CN113996353A - 一种微滴生成装置、生成方法及用途 - Google Patents

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孙海胜
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Abstract

本发明提供了一种微滴生成装置、生成方法及用途，所述的微滴生成装置包括具有出口端的毛细管，所述毛细管内储存有液体，所述毛细管的部分管段外周紧贴有压电模块，所述压电模块外接供电装置，所述供电装置用于向压电模块提供周期性变化的输出电压，所述压电模块在输出电压的作用下发生周期性形变，使得所述毛细管的管径沿径向呈周期性的扩张和收缩，从而将所述毛细管内储存的液体由出口端喷出形成微滴。基于压电模块在不同电压驱动下发生的形变状态不同，通过调节供电装置的驱动电压、驱动频率或驱动波形来控制毛细管的周期性扩张和收缩，从而生成不同尺寸的均匀微滴，微滴的生成频率可控。

Description

一种微滴生成装置、生成方法及用途
技术领域
本发明属于微滴生成技术领域，涉及一种微滴生成装置、生成方法及用途。
背景技术
微滴在生物、化学、材料科学、工程等领域的应用十分广泛，微滴的生成方法越来越高效可控。从传统的微滴方法，到基于微流控芯片的制备方法，再到近几年新出现的一些芯片外制备方法，微滴的制备技术在数十年间不断发展和完善。
如何将一定体积的液体均匀分解成大量体积均匀的微滴是微流控技术需要解决的关键问题之一，是诸多应用领域包括数字聚合酶链式反应(dPCR)、数字环介导等温扩增(dLAMP)、数字酶联免疫检测(dELISA)、单细胞组学等应用领域的关键环节。目前高通量生成纳升级液滴的技术手段主要包括微滴微流控技术和微孔微流控技术。利用微滴微流控技术生成液滴的代表包括Bio-Rad以及10×Genomics，该技术的特点是利用高精度微泵控制油相和水相溶液，利用十字形结构对样本溶液进行连续挤压从而生成大量皮升至纳升级别的、油包水小液滴。该技术依赖于高精度微泵对于压强的精确控制和基于MEMS的高精度芯片加工工艺，生成的所有微滴被统一保存在同一容器中，检测时每个液滴需逐一通过微流道进行检测，设备系统复杂，成本高昂。利用微孔微流控技术生成液滴的代表为ThermoFisher，该技术的特点是利用机械臂将样本溶液涂布在微孔阵列上，使得样本被平均分配到每一个微孔中，形成皮升至纳升级别的小液滴。该技术通常需要借助机械力将试剂均匀的涂布至微孔阵列表面，再用惰性介质液体填充微井的上下两面，该方法的缺点是操作流程相对复杂，自动化程度低，实验通量较低，样本准备时间长。
CN109746061A公开了一种微液滴生成装置，所述微液滴生成装置包括水平方向布置的两个连续相管道和一个垂直方向布置的离散相管道，每个所述连续相管道依次包括均一连续相主管道、逐渐变窄的连续相缓冲管道和均一连续相微液滴生成管道，所述离散相管道依次包括均一离散相主管道、离散相缓冲管道和均一离散相液滴生成管道；所述连续相微液滴生成管道和所述离散相微滴生成管道形成十字交叉结构用于最终微滴的生成；所述连续相主管道宽度是连续相微滴生成管道宽度的至少1.5倍和所述离散相主管道宽度是所述离散相液滴生成管道的至少1.5倍。
CN207614860U公开了一种微液滴生成装置，所述微液滴生成装置包括第一部件和第二部件，第一部件和第二部件固定连接；所述第一部件是微液滴生成芯片，用于微液滴的生成；和所述第二部件是微液滴样品加样和生成微液滴收集装置，用于第一部件的油相样品和水相样品的加样以及生成的微液滴的收集。
CN112588332A公开了一种微液滴生成系统，包括微流控芯片和电极驱动单元；微流控芯片包括顶盖和电极层，顶盖包括依次设置的上盖、导电层和第一疏水层，电极层包括依次设置的第二疏水层、介电层和电极阵列层，第一疏水层和第二疏水层相对设置，第一疏水层和第二疏水层之间形成液滴流道层。控制大液滴经过电极阵列层，通过操控电极使大液滴在其经过的路径上留下小液滴。或者对上盖进行阵列式的亲水修饰，当大液滴经过亲水点时会因为亲水点的亲水作用，在亲水点处留下小液滴。
由于能够独立操控每一个微滴，数字微流控技术成为高通量生成微滴的另一种技术手段，但是该技术主要通过操控大液滴生成一个小液滴后再将该小液滴运送至相应位置，导致生成小液滴的速度较慢，样本准备时间较长。
CN106754341A公开了一种微滴式数字PCR生物芯片，包括由上片和下片贴合形成的芯片本体，所述芯片本体内部设有进样腔、微滴存储腔以及排油腔，芯片本体表面设有分别与进样腔和排油腔连通的进样孔和排油孔，所述进样腔和微滴存储腔之间、微滴存储腔与排油腔之间分别设有多个微滴生成孔道和排油孔道，所述微滴生成孔道和排油孔道的高度均小于微滴存储腔的高度。
对当前已知的现有技术进行综合分析发现，但无论采用何种方式，微滴生成的成本和效率，仍是制约微滴生成的关键。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种微滴生成装置、生成方法及用途，本发明基于压电模块在不同电压驱动下发生的形变状态不同，通过调节供电装置的驱动电压、驱动频率或驱动波形来控制毛细管的周期性挤压和扩张，从而形成不同尺寸的微滴，进一步地，还能控制微滴的生成频率，生成微滴的尺寸均匀可控。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种微滴生成装置，所述的微滴生成装置包括具有出口端的毛细管，所述毛细管内储存有液体，所述毛细管的部分管段外周紧贴有压电模块，所述压电模块外接供电装置，所述供电装置用于向压电模块提供周期性变化的输出电压，所述压电模块在输出电压的作用下发生周期性形变，使得所述毛细管的管径沿径向呈周期性的扩张和收缩，从而将所述毛细管内储存的液体由出口端喷出形成微滴。
本发明基于压电模块在不同电压驱动下发生的形变状态不同，通过调节供电装置的驱动电压、驱动频率或驱动波形来控制毛细管的周期性挤压和扩张，从而形成不同尺寸的微滴，进一步地，还能控制微滴的生成频率，生成微滴的尺寸均匀可控。
需要说明的是，本发明采用的压电模块是指具有压电性的电介质，例如可以是压电陶瓷，本发明利用了压电模块具有的自发极化特性，在外电场的作用下自发极性发生转变，从而产生变形。当对压电模块加上与自发极化相同的外电场时，相当于增强了极化强度，极化强度的增大使压电模块沿极化方向伸长。相反，如果加上反向电场，则压电模块沿极化方向缩短。
作为本发明一种优选的技术方案，所述出口端的口径为30～90μm，例如可以是30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm或90μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述毛细管的材质包括玻璃、硅胶或塑料。
第二方面，本发明提供了一种微滴生成方法，采用第一方面所述的微滴生成装置生成微滴，所述的微滴生成方法包括：
供电装置向压电模块提供周期性变化的输出电压，压电模块在输出电压的作用下发生周期性的拉伸形变和压缩形变，从而带动毛细管的管径呈周期性的径向扩张和径向收缩，在周期性的径向扩张和径向收缩过程中，毛细管内储存的液体由出口端喷出形成微滴。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的微滴生成方法具体包括如下步骤：
(Ⅰ)在初始状态下，供电装置不向压电模块提供电压，此时压电模块和毛细管均未发生形变，出口端处的液体界面与出口端平齐；
(Ⅱ)供电装置向压电模块提供正电压时，压电模块由初始状态发生拉伸形变，带动压电模块对应的毛细管段的管径沿径向扩张，此时出口端处的液体界面内凹；
(Ⅲ)供电装置向压电模块提供的电压由正电压转变为负电压，压电模块由拉伸形变转变为压缩形变，带动压电模块对应的毛细管段的管径由径向扩张状态转变为径向压缩状态，从而将出口端的液体挤出形成微滴；
(Ⅳ)交替重复步骤(Ⅱ)和步骤(Ⅲ)，供电装置在输出正电压和负电压之间进行周期性地交替切换，使得微滴呈周期性喷出或单点喷出。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的供电装置的输出电压呈周期性的标准方波变化或正弦变化。
作为本发明一种优选的技术方案，所述供电装置输出电压的周期性变化频率为1～1500Hz，例如可以是1Hz、10Hz、100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz、1000Hz、1100Hz、1200Hz、1300Hz、1400Hz或1500Hz，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述正电压的峰值电压为10～50V，例如可以是10V、15V、20V、25V、30V、35V、40V、45V或50V，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述负电压的峰值电压为-50～-10V，例如可以是-50V、-45V、-40V、-35V、-30V、-25V、-20V、-15V、-10V，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
第三方面，本发明提供了一种第一方面所述的微滴生成装置的用途，所述的微滴生成装置用于任一平面或容器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明基于压电模块在不同电压驱动下发生的形变状态不同，通过调节供电装置的驱动电压、驱动频率或驱动波形来控制毛细管的周期性挤压和扩张，从而形成不同尺寸的微滴，进一步地，还能控制微滴的生成频率，生成微滴的尺寸均匀可控。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的微滴生成装置生成微滴的过程示意图；
图2为本发明实施例1提供的输出电压的波形图；
图3为本发明实施例2提供的输出电压的波形图；
图4为本发明实施例3提供的输出电压的波形图；
图5为本发明实施例1生成的微滴图；
图6为本发明实施例2生成的微滴图；
图7为本发明实施例3生成的微滴图；
图8为本发明实施例4生成的微滴图；
图9为本发明实施例5生成的微滴图；
其中，1-压电模块；2-毛细管。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种微滴生成装置，所述的微滴生成装置如图1所示，包括具有出口端的毛细管2，所述毛细管2内储存有液体，所述毛细管2的部分管段外周紧贴有压电模块1，所述压电模块1外接供电装置，所述供电装置用于向压电模块1提供周期性变化的输出电压，所述压电模块1在输出电压的作用下发生周期性形变，使得所述毛细管2的管径沿径向呈周期性的扩张和收缩，从而将所述毛细管2内储存的液体由出口端喷出形成微滴。
实施例1
本实施例提供了一种微滴生成方法，采用上述具体实施方式提供的微滴生成装置生成微滴，具体包括如下步骤：
(Ⅰ)在初始状态下，供电装置不向压电模块1提供电压，此时压电模块1和毛细管2均未发生形变(初始状态下的出口端口径为50μm)，出口端处的液体界面与出口端平齐；
(Ⅱ)供电装置向压电模块1提供正电压时，压电模块1由初始状态发生拉伸形变，带动压电模块1对应的毛细管2段的管径沿径向扩张，此时出口端处的液体界面内凹；
(Ⅲ)供电装置向压电模块1提供的电压由正电压转变为负电压，压电模块1由拉伸形变转变为压缩形变，带动压电模块1对应的毛细管2段的管径由径向扩张状态转变为径向压缩状态，从而将出口端的液体挤出形成微滴；
(Ⅳ)交替重复步骤(Ⅱ)和步骤(Ⅲ)，使得供电装置的输出电压呈周期性的正弦波变化(如图2所示)，一个正电压和一个负电压记为一个周期，正电压的电压峰值为20V，负电压的电压峰值为-20V，一个周期的维持时间为10ms，在正弦波变化的输出电压下，毛细管2内的液体生成周期性喷出的微滴(如图5所示)。
实施例2
本实施例提供了一种微滴生成方法，供电装置的输出电压呈正弦波变化，与实施例1相比，区别仅在于，一个周期的维持时间调整至20ms，正电压的电压峰值以及负电压的电压峰值仍保持不变，本实施例中的输出电压波形图如图3所示，形成的微滴如图6所示。
实施例3
本实施例提供了一种微滴生成方法，供电装置的输出电压呈正弦波变化，与实施例1相比，区别仅在于，正电压的电压峰值调整为40V，负电压的电压峰值调整为-40V，一个周期的维持时间仍保持不变，本实施例中的输出电压波形图如图4所示，形成的微滴如图7所示。
由图5、图6和图7对比可以看出，通过改变控制压电模块1的电压峰值和单个周期的维持时间，可以调控从毛细管2出口端喷出的微滴大小。在不改变正电压的电压峰值和负电压的电压峰值的情况下，延长单个周期的维持时间，可以提高生成微滴的直径；在不改变单个周期的维持时间，通过提高正电压的电压峰值和负电压的电压峰值，生成微滴的直径也会增加。
实施例4
本实施例提供了一种微滴生成方法，采用上述具体实施方式提供的微滴生成装置生成微滴，具体包括如下步骤：
(Ⅰ)在初始状态下，供电装置不向压电模块1提供电压，此时压电模块1和毛细管2均未发生形变(初始状态下的出口端口径为40μm)，出口端处的液体界面与出口端平齐；
(Ⅱ)供电装置向压电模块1提供正电压时，压电模块1由初始状态发生拉伸形变，带动压电模块1对应的毛细管2段的管径沿径向扩张，此时出口端处的液体界面内凹；
(Ⅲ)供电装置向压电模块1提供的电压由正电压转变为负电压，压电模块1由拉伸形变转变为压缩形变，带动压电模块1对应的毛细管2段的管径由径向扩张状态转变为径向压缩状态，从而将出口端的液体挤出生成微滴；
(Ⅳ)交替重复步骤(Ⅱ)和步骤(Ⅲ)，使得供电装置的输出电压呈周期性的正弦波变化(如图2所示)，一个正电压和一个负电压记为一个周期，正电压的电压峰值为20V，负电压的电压峰值为-20V，一个周期的维持时间为10ms，在正弦波变化的输出电压下，毛细管2内的液体生成周期性喷出的微滴(如图8所示，微滴直径约为40μm)。
实施例5
本实施例提供了一种微滴生成方法，与实施例4相比，区别仅在于，采用的毛细管2的出口端口径调整为80μm，其他操作条件，包括输出电压的正弦波波形图与实施例4完全相同，通过该方法生成的微滴如图9所示，微滴直径约为80μm。
由图8和图9对比可以看出，当毛细管2出口端口径为40μm时，生成的微滴直径约40μm；当毛细管2出口端口径为80μm时，生成的微滴直径约80μm。因此在一定程度上，微滴的直径与毛细管2出口端的口径呈正相关。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种微滴生成装置，其特征在于，所述的微滴生成装置包括具有出口端的毛细管，所述毛细管内储存有液体，所述毛细管的部分管段外周紧贴有压电模块，所述压电模块外接供电装置，所述供电装置用于向压电模块提供周期性变化的输出电压，所述压电模块在输出电压的作用下发生周期性形变，使得所述毛细管的管径沿径向呈周期性的扩张和收缩，从而将所述毛细管内储存的液体由出口端喷出形成微滴。
2.根据权利要求1所述的微滴生成装置，其特征在于，所述出口端的口径为30～90μm。
3.根据权利要求1或2所述的微滴生成装置，其特征在于，所述毛细管的材质包括玻璃、硅胶或塑料。
4.一种微滴生成方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的微滴生成装置生成微滴，所述的微滴生成方法包括：
供电装置向压电模块提供周期性变化的输出电压，压电模块在输出电压的作用下发生周期性的拉伸形变和压缩形变，从而带动毛细管的管径呈周期性的径向扩张和径向收缩，在周期性的径向扩张和径向收缩过程中，毛细管内储存的液体由出口端喷出形成微滴。
5.根据权利要求1-4任一项所述的生成方法，其特征在于，所述的微滴生成方法具体包括如下步骤：
(Ⅰ)在初始状态下，供电装置不向压电模块提供电压，此时压电模块和毛细管均未发生形变，出口端处的液体界面与出口端平齐；
(Ⅱ)供电装置向压电模块提供正电压时，压电模块由初始状态发生拉伸形变，带动压电模块对应的毛细管段的管径沿径向扩张，此时出口端处的液体界面内凹；
(Ⅲ)供电装置向压电模块提供的电压由正电压转变为负电压，压电模块由拉伸形变转变为压缩形变，带动压电模块对应的毛细管段的管径由径向扩张状态转变为径向压缩状态，从而将出口端的液体挤出形成微滴；
(Ⅳ)交替重复步骤(Ⅱ)和步骤(Ⅲ)，供电装置在输出正电压和负电压之间进行周期性地交替切换，使得微滴呈周期性喷出或单点喷出。
6.根据权利要求5所述的生成方法，其特征在于，所述供电装置的输出电压呈周期性的标准方波变化或正弦变化。
7.根据权利要求5或6所述的生成方法，其特征在于，所述供电装置输出电压的周期性变化频率为1～1500Hz。
8.根据权利要求5-7任一项所述的生成方法，其特征在于，所述正电压的峰值电压为10～50V。
9.根据权利要求5-8任一项所述的生成方法，其特征在于，所述负电压的峰值电压为-50～-10V。
10.一种权利要求1-3任一项所述的微滴生成装置的用途，其特征在于，所述的微滴生成装置用于任一平面或容器。
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