CN112191285B - 一种基于微流控技术的金属微液滴制备装置 - Google Patents

一种基于微流控技术的金属微液滴制备装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微流控技术的金属微液滴制备装置，包括基底、微通道、盖板、金属液滴；微通道设置在基底上；基底与盖板之间密封；微通道包括储液池、第一毛细阀、第七直通道、第二毛细阀、收集池、第三毛细阀、第三毛细阀、导气通道；所述导气通道包括第一直通道、第四直通道、第五直通道、第六直通道；第二毛细阀另一端与收集池相连；第二毛细阀与第七直道的交汇处与第六直通道相连；收集池与第一直通道相连，第一直通道与第四直通道相连；第六直通道与第五直通道连接，第四直通道与第三毛细阀、第五直通道连通；本发明可实现对金属微液滴的精确制取控制。

Description

一种基于微流控技术的金属微液滴制备装置
技术领域
本发明属于微流控芯片技术和微尺度材料制备领域，特别是一种基于微流控技术的金属微液滴制备装置。
背景技术
微流控技术(Microfluidic Technology)作为一种在微观尺寸下操控微量流体的技术，是一门涉及微电子、微机械、流体物理、材料、生物、化学、生物医学工程的新兴交叉学科。液态金属(LM)的微液滴由于其优异的性能已被广泛用于微流控，载药纳米系统和微纳米机器中。然而，由于大的界面张力，到目前为止在金属微液滴的精准控制方面尚存一定的不确定性，例如：如何实现液滴大小、数量的精准控制，简化器件封装等等。当前微液滴的制备主要是面对表面张力较小的液滴，如水滴，油。通道液滴是当前液滴技术的主流，作为通道液滴主流生成方法的水动力法又可细分为T型结构法、流动聚焦法和毛细管流动共聚焦法。该液滴制取设备复杂，往往需要提供额外的能量设备，不符合简洁快速制取液滴的趋势，且该设备不能对高表面张力的金属液滴实现精确制取。
2018年的Sen Chen等在science china materials 62，407-415(2019)Controllable dispersion and reunion of liquid metal droplets论文中提出了液态金属的可控操作性。通过控制振动频率可以调节金属微滴的尺寸分布。它是通过调节振动频率和振幅，可以切换金属液滴的分散和团聚。该液滴是通过振动频率生成，不能实现金属液滴体积的精准控制。
2019年，香港中文大学的王玉烨等人在Lab on chip，2019，19，3870-3879acentrifugal microfluidic pressure regulator scheme for continuousconcentration control in droplet-based microreactors论文中设计了一款利用离心作用力可分离微小液滴的装置。该装置可通过调节离心转盘转速来控制生成微液滴，验证了利用离心力控制生成微液滴的可行性。但是，该装置通过采用系列毛细管来实现液滴生成，对微小液滴的体积不能实现控制，且该设备只能用于制取水乳液等类型，对于像表面张力大的金属液滴如汞，镓合金，水银坨合金等，则无法实现精确制取。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微流控技术的金属微液滴制备装置，通过在基底上刻蚀微米级别的微通道和各类微小毛细阀，在惯性力作用下利用毛细阀和微通道实现对金属微液滴的精确制取控制。为微金属液滴定量提取提供了可能，拓宽了微金属液滴的应用范围。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于微流控技术的金属微液滴制备装置，包括基底、微通道、盖板、金属液滴；所述微通道设置在基底上；所述基底与盖板之间密封；
所述微通道包括储液池、第一毛细阀、第七直通道、第二毛细阀、收集池、第三毛细阀、第三毛细阀、导气通道；所述导气通道包括第一直通道、第四直通道、第五直通道、第六直通道；
所述第二毛细阀另一端与收集池一端相连；第二毛细阀与第七直道的交汇处与第六直通道相连；所述收集池另一端与第一直通道一端相连，第一直通道另一端通过中间连接通道与第四直通道相连；所述第六直通道与第五直通道之间过渡连接，所述第四直通道与第三毛细阀、第五直通道连通；所述第一直通道流向平行于第七直通道；所述第六直通道流向垂直于第一直通道，第五直通道流向平行于第七直通道。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明采用毛细管系列装置生成微液滴，将制备金属微液滴的装置集成在基底上，通过调节基底上微结构通道的宽窄来实现控制毛细阀突破阈值和液滴收集池大小，实现对微金属液滴制取控制。
(2)本发明的金属微液滴制取装置，将微流控被动驱动技术中毛细压强原理应用于金属液滴制取，实现制取后其余金属液滴可恢复性。
(3)本发明的金属微液滴制取装置，通过密封槽结构，实现了基底和盖片的可靠密封性。
附图说明
图1为制取微液滴装置的三维示意图。
图2为基底内刻蚀出的微通道的结构示意图。
图3为基底内刻蚀出的微通道的结构标注示意图。
图4为初始状态下工作流体位置的仿真图。
图5为离心载荷作用下工作流体突破第一毛细阀的仿真图。
图6为离心载荷作用下工作流体突破至第一直道的仿真图。
图7为离心载荷作用下工作流体运动至第二毛细阀的仿真图。
图8为离心载荷作用下工作流体运动至最大位置的仿真图。
图9为离心载荷消失后工作流体开始回流状态的仿真图。
图10为离心载荷消失后工作流体在收集池被毛细力拉扯的仿真图。
图11为离心载荷消失后工作流体回流至第一直道的仿真图。
图12为离心载荷消失后下工作流体回流最大位置的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1和图2，本发明的一种基于微流控技术的金属微液滴制备装置，包括基底1、微通道2、玻璃盖板3、金属液滴；所述微通道2设置在基底1上；所述基底1与玻璃盖板3之间通过密封槽4密封，密封槽设置在微通道2一周，避免金属液滴从微通道中溅出；所述微通道包括储液池10、第一毛细阀9、第七直通道8、第二毛细阀7、椭圆形收集池6、第三毛细阀11、第四毛细阀14、导气通道；所述导气通道包括第一直通道17、第二直通道5、第三直通道12、第四直通道13、第五直通道15、第六直通道16；
所述储液池10一端依次与第一毛细阀9、第七直通道8、第二毛细阀7相连；所述储液池10另一端依次与第三毛细阀11、第四毛细阀14相连；
所述第二毛细阀7另一端与椭圆形收集池6一端相连；第二毛细阀7左端与第七直道8的交汇处与第六直通道16相连；所述椭圆形收集池6另一端与第一直通道17一端相连，第一直通道17另一端通过第二直通道5、第三直通道12、第四直通道13与第四毛细阀14相连；所述第四直通道13为三通通道，一个通道与第四毛细阀14连通；另一个通道与第五直通道15一端相连，第五直通道15另一端与第六直通道16相连；所述第一直通道17流向平行于第七直通道8；所述第二直通管5流向垂直于第一直通道17和第五直通道15；所述第五直通道15与第六直通道16之间通过圆弧通道过渡，便于金属液滴流动过程的稳定。
优选的，所述基底1采用硅基底，硅基底与金属液体的接触角大，能够保证金属液滴在静态作用下始终位于矩形储液池10内。玻璃盖板3便于观察金属液滴的位置。
优选的，所述基底1与玻璃盖板3的密封方式采用固化胶闭合，避免高阈值情况下，金属液滴从胶合缝隙测流。
金属液滴从储液池10向椭圆形收集池6流向来看，所述第一毛细阀9为收缩型毛细阀，所述第二毛细阀7为扩张型毛细阀。金属液滴从储液池10向椭圆形收集池6流向的反向来看，所述第三毛细阀11为收缩型毛细阀，所述第四毛细阀12为扩张型毛细阀。
结合图3，微流体惯性开关，工作流体工作过程中忽略自身重力影响，主要受毛细力、惯性力以及自身的表面张力与粘附力影响。对于矩形截面的微通道，气液分界面毛细压强的近似表达式：
Figure GDA0003566926690000041
其中：δ为液体表面张力，θ为固－液接触角，d为液压直径，实际应用中液压直径定义为d＝4A/S，其中A为微通道截面面积，S为微通道截面周长。
假设金属液滴有向右(椭圆形收集池6)运动趋势，静态作用下金属液滴左右侧毛细压强P1、P2分别为：
Figure GDA0003566926690000042
Figure GDA0003566926690000043
θr为液体后退方向接触角，θI＝min(θa+β,180)，θa为液体前进方向接触角，α为第一毛细阀9的收缩角，β为第二毛细阀7的扩张角，w2为第一毛细阀7或第四毛细阀14喉部宽度(两毛细发候补宽度相同，即第七直通道8的宽度也为w2)，δ为液体表面张力，h为所有微通道深度；
液面两侧的毛细压差ΔP可表示为：
Figure GDA0003566926690000044
实现该装置的突破必须使得惯性力大于上述毛细压强差ΔP。初始状态ΔP>0，金属液滴保持在矩形储液池内。
w2和h均为已知，由上可计算出毛细阀的突破阈值。通过水银液滴验证，结合水银性质参数和结构参数，由阈值公式可得该装置使金属液滴精确制备惯性力大约在100g左右。并可以通过调节结构的宽度实现阈值和体积的调整，得到精确制取微量金属液滴。
由突破压力公式可得，当界面宽度越小时，其突破压力更大，为只允许空气通过而避免金属液滴在高载荷作用下从收集池右侧流出，第一直通道17宽度w3可由下面毛细压力公式来确定，
Figure GDA0003566926690000051
根据直通道中没有出现扩张角，故扩张角为0，则θI与θa相等，上述公式变形为：
Figure GDA0003566926690000052
本例中为保证收集池中的液滴具有在1000g载荷下不流入第一直通道17，即p＝1000g，代入上述公式可得出第一通道17的宽度w3在10微米。
所述椭圆形收集池6由依次连接的梯形截面、矩形截面和半圆形截面组成，根据结构参数可知，收集池6的体积计算公式为：
Figure GDA0003566926690000053
其中：w2为收集池梯形截面端部宽度，w4为收集池中间部分(矩形截面)宽度，R为收集池半圆形部分半径，H为收集池左侧梯形截面长度，L为收集池中间矩形截面长度，h为微通道统一深度。均为已知参数，所以可计算出收集池的体积。w2决定了毛细阀的突破阈值，故而调节w2可以控制毛细阀的突破阈值即制取液滴所需的最小惯性力。同时，通过调节w2的大小，也可以对体积进行精确控制，通过体积公式计算可知。
初始状态，金属液滴保持在矩形储液池内。在工作载荷作用下，工作流体的运动仿真图如图4至于图12所示。初始状态，金属液滴保持在矩形储液池内，如图4所示；工作流体在受到大于毛细阀突破阈值的惯性载荷作用下，开始突破第一毛细阀9，工作流体开始流至第七直道8，如图5所示；工作载荷持续加载下，工作流体流过第七直道8，并开始通过第二毛细阀7到达收集池位置左侧和第六直道16，如图6所示；工作流体在工作载荷作用下，开始突破第二毛细阀7进入收集池和第六直道16，如图7所示；工作流体在惯性载荷作用下，突破第二毛细阀7进入充满收集池并在第五直道15到达最远位移处，如图8所示；在惯性载荷作用消失后，由于液面两侧毛细压强不同，工作流体开始恢复，工作载荷脉宽较宽，进入收集池的金属液滴充分粘附在微流体通道，且因为第二毛细阀7在反向恢复时是收缩型毛细阀，有利于金属液滴稳定在收集池中，在直道中的金属液滴在毛细力作用下恢复，如图9所示；由于液面两侧毛细压强不同，在第七直道8与第二毛细阀7交汇处，在毛细力下分离过程如图10所示；金属液滴受毛细力作用被扯断，分离得到收集池中精确体积的金属液滴，其余金属液滴受毛细力作用继续回流到储液池中。如图11所示；在惯性载荷作用消失后，得到恢复后的液滴位置，如图12所示。
由仿真结果可以得到，金属液滴在储液池中，受到惯性载荷作用后，便可突破毛细阀到达收集池，在载荷消失后，由于毛细压强差作用下，扯断收集池左侧多余的液柱，并使回流至储液池中，在收集池得到精确体积量的金属液滴。

Claims (6)

1.一种基于微流控技术的金属微液滴制备装置，其特征在于，包括基底(1)、微通道(2)、盖板(3)、金属液滴；所述微通道(2)设置在基底(1)上；所述基底(1)与盖板(3)之间密封；
所述微通道包括储液池(10)、第一毛细阀(9)、第七直通道(8)、第二毛细阀(7)、收集池(6)、第三毛细阀(11)、第四毛细阀(14)、导气通道；所述导气通道包括第一直通道(17)、第四直通道(13)、第五直通道(15)、第六直通道(16)；所述收集池(6)包括依次连接的梯形截面、矩形截面和半圆形截面；
所述第二毛细阀(7)另一端与收集池(6)一端相连；第二毛细阀(7)与第七直道(8)的交汇处与第六直通道(16)相连；所述收集池(6)另一端与第一直通道(17)一端相连，第一直通道(17)另一端通过中间连接通道与第四直通道(13)相连；所述第六直通道(16)与第五直通道(15)之间过渡连接，所述第四直通道(13)与第四毛细阀(14)、第五直通道(15)连通；所述第一直通道(17)流向平行于第七直通道(8)；所述第六直通道(16)流向垂直于第一直通道(17)，第五直通道(15)流向平行于第七直通道(8)；所述储液池(10)一端依次与第一毛细阀(9)、第七直通道(8)、第二毛细阀(7)相连；所述储液池(10)另一端依次与第三毛细阀(11)、第四毛细阀(14)相连；
金属液滴从储液池(10)向收集池(6)流向来看，所述第一毛细阀(9)为收缩型毛细阀，所述第二毛细阀(7)为扩张型毛细阀；金属液滴从储液池(10)向收集池(6)流向的反向来看，所述第三毛细阀(11)为收缩型毛细阀，所述第四毛细阀(14)为扩张型毛细阀；
所述第一直通道(17)宽度w3与载荷p满足：
Figure FDA0003566926680000011
根据上式可求得在载荷p下液滴不流入第一直通道(17)时，第一直通道(17)的宽度的尺寸；
其中δ为液体表面张力，θa为液体前进方向接触角，h为微通道深度。
2.根据权利要求1所述的基于微流控技术的金属微液滴制备装置，其特征在于，所述收集池(6)的体积V与微通道中部分尺寸参数满足：
Figure FDA0003566926680000012
其中：w2为收集池梯形截面端部宽度，w4为收集池矩形截面宽度，R为收集池半圆形部分半径，H为收集池左侧梯形截面长度，L为收集池中间矩形截面长度，h为微通道统一深度。
3.根据权利要求1所述的基于微流控技术的金属微液滴制备装置，其特征在于，所述中间连接通道包括第二直通道(5)、第三直通道(12)；所述第一直通道(17)另一端通过第二直通道(5)、第三直通道(12)与第四直通道(13)相连；所述第二直通道(5)流向垂直于第一直通道(17)和第五直通道(15)。
4.根据权利要求1所述的基于微流控技术的金属微液滴制备装置，其特征在于，所述基底(1)为硅基底。
5.根据权利要求1所述的基于微流控技术的金属微液滴制备装置，其特征在于，所述盖板(3)为玻璃盖板。
6.根据权利要求1所述的基于微流控技术的金属微液滴制备装置，其特征在于，所述基底(1)与盖板(3)之间通过密封槽(4)密封，密封方式采用固化胶闭合。
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