CN113996354B - 一种控制微液滴生成装置、生成方法及用途 - Google Patents

一种控制微液滴生成装置、生成方法及用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种控制微液滴生成装置、生成方法及用途，所述的控制微液滴生成装置包括通过液体管路连接的压力平衡模块和压电喷头；所述的压电喷头包括毛细管和设置于毛细管外周部分区域内的压电陶瓷，所述压电陶瓷电性接入供电模块，所述压力平衡模块用于将液体注入毛细管并维持液体在毛细管内不流出。本发明基于压电陶瓷在不同电压驱动下发生的形变状态不同，通过调节供电模块的驱动电压峰值和驱动电压的输出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液滴，解决了传统微滴生成方式成本高、操作繁琐等问题，提高了微滴生成的可控性和自动化程度。

Description

一种控制微液滴生成装置、生成方法及用途
技术领域
本发明属于微液滴生成技术领域，涉及一种控制微液滴生成装置、生成方法及用途。
背景技术
目前在医学临床检验、纳米材料制备、食品及环境检测、生化分析等应用领域都有着对微量液体精确操作的广泛需求。微量液体操作的核心技术之一是把微升量级的液体进一步分割为纳升甚至皮升体积的微反应体系。微反应体系生成的一个主要技术分支是乳化微液滴生成。
近些年来，在文献中报道了多种微液滴生成技术，如膜乳化法、喷雾乳化法、微流控芯片法、吐液枪头注射/喷射法等。其中，吐液枪头注射/喷射法作为最新的微液滴生成技术，在微液滴的生成方面及耗材成本控制方面均具有良好的应用前景。一般的吐液枪头注射/喷射法需要吐液枪头在液面上下切割运动以生成微液滴。但这种方法会在液面形成不稳定的驻波，微液滴的生成过程不稳定。
CN109746059A公开了一种微液滴生成系统，所述微液滴生成系统包括所述微液滴生成系统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；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；所述微液滴生成芯片包括有一中心孔；和所述第二部件设置有与每个所述微液滴生成单元相配合的微液滴加样和收集单元。
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二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微液滴生成管道。
CN112619719A公开了一种用于数字PCR的液滴生成微型装置，该液滴生成微型装置包括外容器、内容器和微液滴生成结构，外容器设有第一容纳腔，第一容纳腔内容纳有稳定液，微液滴生成结构浸没于稳定液内，内容器收容在第一容纳腔内；内容器设有第二容纳腔，以用于收容待测液，微液滴生成结构包括微液滴生成流道，内容器与微液滴生成结构连接，第二容纳腔与微液滴生成流道连通；内容器上还设有进气管道，以将第二容纳腔与外界连通，外界的气体通过进气管道进入第二容纳腔，以推动待测液进入微液滴生成结构并经过微液滴生成流道形成微液滴，微液滴由微液滴生成流道排出至稳定液内。
虽然有诸多方案能用于微滴生成，但都存在操作繁琐，成本较高的问题。
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控制微液滴生成装置、生成方法及用途，本发明基于压电陶瓷在不同电压驱动下发生的形变状态不同，通过调节供电模块的驱动电压峰值和驱动电压的输出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液滴，解决了传统微滴生成方式成本高、操作繁琐等问题，提高了微滴生成的可控性和自动化程度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种控制微液滴生成装置，所述的控制微液滴生成装置包括通过液体管路连接的压力平衡模块和压电喷头；所述的压电喷头包括毛细管和设置于毛细管外周部分区域内的压电陶瓷，所述压电陶瓷电性接入供电模块，所述压力平衡模块用于将液体注入毛细管并维持液体在毛细管内不流出。
本发明基于压电陶瓷在不同电压驱动下发生的形变状态不同，通过调节供电模块的驱动电压峰值和驱动电压的输出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液滴，解决了传统微滴生成方式成本高、操作繁琐等问题，提高了微滴生成的可控性和自动化程度。
作为本发明一种优选的技术方案，所述压力平衡模块为柱塞泵或气压泵。
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，本发明提供了一种控制微液滴生成方法，采用第一方面所述的微液滴生成装置生成微液滴，所述的微液滴生成方法包括：
压力平衡模块将液体注入毛细管并维持液体在毛细管内不流出，供电模块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液滴。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的微液滴生成方法具体包括如下步骤：
(Ⅰ)压力平衡模块将液体注入毛细管，在初始状态下，此时压电模块和毛细管均未发生形变，通过压力平衡模块维持毛细管内的压力，使得出口端处的液体界面与出口端平齐；
(Ⅱ)供电模块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)供电模块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液滴；
(Ⅳ)交替重复步骤(Ⅱ)和步骤(Ⅲ)，供电模块在输出正电压和负电压之间进行周期性地交替切换，使得微液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，所述供电模块的输出电压呈波形变化，通过控制电压的输出波形的振幅和频率，进而控制微液滴的尺寸和喷出频率；
优选地，所述输出电压的波形为标准方波、正弦波或梯形波。
作为本发明一种优选的技术方案，所述供电模块输出电压的周期性变化频率为50～1500Hz，例如可以是50Hz、100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz或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液滴生成装置的用途，所述的微液滴生成装置用于任一收集平面或容器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明基于压电陶瓷在不同电压驱动下发生的形变状态不同，通过调节供电模块的驱动电压峰值和驱动电压的输出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液滴，解决了传统微滴生成方式成本高、操作繁琐等问题，提高了微滴生成的可控性和自动化程度。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的微液滴生成装置生成微液滴的过程示意图；
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生成的微液滴图；
图6为本发明实施例2生成的微液滴图；
图7为本发明实施例3生成的微液滴图；
图8为本发明实施例4提供的输出电压的波形图；
图9为本发明实施例5提供的输出电压的波形图；
图10为本发明实施例6提供的输出电压的波形图；
图11为本发明实施例7提供的输出电压的波形图；
图12为本发明实施例4生成的微液滴图；
图13为本发明实施例5生成的微液滴图；
图14为本发明实施例6生成的微液滴图；
图15为本发明实施例7生成的微液滴图；
其中，1-压力平衡模块；2-压电陶瓷；3-液体管路；4-供电模块；5-毛细管。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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，本发明提供了一种控制微液滴生成装置，所述的控制微液滴生成装置如图1所示，包括通过液体管路3连接的压力平衡模块1和压电喷头；压电喷头包括毛细管5和设置于毛细管5外周部分区域内的压电陶瓷2，压电陶瓷2电性接入供电模块4，压力平衡模块1用于将液体注入毛细管5并维持液体在毛细管5内不流出。可选地，压力平衡模块1为柱塞泵或气压泵，毛细管5的材质包括玻璃、硅胶或塑料。
实施例1
本实施例提供了一种微液滴生成方法，采用上述具体实施方式提供的微液滴生成装置生成微液滴，具体包括如下步骤：
(Ⅰ)压力平衡模块1将液体注入毛细管5，在初始状态下，此时压电模块和毛细管5均未发生形变，通过压力平衡模块1维持毛细管5内的压力，使得出口端处的液体界面与出口端平齐；
(Ⅱ)供电模块4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5段的管径沿径向扩张，此时出口端处的液体界面内凹；
(Ⅲ)供电模块4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5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液滴；
(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5内的液体形成周期性喷出的微液滴(如图5所示)。
实施例2
本实施例提供了一种微液滴生成方法，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30V，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3所示，形成的微液滴如图6所示。
实施例3
本实施例提供了一种微液滴生成方法，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4所示，形成的微液滴如图7所示。
结合图5、图6和图7可以发现，在单个波形维持时间相同的情况下，电压的正、负值越大，生成的微滴越大，呈现正相关；在电压的正、负值相同时，单个波形维持的时间越长，生成的微滴越大，呈现正相关。
实施例4
本实施例提供了一种微液滴生成方法，采用上述具体实施方式提供的微液滴生成装置生成微液滴，具体包括如下步骤：
(Ⅰ)压力平衡模块1将液体注入毛细管5，在初始状态下，此时压电模块和毛细管5均未发生形变，通过压力平衡模块1维持毛细管5内的压力，使得出口端处的液体界面与出口端平齐；
(Ⅱ)供电模块4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5段的管径沿径向扩张，此时出口端处的液体界面内凹；
(Ⅲ)供电模块4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5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液滴；
(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梯形波变化，如图8所示，为一个周期内的梯形波电压输出，正电压的电压峰值为20V，负电压的电压峰值为-20V，一个周期内的输出电压依次经历升压、维持、降压、维持和升压过程，升压时间为5ms，维持时间为20ms，降压时间为5ms，维持时间为10ms，升压时间为5ms，在梯形波变化的输出电压下，毛细管5内的液体形成周期性喷出的微液滴(如图12所示)。
实施例5
本实施例提供了一种微液滴生成方法，供电装置的输出电压呈梯形波变化，输出电压波形图如图9所示，与实施例1相比，区别仅在于，正电压的电压峰值为30V，负电压的电压峰值为-30V，其他操作参数与实施例1完全相同，本实施例中的形成的微液滴如图13所示。
实施例6
本实施例提供了一种微液滴生成方法，供电装置的输出电压呈梯形波变化，输出电压波形图如图10所示，与实施例1相比，区别仅在于，降压时间和两次升压时间均调整至10ms，其他操作参数与实施例1完全相同，本实施例中的形成的微液滴如图14所示。
实施例7
本实施例提供了一种微液滴生成方法，供电装置的输出电压呈梯形波变化，输出电压波形图如图11所示，与实施例1相比，区别仅在于，两次维持时间为均调整至40ms，其他操作参数与实施例1完全相同，本实施例中的形成的微液滴如图15所示。
结合图12、图13、图14和图15可以发现，在单个梯形波升压时间、降压时间和维持时间相同的情况下，提高正负电压值的绝对值，可增加微滴直径和体积；在正负电压值的绝对值和维持时间相同的情况下，提高升压时间和降压时间，微滴体积和直径无明显变化；在正负电压值的绝对值、升压时间和降压时间相同的情况下，提高维持时间，可增加微滴直径和体积。因此，基于梯形波电压调控的微滴生成方法，微滴大小与电压的最大正负值绝对值呈现正相关，与电压处于最大正电压或最小负电压的持续时间呈现正相关，与升降压速率关系较小。
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 (8)

1.一种控制微液滴生成方法，其特征在于，所述的控制微液滴生成方法包括：
压力平衡模块将液体注入毛细管并维持液体在毛细管内不流出，供电模块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液滴；
所述的控制微液滴生成方法具体包括如下步骤：
(Ⅰ)压力平衡模块将液体注入毛细管，在初始状态下，此时压电模块和毛细管均未发生形变，通过压力平衡模块维持毛细管内的压力，使得出口端处的液体界面与出口端平齐；
(Ⅱ)供电模块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)供电模块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液滴；
(Ⅳ)交替重复步骤(Ⅱ)和步骤(Ⅲ)，供电模块在输出正电压和负电压之间进行周期性地交替切换，使得微液滴呈周期性喷出或单点喷出；
所述的控制微液滴生成方法使用控制微液滴生成装置，具体所述的控制微液滴生成装置包括通过液体管路连接的压力平衡模块和压电喷头；所述的压电喷头包括毛细管和设置于毛细管外周部分区域内的压电陶瓷，所述压电陶瓷电性接入供电模块，所述压力平衡模块用于将液体注入毛细管并维持液体在毛细管内不流出。
2.根据权利要求1所述的控制微液滴生成方法，其特征在于，所述压力平衡模块为柱塞泵或气压泵。
3.根据权利要求1所述的控制微液滴生成方法，其特征在于，所述毛细管的材质包括玻璃、硅胶或塑料。
4.根据权利要求1所述的控制微液滴生成方法，其特征在于，所述供电模块的输出电压呈波形变化，通过控制电压的输出波形的振幅和频率，进而控制微液滴的尺寸和喷出频率。
5.根据权利要求4所述的控制微液滴生成方法，其特征在于，所述输出电压的波形为标准方波、正弦波或梯形波。
6.根据权利要求1所述的控制微液滴生成方法，其特征在于，所述供电模块输出电压的周期性变化频率为50～1500Hz。
7.根据权利要求1所述的控制微液滴生成方法，其特征在于，所述正电压的峰值电压为10～50V。
8.根据权利要求1所述的控制微液滴生成方法，其特征在于，所述负电压的峰值电压为-50～-10V。
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