相应的预设阈值范围时，控制所述泄气阀215及时泄气或者控制所述油相电磁阀224、水相电磁阀225泄气也即产生泄气动作，进而保证所述微液滴生成装置中的压力气体的压力不超出预设阈值范围，通过两侧的压力实时监测与调整防止压力气体压力波动过大，进而精准的控制试剂在微液滴生成部的进样速率，保证微液滴生成的稳定性、实现高精度的自动化操作，保证了生成的各组待检微液滴均呈相互离散的状态，节约了试剂的使用量。

进一步的，所述控制模块1还被配置成在所述压力值低于压力预设阈值范围时，控制所述气泵212运转，或者控制所述油相电磁阀224、水相电磁阀225连通所述气腔222与处于其气路下游的芯片模块4。该技术方案中，通过所述第一压力传感器216及第二压力传感器221实时监测所述气瓶214及气腔222中的压力气体的压力值并在其低于所述预设阈值范围时控制所述气泵212运转或者控制所述油相电磁阀224、水相电磁阀225连通所述气腔222与处于其气路下游的芯片模块4以保证相应部位的压力值能够满足要求，这能够进一步保证压力气体的压力稳定性、防止压力波动过大，也即保证压力气体始终处于所述预设阈值范围内，进而进一步保证微液滴生成的稳定性，进而保证生成的微液滴大小更加均一且不易破碎。

具体的，如图1所示，所述控制模块1包括指令输出模块11、气路控制模块12以及传动控制模块13，其所述指令输出模块11输出相应控制指令进而通过所述气路控制模块12以及传动控制模块13实现对所述微液滴生成装置中的各个电磁阀进行通断控制以及芯片移动模块3等实现位置的控制。

最好的，所述气泵212的进气口设有空气过滤器211，以对进入所述气泵212中的空气中的杂质实现过滤，和/或，所述气泵212与所述气瓶214的供气管之间设有单向阀213，防止所述气泵212中的压力气体回流泄气。

作为所述芯片模块4的一种具体实施方式，如图3-5所示，所述芯片模块4包括多个并列设置的芯片本体41，所述芯片本体41上构造有储液部411、微液滴生成部412、收集部413，其中所述储液部411包括油相储液槽4111以及水相储液槽4112，所述油相储液槽4111以及水相储液槽4112分别通过所述油相电磁阀224、水相电磁阀225与所述气腔222选择性连通，在所述气腔222中的压力气体的作用下，所述油相储液槽4111中的油相与所述水相储液槽4112中的水相在所述微液滴生成部412处生成微液滴并被输送至所述收集部413中。将所述油相储液槽4111以及水相储液槽4112同时设置于所述芯片本体上，并通过对应的与所述油相电磁阀224、水相电磁阀225连通，进而实现了微液滴生成过程的全自动化操作。

进一步的，所述芯片本体41上具有气密垫，所述气密垫对应环绕设置于所述油相储液槽4111以及水相储液槽4112的槽口周围，以使每个所述油相储液槽4111、水相储液槽4112彼此相互密封独立；更进一步的，所述收集部413包括收集管以及盖设于所述收集管上的密封盖，所述微液滴生成部412包括十字端口4121，所述十字端口4121包括对应于所述油相储液槽4111的两个油相端口、对应于所述水相储液槽4112的水相端口、对应于所述收集部413的输出端口，所述输出端口通过沟道(处于所述芯片本体41的内部，其可以通过胶粘合形成，因此也具备密封性)与所述收集部413连通。如此，保证了所述微液滴的生成过程处于一个相对密闭的空间内，样本试剂从储液部411到微液滴生成部412生成液滴，再到收集部413均是密闭环境下工作，有效的避免发生液滴易挥发、交叉污染等问题。

优选地，所述微液滴生成装置还包括芯片移动模块3，所述控制模块1还被配置成控制所述芯片移动模块3移动至微液滴生成位置。具体的，所述芯片移动模块3包括动力模块31及芯片从动模块32，所述动力模块31在所述控制模块1的控制下带动所述芯片从动模块32产生对应运动，例如，控制模块1根据芯片模块4下一步的反馈，控制动力模块31的电机进行运动，同时芯片从动模块32从动运动到相应位置，此过程中可以控制储液部411和油相电磁阀224、水相电磁阀225的闭合和断开，运动过程中精度高、调节适应性强，可以快速集成多个，满足不同需求场景。

优选地，所述气压调节模块22还具有气腔连通电磁阀223，所述气腔连通电磁阀223处于所述气瓶214的出气管与所述气腔222之间的管路上，以实现所述控制模块1对所述气瓶214与所述气腔222的连通控制，而在每个所述气压调节模块22中分别对应设置相应的气腔连通电磁阀223则能够保证对各个气压调节模块22的单独控制。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上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。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微液滴生成装置，包括控制模块(1)、供气模块(21)以及与所述供气模块(21)形成可选择性连通的多个气压调节模块(22)，其特征在于，所述供气模块(21)中具有气瓶(214)，所述气压调节模块(22)中具有气腔(222)，所述气瓶(214)具有与气泵(212)连通的供气管、与所述气腔(222)气路选择性连通的出气管以及与泄气阀(215)连通的泄气管，所述气瓶(214)上设有用于实时监测所述气瓶(214)中气体压力的第一压力传感器(216)，所述气腔(222)上设有用于实时监测其内气体压力的第二压力传感器(221)，所述气腔(222)的气路输出侧设有并联的油相电磁阀(224)与水相电磁阀(225)，所述控制模块(1)被配置成能够依据所述第一压力传感器(216)及第二压力传感器(221)实时监测的压力值，并在所述压力值超出压力预设阈值范围时，控制所述泄气阀(215)或者油相电磁阀(224)、水相电磁阀(225)产生泄气动作。

2.根据权利要求1所述的微液滴生成装置，其特征在于，所述控制模块(1)还被配置成在所述压力值低于压力预设阈值范围时，控制所述气泵(212)运转，或者控制所述油相电磁阀(224)、水相电磁阀(225)连通所述气腔(222)与处于其气路下游的芯片模块(4)。

3.根据权利要求2所述的微液滴生成装置，其特征在于，所述气泵(212)的进气口设有空气过滤器(211)，和/或，所述气泵(212)与所述气瓶(214)的供气管之间设有单向阀(213)。

4.根据权利要求2所述的微液滴生成装置，其特征在于，所述芯片模块(4)包括多个并列设置的芯片本体(41)，所述芯片本体(41)上构造有储液部(411)、微液滴生成部(412)、收集部(413)，其中所述储液部(411)包括油相储液槽(4111)以及水相储液槽(4112)，所述油相储液槽(4111)以及水相储液槽(4112)分别通过所述油相电磁阀(224)、水相电磁阀(225)与所述气腔(222)选择性连通，在所述气腔(222)中的压力气体的作用下，所述油相储液槽(4111)中的油相与所述水相储液槽(4112)中的水相在所述微液滴生成部(412)处生成微液滴并被输送至所述收集部(413)中。

5.根据权利要求4所述的微液滴生成装置，其特征在于，所述芯片本体(41)上具有气密垫，所述气密垫对应环绕设置于所述油相储液槽(4111)以及水相储液槽(4112)的槽口周围，以使每个所述油相储液槽(4111)、水相储液槽(4112)彼此相互密封独立。

6.根据权利要求4所述的微液滴生成装置，其特征在于，所述收集部(413)包括收集管以及盖设于所述收集管上的密封盖。

7.根据权利要求4所述的微液滴生成装置，其特征在于，所述微液滴生成部(412)包括十字端口(4121)，所述十字端口(4121)包括对应于所述油相储液槽(4111)的两个油相端口、对应于所述水相储液槽(4112)的水相端口、对应于所述收集部(413)的输出端口，所述输出端口通过沟道与所述收集部(413)连通。

8.根据权利要求1所述的微液滴生成装置，其特征在于，还包括芯片移动模块(3)，所述控制模块(1)还被配置成控制所述芯片移动模块(3)移动至微液滴生成位置。

9.根据权利要求8所述的微液滴生成装置，其特征在于，所述芯片移动模块(3)包括动力模块(31)及芯片从动模块(32)，所述动力模块(31)在所述控制模块(1)的控制下带动所述芯片从动模块(32)产生对应运动。

10.根据权利要求1所述的微液滴生成装置，其特征在于，所述气压调节模块(22)还具有气腔连通电磁阀(223)，所述气腔连通电磁阀(223)处于所述气瓶(214)的出气管与所述气腔(222)之间的管路上。

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