CN112275340B - 一种便携的手持式微量液滴产生装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携的手持式微量液滴产生装置，包括微液滴进样器、高度控制器、筒身和功能腔体，筒身内设置有竖直贯通的通道，通道内套设有高度控制器，高度控制器由变径管、固定安装到变径管顶部的旋转端头、开设在旋转端头上的中心孔组成，中心孔与变径管的管孔连通在一起，中心孔内套设有微液滴进样器，微液滴进样器的底部深入到管孔内。该微量液滴产生装置不依赖气动、电润湿和热驱动等复杂的外力作用，利用重力势能、动能与液体表面能之间的能量转化及流体的不稳定性产生微小体积的微量液滴。

Description

一种便携的手持式微量液滴产生装置及使用方法
技术领域
本发明属于微小液滴制备装备领域，特别涉及一种便携的手持式微量液滴产生装置及使用方法。
背景技术
近年来，生物医学监测、化学合成和材料制造等领域迅猛发展，因微液滴有体积小、比表面积大、反应速度快等特性，这些领域对微液滴产生装置的需求急剧增加。如在生物芯片制作过程中，首先需要通过微量液体的控制从而实现细胞的分离和DNA(RNA)的提取等工作。
获取微量液滴的传统技术主要有移液枪、喷墨打印机和微流控系统等，利用空气排放原理进行工作的移液枪常用于实验室微量液体的移取，但是移液枪可移取的微量体积范围较小，不适宜移取体积为1uL以下的液体；喷墨打印机是一种可产生nL(纳升)体积的液滴发生装置，其主要应用了热感式喷墨技术和压电式喷墨技术，但价格昂贵；微流控系统是目前另一种可产生微液滴的主要工具，利用流体的剪切力和界面张力，通过微管道结构和调节连续相和分散相的流速来产生微小液滴，它具有液滴生成速度快和大小均匀等优点，但是微流控系统对芯片加工的要求高，并且需要两种不互溶的液体在封闭式系统中配合工作，增加了实验的难度和成本。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、携带方便的手持式微量液滴产生装置，包括液滴进样器、高度控制器、筒身和功能腔体，所述筒身3内设置有竖直贯通的通道，所述通道内套设有所述高度控制器，所述高度控制器2由变径管22、固定安装到所述变径管顶部的旋转端头、开设在所述旋转端头上的中心孔组成，所述中心孔与所述变径管的管孔连通在一起，所述中心孔内套设有所述液滴进样器，所述液滴进样器的底部深入到所述管孔内，所述筒身3的底部安装有所述功能腔体，所述功能腔体的上腔壁开设有孔，所述功能腔体的下腔壁上设有开口，所述功能腔体内安装有功能块、反射块和回收装置，所述功能块设在所述孔的正下方，所述通道下端与所述孔相连通，所述通道的内侧底部固定有外螺纹管，所述变径管的外侧底部套设固定有内螺纹管，所述内螺纹管与所述外螺纹管旋接在一起。
进一步的，所述液滴进样器由活塞推杆、液体储存腔壁筒、喷头和杆旋接筒头组成，所述液体储存腔壁筒的顶部安装有所述杆旋接筒头，所述杆旋接筒头内旋接有所述活塞推杆，所述活塞推杆的底端与塞设在所述液体储存腔壁筒内部活塞体连接在一起，所述液体储存腔壁筒的底部安装套设有可更换的所述喷头，所述喷头的底部端口伸接到所述孔的内部。
进一步的，所述旋转端头设置在所述筒身的上方，所述筒身和所述功能腔体为一体成型连接或螺纹旋接的一种。
进一步的，所述功能块和所述反射块均为方形块状体，所述功能块的上表面为功能表面，所述反射块的下表面为反射表面，所述反射表面与所述功能表面相对设置。
进一步的，所述功能块、所述反射块和所述回收装置均通过柱形安装块与所述功能腔体的侧壁活动连接，所述反射表面和所述功能表面均与所述侧壁垂直设置，通过调节所述反射表面和所述功能表面的角度，以调节液滴反射的角度。
进一步的，一种便携的手持式微量液滴产生装置具体的使用方法包括以下几个步骤：
A1、把液体吸注到液滴进样器的液体储存腔内，通过高度控制器调节液滴的下落高度，使液滴获得一定的重力势能，高度调节范围在5～80mm之间，通过高速相机在10000帧每秒的速度下捕获的视频获得实验数据；
A2、通过旋转活塞，在喷头处通过滴水模式产生宏观液滴，通过自由落体运动，液滴在撞击功能表面前，流体的初始重力势能转化为液滴的动能，此过程实施前操作者需要事先进行活塞推杆旋转观察实验，观察旋转圈数和液滴数量的关系，预估处一滴液体排滴的活塞旋转圈数；
A3、液滴进入功能腔体并撞击功能表面，液滴在惯性力的作用下，迅速在表面铺展，液滴的部分动能转化为液体内部的粘性耗散和表面能；
A4、液滴达到最大铺展，随后液滴在表面张力的驱动下开始回缩，表面能逐渐再转化为动能；
A5、液滴在回缩过程中发生形变，由于流体的不稳定性，液滴发生断裂，产生一定尺寸的小液滴，宏观母液滴进入回收装置，可实现回收利用，制备得到的微液滴通过撞击到反射表面而改变飞行方向，在重力作用沿功能表面向下流动，然后流出功能腔体底部开设的开口，收集器放置到开口下端收集获得的微液滴；
A6、通过高分辨率相机拍摄获取的微液滴的体积大小，产生微液滴在pL或nL量级进行调节。
本发明具有如下有益效果：
1)不改变喷头的尺寸，能可控产生nL甚至pL量级的液体，并避免发生堵塞针头的问题；
2)不依赖气动、电润湿和热驱动等复杂的外力作用，利用重力势能与液体表面能之间的能量转化及流体的不稳定性产生nL体积的微量液滴。
3)可手持，方便便携带，大大提高本产品的适用范围。
附图说明
图1是微量液滴产生装置第一实施例的剖视结构图；
图2是微量液滴产生装置第一实施例的正视图；
图3是第一实施例的高度控制器的连接结构图；
图4是第一实施例的高度控制器的功能腔体切面图
图5是微量液滴产生装置第二实施例的高度控制器的结构图；
图6是第二实施例的立体视图。
其中：
1、液滴进样器，11、活塞推杆，12、液体储存腔壁筒，13、喷头，14、杆旋接筒头，2、高度控制器，21、旋转端头，22、变径管，3、筒身，4、功能腔体，41、功能块，411、柱形安装块，42、反射块，43、回收装置，44、侧壁，45、开口，46、孔，5、外螺纹管，6、内螺纹管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种便携的手持式微量液滴产生装置，包括液滴进样器1、高度控制器2、筒身3和功能腔体4，筒身3内设置有竖直贯通的通道，所述通道内套设有高度控制器2，高度控制器2由变径管22、固定安装在变径管22顶部的旋转端头21、开设在旋转端头21上的中心孔组成，所述中心孔与变径管22的管孔连通在一起；
所述中心孔内套设有液滴进样器1，液滴进样器1的底部深入到所述管孔内，筒身3的底部安装有功能腔体4，功能腔体4的上腔壁开设有孔46，功能腔体的下腔壁上设有开口45，功能腔体4内安装有功能块41、反射块42和回收装置43，功能块41设在孔46的正下方，所述通道下端与孔46相连通，所述通道的内侧底部固定有外螺纹管5，变径管22的外侧底部套设固定有内螺纹管6，内螺纹管6与外螺纹管5旋接在一起；
图1-4示出本发明第一种实施方式，变径管22套设在通道的内部，旋转端头21伸出筒身3上端，其半径大于筒身3的半径，旋转旋转端头21可带动内螺纹管6沿外螺纹管5上下移动。
在本实施例中，筒身3和功能腔体4为一体成型或螺纹旋接。
在本实施例中，液滴进样器1由活塞推杆11、液体储存腔壁筒12、喷头13和杆旋接筒头14组成，液体储存腔壁筒12的顶部安装有杆旋接筒头14，杆旋接筒头14内旋接有活塞推杆11，活塞推杆11的底端与塞设在液体储存腔壁筒12内部活塞体连接在一起，采用螺旋推进方式排液，液体储存腔壁筒12的底部安装套设有可更换的喷头13，喷头13的底部端口伸接到孔46的内部，液滴进样器1可以采用螺旋推进类注射器，喷头13为注射器的针头，使用注射器作为液滴进样器1时，可防止堵塞。
在本实施例中，功能块41和反射块42均为方形块状体，功能块41的上表面为功能表面，反射块42的下表面为反射表面，所述反射表面与所述功能表面相对设置，反射表面反射功能表面产生的微小液滴，剩余的宏观母液滴由回收装置43回收利用；
较佳的，功能块41、反射块42和回收装置43均通过柱形安装块411与侧壁44活动连接，所述反射表面和所述功能表面均与侧壁44垂直设置，通过调节所述反射表面和所述功能表面的角度，以调节液滴反射的角度。
图5-6示出本发明第二种实施方式，变径管22上端的部分管体设置在通道的外部，筒身3上设置有用于观察内部变径管22的缺口视窗，其他结构与连接方式与实施例1相同，该实施例使高度控制器2和液滴进样器1大部分暴露在外，使用过程中更方便调节液滴的下落高度和控制液滴进样器1的进液量，该实施方式下液滴进样器1的半径小于中心孔23的半径，因此体积更小更容易携带。
上述实施例中，具体的使用方法包括以下几个步骤：
A1、把液体注入液滴进样器1的液体储存腔内，通过高度控制器2调节液滴的下落高度，使液滴获得一定的重力势能，高度调节范围在5～80mm之间，通过高速相机在10000帧每秒的速度下捕获的视频获得实验数据；
A2、通过旋转活塞11，在喷头13处通过滴水模式产生宏观液滴，通过自由落体运动，液滴在撞击功能表面前，流体的初始重力势能转化为液滴的动能，此过程实施前操作者需要事先进行活塞推杆旋转观察实验，观察旋转圈数和液滴数量的关系，预估处一滴液体排滴的活塞旋转圈数；
A3、液滴进入功能腔体4并撞击功能表面，液滴在惯性力的作用下，迅速在表面铺展，液滴的部分动能转化为液体内部的粘性耗散和表面能；
A4、液滴达到最大铺展，随后液滴在表面张力的驱动下开始回缩，表面能逐渐再转化为动能；
A5、液滴在回缩过程中发生形变，由于流体的不稳定性，液滴发生断裂，产生一定尺寸的小液滴，宏观母液滴进入回收装置43，可实现回收利用，制备得到的微液滴通过重力作用沿功能表面向下流动，然后流出功能腔体4底部开设的开口45，收集器放置到开口45下端收集获得的微液滴；
A6、通过高分辨率相机拍摄获取的微液滴的体积大小，产生微液滴在pL或nL量级进行调节。
上述喷头13的半径为0.24～1mm，产生的液滴半径1～2mm。
按上述方法，当液滴下落高度为10、30、50mm时，得到的微液滴半径大小分别为50、222、490um，对应的体积分别约为523.2pL，45.8nL，492.5nL，根据1/2mV2＝mgh，当h＝10mm和30mm和50mm时，理论速度分别为0.44m/s，0.77m/s，0.99m/s；实验值分别为，0.43～0.45m/s、0.77～0.79m/s、0.97～1.01m/s；理论和实验数据误差在5％以内。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种便携的手持式微量液滴产生装置，其特征在于：包括液滴进样器(1)、高度控制器(2)、筒身(3)和功能腔体(4)，所述筒身(3)内设置有竖直贯通的通道，所述通道内套设有所述高度控制器(2)，所述高度控制器(2)由变径管(22)、固定安装到所述变径管(22)顶部的旋转端头(21)、开设在所述旋转端头上的中心孔组成，所述中心孔与所述变径管(22)的管孔连通在一起，所述中心孔(23)内套设有所述液滴进样器(1)，所述液滴进样器(1)的底部深入到所述管孔内，所述筒身(3)的底部安装有所述功能腔体(4)，所述功能腔体(4)的上腔壁开设有孔(46)，所述功能腔体(4)的下腔壁上设有开口(45)，所述功能腔体(4)内安装有功能块(41)、反射块(42)和回收装置(43)，所述功能块(41)设在所述孔(46)的正下方，所述通道下端与所述孔(46)相连通，所述通道的内侧底部固定有外螺纹管(5)，所述变径管(22)的外侧底部套设固定有内螺纹管(6)，所述内螺纹管(6)与所述外螺纹管(5)旋接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种便携的手持式微量液滴产生装置，其特征在于：所述液滴进样器(1)由活塞推杆(11)、液体储存腔壁筒(12)、喷头(13)和杆旋接筒头(14)组成，所述液体储存腔壁筒(12)的顶部安装有所述杆旋接筒头(14)，所述杆旋接筒头(14)内旋接有所述活塞推杆(11)，所述活塞推杆(11)的底端与塞设在所述液体储存腔壁筒(12)内部活塞体连接在一起，所述液体储存腔壁筒(12)的底部安装套设有可更换的所述喷头(13)，所述喷头(13)的底部端口伸接到所述孔(46)的内部。
3.根据权利要求1所述的一种便携的手持式微量液滴产生装置，其特征在于：所述旋转端头(21)设置在所述筒身(3)的上方，所述筒身(3)和所述功能腔体(4)为一体成型连接或螺纹旋接的一种。
4.根据权利要求2所述的一种便携的手持式微量液滴产生装置，其特征在于：所述功能块(41)和所述反射块(42)均为方形块状体，所述功能块(41)的上表面为功能表面，所述反射块(42)的下表面为反射表面，所述功能表面与所述反射表面相对设置。
5.根据权利要求4所述的一种便携的手持式微量液滴产生装置，其特征在于：所述功能块(41)、所述反射块(42)和所述回收装置(43)均通过柱形安装块(411)与所述功能腔体(4)的侧壁活动连接，所述反射表面和所述功能表面均与所述侧壁垂直设置。
6.根据权利要求4所述的一种便携的手持式微量液滴产生装置的使用方法，其特征在于，使用方法包括以下几个步骤：
A1、把液体注入液滴进样器(1)的液体储存腔壁筒(12)内，通过高度控制器(2)调节液滴的下落高度，使液滴获得一定的重力势能，高度调节范围在5～80mm之间，通过高速相机在10000帧每秒的速度下捕获的视频获得实验数据；
A2、通过旋转活塞，在喷头(13)处通过滴水模式产生宏观液滴，通过自由落体运动，液滴在撞击功能表面前，流体的初始重力势能转化为液滴的动能；
A3、液滴进入功能腔体(4)并撞击功能表面，液滴在惯性力的作用下，迅速在表面铺展，液滴的部分动能转化为液体内部的粘性耗散和表面能；
A4、液滴达到最大铺展，随后液滴在表面张力的驱动下开始回缩，表面能逐渐再转化为动能；
A5、液滴在回缩过程中发生形变，由于流体的不稳定性，液滴发生断裂，产生一定尺寸的小液滴，宏观母液滴进入回收装置(43)，可实现回收利用，制备得到的微液滴通过撞击到反射表面而改变飞行方向，在重力作用沿功能表面向下流动，然后流出功能腔体(4)底部开设的开口(45)，收集器放置到开口(45)下端收集获得的微液滴；
A6、通过高分辨率相机拍摄获取的微液滴的体积大小，产生微液滴可在pL或nL量级进行调节。
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