CN112138734B - 液滴的产生方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液滴的产生方法及装置，所述的液滴的产生方法包括以下步骤：(A1)获得毛细管的初始参数，所述初始参数包括毛细管相对基材的倾斜角度；(A2)利用映射关系获得与目标液滴半径对应的目标参数，所述映射关系为液滴半径和控制参数间的对应关系；所述控制参数包括毛细管相对基材的倾斜角度和毛细管内液体的流速；(A3)将所述毛细管的初始参数调整到所述目标参数；(A4)所述毛细管的底端处的液体接触所述基材，毛细管内的液体向下流动；(A5)所述毛细管的底端上移以脱离所述基材，液滴形成在所述基材上。本发明具有精度高、效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及液体控制，特别涉及液滴的产生方法及装置。
背景技术
细胞是组成生命体的基本单元，了解复杂多变环境中单个细胞各个阶段的变化以及行为，需要单细胞分析的方法。质谱是一种多组分同时分析的方法，依据细胞中各种成分的分子量不同，在质谱中能够形成按照质量数排列的谱峰，进一步通过多级质谱分析，即可获得细胞中各种成分的分子信息。由于质谱法无需标记，不需要事先获知待测分子的信息，因此，能够对细胞中各种未知成分进行快速鉴定，获得细胞中蛋白质乃至小分子代谢物的组学信息。此外，质谱能够容易地获得各组分分子的同位素信息，采用同位素内标和稀释技术，可以实现细胞中各种待测分子的精准定量。因此，质谱单细胞分析最近受到高度重视，被认为在单细胞的组学分析研究中将会发挥重要作用。
单细胞质谱借助于显微镜，通过微操作系统操控毛细管针获取有效物质，再利用高电压电，将毛细针头中的有效物质送入质谱仪，进而得到所需数据。
由于单细胞的直径在几十到几百纳米之间，液液萃取是较为常见且有效的萃取方法。液液萃取较为常用的方法为微流控及毛细针产生单液滴。微流控芯片通道的设计限制萃取液滴在通道两侧的腔室中无法释放，使得检测方法局限于光学方法，难以给出目标物质更进一步的详细信息。或者液滴是栓塞型，液滴的比表面积较小，不利于液液萃取。利用毛细针产生单液滴的点样针对于毛细针的直径、溶液的表面张力等都是预估出来的，无法做到精确得到皮升级的单液滴。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种高效率、高精度的液滴的产生方法，实现了皮升级液滴的准确产生。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
液滴的产生方法，所述液滴的产生方法包括以下步骤：
(A1)获得毛细管的初始参数，所述初始参数包括毛细管相对基材的倾斜角度；
(A2)利用映射关系获得与目标液滴半径对应的目标参数，所述映射关系为液滴半径和控制参数间的对应关系；所述控制参数包括毛细管相对基材的倾斜角度和毛细管内液体的流速；
(A3)将所述毛细管的初始参数调整到所述目标参数；
(A4)所述毛细管的底端处的液体接触所述基材，毛细管内的液体向下流动；
(A5)所述毛细管的底端上移以脱离所述基材，液滴形成在所述基材上。
本发明的另一目的在于提供了实施上述产生方法的液滴的产生装置，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
液滴的产生装置，所述液滴的产生装置包括：
毛细管，所述毛细管两端开口，内部中空，适于容纳液体；
检测单元，所述检测单元用于获得所述毛细管的初始参数，所述初始参数包括毛细管相对基材的倾斜角度；
驱动单元，所述毛细管在所述驱动单元作用下，在三个维度方向上移动以及旋转；
基材，所述基材用于承载液滴。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.液滴半径控制精度高；
通过建立液滴半径与控制参数间准确的映射关系，通过调整控制参数以获得满足要求的目标液滴半径，提高了液滴半径的控制精度；
利用全息法高精度地获得毛细管的尺寸以及相对基材的倾斜角度，进一步地提高了液滴半径的控制精度；
液滴产生后的检测和反馈，进一步地提高了液滴半径的控制精度；
2.液滴产生效率高；
利用驱动单元高效地调整毛细管的参数，如倾斜角度，并驱动毛细管移动，提高了液滴产生效率；
3.实现了皮升级液滴的产生；
毛细管内外壁的疏水处理以及基材的亲水处理，有效地降低了液滴的尺寸，实现了皮升级液滴的产生。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的液滴的产生方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的毛细管的剖视示意图。
具体实施方式
图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例1的液滴的产生方法的流程图，如图1所示，所述液滴的产生方法包括以下步骤：
(A1)获得毛细管的初始参数，所述初始参数包括毛细管相对基材的倾斜角度；
图2示意性地给出了毛细管的剖视结构图，如图2所示，所述毛细管为两端开口的中空结构，毛细管内的液面水平，悬空的毛细管内的液体在不受外力时是不会滴落的；
是毛细管的中心轴线与内表面的母线间的夹角，θ是所述母线与毛细管内部液面间夹角的最大值；
(A2)利用映射关系获得与目标液滴半径对应的目标参数，所述映射关系为液滴半径和控制参数间的对应关系；所述控制参数包括毛细管相对基材的倾斜角度和毛细管内液体的流速，所述目标参数均属于控制参数，但数量不大于控制参数的数量；
(A3)将所述毛细管的初始参数调整到所述目标参数；
(A4)所述毛细管的底端处的液体接触所述基材，毛细管内的液体在外力驱动(与流速系数相对应)下向下流动；
(A5)所述毛细管的底端上移以脱离所述基材，液滴形成在所述基材上。
为了提高液滴半径的控制精度，进一步地，步骤(A4)具体为：
将所述毛细管水平平移至目标区域，向下移动所述毛细管，使得所述毛细管的底端处的液体接触所述基材。
为了提高液滴半径的控制精度，进一步地，步骤(A5)具体为：
旋转所述毛细管，并向上移动毛细管。
为了精确地获得与目标液滴高度匹配的液滴，进一步地，所述映射关系为：
为了精确地获得初始参数等参数，进一步地，利用全息法获得所述初始参数，所述初始参数还包括所述毛细管内液位、在液位处的内径、液位相对毛细管底端的距离以及毛细管底端的内径。
为了判断获得的液滴是否与目标液滴匹配，进一步地，所述液滴的产生方法还包括步骤：
(A6)检测所述基材上的液体，并判断是否符合目标液滴半径；
若不符合，返回到步骤(A2)；
若符合，进入下一步骤。
为了提高液滴产生的效率，进一步地，所述的液滴的产生方法还包括：
从步骤(A6)返回到步骤(A2)时，所述映射关系变化为：
Rn+1为液滴半径，
rinit为所述毛细管在内部初始液位时的内径，hinit为毛细管内初始液位与底端的距离。
为了确保获得与目标液滴高度匹配的液滴，进一步地，在步骤(A4)-步骤(A5)中，所述毛细管相对基材的倾斜角度不变。
为了准确地形成与目标液滴匹配的液滴，以及提高液滴产生效率，进一步地，所述毛细管的处理方式为：
毛细管依次在8％～12％的NaOH溶液和Piranha溶液中浸泡2～10分钟；
毛细管在18％～22％的二氯二甲基硅烷的乙醇溶液中浸泡1～2小时；
清洗毛细管，在100～150度下加热毛细管30～60分钟；或者，所述基材的处理方式为：
将硅溶胶和磺酸基修饰的纳米二氧化硅溶液按比例混合均匀后，涂覆在基材表面上，在100～150度下加热30～60分钟。
本发明实施例的液滴的产生装置，也即用于实施本实施例的液滴的产生方法的装置，所述液滴的产生装置包括：
毛细管，如图2所示，所述毛细管两端开口，内部中空，适于容纳液体；
检测单元，所述检测单元用于获得所述毛细管的初始参数，所述初始参数包括毛细管相对基材的倾斜角度；
驱动单元，所述毛细管在所述驱动单元作用下，在三个维度方向上移动以及旋转；
基材，所述基材用于承载液滴。
为了准确地检测所述毛细管的初始参数，如毛细管底端的内径、毛细管内初始液位处的内径、毛细管内初始液位与毛细管底端间的距离、毛细管相对基材的倾斜角度等，进一步地，所述检测单元采用全息装置，所述全息检测仪包括：
激光器(He-Ne激光器，波长为632nm，最大输出功率为3mW)发出的激光束，经扩束准直系统BE后成为平面光；该平面光经反射镜形成平行于物镜中心光轴的光，经过分束器BS1分为两束，其中一束透过毛细针(出厂参数：内径5±0.1μm)与基材，成为携带毛细针信息的物光波；另一束作为平面参考光，经平面镜M2，与合束器BS2进入CCD(1024*1024pixel，1μm*1μm)，并在CCD靶面上形成干涉图样，即全息图。
为了形成与目标液滴匹配的液滴，进一步地，所述毛细针内壁及外壁皆涂覆有疏水层，如使用硫酸和双氧水浸泡，若未达到理想效果，接着用十八烷基甲氧基硅烷浸泡；或者真空等离子纳米涂层。
所述基材可以为载玻片、微流控芯片等，表面具有亲水层，亲水层的制备可以采用溶胶凝脂法、电化学方法或特殊浸润性表面等。
为了判断获得的液滴是否符合预期(目标液滴)，进一步地，所述液滴的产生装置还包括：
传感器，所述传感器用于获得液滴的质量、大小等参数；所述传感器可以为压力传感器、重力传感器、液体质量传感器等。
实施例2：
根据本发明实施例1的液滴的产生方法及装置在单细胞检测中的应用例。
在本应用例中，毛细管的内壁和外壁处理方式为：将毛细管依次浸泡在8％～12％的NaOH溶液和Piranha溶液中各2～10分钟，接着将毛细管浸泡在18％～22％的二氯二甲基硅烷的乙醇溶液中1～2小时，清水清洗干净，接着为除去应力，将毛细管放置在100～150度的烤箱烘烤30～60分钟，。
基材表面的处理方式为：
将硅溶胶和磺酸基修饰的纳米二氧化硅溶液按一定比例(优选1:16)混合均匀后，涂覆在基材表面上，100～150度的烤箱烘烤30～60分钟；基材表面的玻片系数k1＝0.89。
利用激光全息检测仪获得毛细管的初始参数，初始参数包括：毛细管底端的内径r0、毛细管内初始液位处的内径r、毛细管内初始液位与毛细管底端间的距离h、毛细管相对基材的倾斜角度；
传感器采用压力传感器，通过检测压力而获知液滴的质量，从而换算为液滴的体积(半径)，进而判断是否满足预期(目标液滴)。
本发明实施例的液滴的产生方法，包括以下步骤：
(A1)利用全息检测仪获得毛细管的初始参数，所述初始参数包括：毛细管底端的内径r0＝1.5μm、毛细管内初始液位处的内径r＝2.55μm、毛细管内初始液位与毛细管底端间的距离h＝1.2cm、毛细管相对基材的倾斜角度48度；
为3.6度；
(A2)利用如下映射关系获得与目标液滴半径(目标液滴体积为300pL，直径R＝6.694μm)对应的目标参数：流速系数k2＝1.05、θ为120度；
(A3)将所述毛细管的初始参数调整到所述目标参数，如调整毛细管对应基材的倾斜角度，使得θ为120度；调节毛细管内液体的推动力，使得流速系数k2＝1.05；
(A4)将所述毛细管水平平移至目标区域，之后向下移动所述毛细管，使得所述毛细管的底端处的液体接触所述基材，毛细管内的液体在外力驱动(与流速系数相对应)下向下流动；
(A5)旋转所述毛细管，并向上移动毛细管，使得所述毛细管的底端上移以脱离所述基材，液滴形成在所述基材上；
在步骤(A4)和步骤(A5)中，毛细管的水平平移、上下移动中，毛细光相对基材的倾斜角度不变；
(A6)利用压力传感器检测所述基材上的液体，并判断是否符合目标液滴半径；
若不符合，如质量偏离目标液滴，则返回到步骤(A2)，直至满足符合预期；
若符合，进入下一步骤；
本应用例中，初次单液滴经传感器测量大小为319.172pL，即R0＝6.834μm；第二次单液滴大小为322.264pL，即直径R1＝6.856μm；第三次单液滴大小为329.224pL，即直径R2＝6.905μm；偏差阈值设定为20pL，可知，初次液滴满足预期，第二次和第三次不满足预期，须返回到步骤(A2)，映射关系调整为：
利用该映射关系调整参数，获得目标参数：流速系数k2＝1.03，θ为118度；
利用调整后的参数获得的液滴如下：第四次单液滴大小为302.247pL，即直径R3＝6.711μm；第五次单液滴大小为297.008pL，即R4＝6.672μm；第六次单液滴大小为288.673pL，即R5＝6.609μm；第七次单液滴大小为297.676pL，即R6＝6.677μm；明显地，这些液滴是满足预期的。
Claims (8)
1.液滴的产生方法，所述液滴的产生方法包括以下步骤：
(A1)获得毛细管的初始参数，所述初始参数包括毛细管相对基材的倾斜角度；
(A2)利用映射关系获得与目标液滴半径对应的目标参数，所述映射关系为液滴半径和控制参数间的对应关系；所述控制参数包括毛细管相对基材的倾斜角度和毛细管内液体的流速；
所述映射关系为，
R为滴液半径，k1为所述基材的玻片系数，k2为流速系数，β为所述液体的表面张力系数，r0为所述毛细管底端的内径，ρ为所述液体的密度，g为重力加速度，r为所述毛细管的在内部液位处的内径，h为所述液位到所述毛细管底端的距离，p0是大气压强，
是毛细管的中心轴线与内表面的母线间的夹角，θ是所述母线与毛细管内部液面间夹角的最大值；
(A3)将所述毛细管的初始参数调整到所述目标参数；
(A4)所述毛细管的底端处的液体接触所述基材，毛细管内的液体向下流动；
(A5)所述毛细管的底端上移以脱离所述基材，液滴形成在所述基材上。
2.根据权利要求1所述的液滴的产生方法，其特征在于，步骤(A4)具体为：
将所述毛细管水平平移至目标区域，向下移动所述毛细管，使得所述毛细管的底端处的液体接触所述基材。
3.根据权利要求1所述的液滴的产生方法，其特征在于，步骤(A5)具体为：
旋转所述毛细管，并向上移动毛细管。
4.根据权利要求1所述的液滴的产生方法，其特征在于，利用全息法获得所述初始参数，所述初始参数还包括所述毛细管内液位、在液位处的内径、液位相对毛细管底端的距离以及毛细管底端的内径。
5.根据权利要求1所述的液滴的产生方法，其特征在于，所述液滴的产生方法还包括步骤：
(A6)检测所述基材上的液体，并判断是否符合目标液滴半径；
若不符合，返回到步骤(A2)；
若符合，进入下一步骤。
6.根据权利要求5所述的液滴的产生方法，其特征在于，从步骤(A6)返回到步骤(A4)时，所述映射关系调整为：
Rn+1为液滴的半径，
rinit为所述毛细管在内部初始液位时的内径，hinit为毛细管内初始液位与底端的距离。
7.根据权利要求1所述的液滴的产生方法，其特征在于，在步骤(A4)-步骤(A5)中，所述毛细管相对基材的倾斜角度不变。
8.根据权利要求1所述的液滴的产生方法，其特征在于，所述毛细管的处理方式为：
毛细管依次在8％～12％的NaOH溶液和Piranha溶液中浸泡2～10分钟；
毛细管在18％～22％的二氯二甲基硅烷的乙醇溶液中浸泡1～2小时；
清洗毛细管，在100～150度下加热毛细管30～60分钟；或者，所述基材的处理方式为：
将硅溶胶和磺酸基修饰的纳米二氧化硅溶液按比例混合均匀后，涂覆在基材表面上，在100～150度下加热30～60分钟。
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