CN114486648A - 一种流道宽度可调的微液滴制备及测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微液滴制备技术领域，尤其是涉及一种流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，包括基座、微调平台、流道宽度调节模块和光学测量模块，所述微调平台设于所述基座上方并通过支撑板与所述基座上部固定连接，所述流道宽度调节模块由安装在所述微调平台的多个流道组成板组成，所述流道组成板上下各贴附有透明压板，所述微调平台上设有可以控制所述流道组成板移动的调节旋钮，所述相邻的两块流道组成板与所述透明压板形成宽度尺寸可调节的流道，所述光学测量模块由相机、镜头和平行面光源组成，所述镜头和相机设在所述流道的正上方。本发明能够适应各种液滴尺寸制备需求、制备效率高、成本低廉且能迅速完成流道结构验证实验。

Description

一种流道宽度可调的微液滴制备及测量装置
技术领域
本发明涉及微液滴制备技术领域，尤其是涉及一种流道宽度可调的微液滴制备及测量装置。
背景技术
微液滴的制备是利用互不相溶的两相流体生成乳化的微液滴，微液滴相被称为离散相，包裹微液滴的相被称为连续相。微液滴生成后可以对其进行分裂、融合、收集、分选等操作。在化学工程、生物医药工程等领域存在广泛的应用前景。
现有技术中，有一种微液滴生成技术是利用微流控芯片生成微液滴，其原理是基于离散相和连续相在微通道中交汇时形成的界面失稳现象。通过将液体分别注入到微通道中，利用多相流体之间的剪切力，形成特定形貌的微液滴，制备的微液滴具有粒径均匀、形态结构可控等诸多优点。
当前微流控芯片的设计过程一般为微流道结构设计——计算流体仿真——样机制作——批量生产。其中，在样机制作步骤的内容主要是微流道的加工，常采用精雕、腐蚀、光刻等技术在微流控芯片基体材料上加工出所设计的流道形状结构，然后再胶合上一层基体材料，从而形成截面形状为矩形的微流道。
在使用微流控芯片制备微液滴时，为了保持微液滴生成的均一性和稳定性，采用的流型一般为挤压模式或者滴流模式。采用挤压模式制备的微液滴直径尺寸大于流道宽度，液滴制备效率低；采用滴流模式制备的微液滴直径尺寸小于流道宽度，液滴制备效率高。因此，为了提高制备效率并保持液滴直径的均一性，应采用滴流模式，故当前固定流道宽度的微流控芯片结构不能满足高效制备大于其流道宽度的微液滴的要求。
目前所常用的液滴微流控装置大多是二维的流体流道，无论如何设计，若要满足高通量生成微液滴的要求，只能采用滴流模式制备直径尺寸小于流道宽度的微液滴，导致所设计的微流控芯片对于不同直径的微液滴制备需求的适应性较差。中国专利(公开号为CN111229347A)公布了一种在分支通道末端和反应单元的前端分别设置相互配合的标准化插槽和插头部，允许在执行相同插接标准的微通道模块和反应单元之间进行自由的搭配组合的模块化微流控芯片，但微流道的加工复杂。中国专利(公开号为CN107774348A)公布了一种模块化微流控芯片的制作方法，采用标准的光刻蚀与液体模具注塑相结合的方式，一步成型形成模块接口，但流道的宽度尺寸是固定不能改变的。中国专利(公开号为CN109926109A)公布了一种基于磁链接的模块化微流控芯片夹具，可实现多芯片微流控试验平台的快速模块化搭建和调整。在以上基于模块化思想的微流控芯片设计、制作方法之中，虽然在一定程度上提高了微流控芯片的适应性和灵活性，降低制作成本，但依然不能很好的满足当前不同直径尺寸的微液滴制备的需求。
微流控芯片多是根据其特定用途而设计的集成化系统，在研发阶段有非常明显的缺点，首先，芯片无法进行调整和修改，如要调整芯片结构则需对芯片进行重新设计和加工；其次，多功能集成化的微流控芯片对加工技术具有很高的要求，倘若芯片中某部分结构加工难度较高，该部分的加工失误则会导致整个芯片的加工失败，造成浪费；进一步地，由于上述微流控芯片设计过程中存在仿真耗时长，微流道加工复杂，样机定做成本高昂等问题，微流控芯片流道结构设计灵活性低，开发周期长，极大地限制了所设计的微流控芯片的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，在微液滴的制备中，能够适应各种液滴尺寸制备需求、制备效率高、成本低廉且能迅速完成流道结构验证实验。
本发明提供一种流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，包括基座、微调平台、流道宽度调节模块和光学测量模块，所述微调平台设于所述基座上方并通过支撑板与所述基座上部固定连接，所述流道宽度调节模块由安装在所述微调平台的多个流道组成板组成，所述流道组成板上下各贴附有透明压板，所述微调平台上设有可以控制所述流道组成板移动的调节旋钮，所述相邻的两块流道组成板与所述透明压板形成宽度尺寸可调节的流道，所述光学测量模块由相机、镜头和平行面光源组成，所述平行光源放置于所述支撑板与所述基座形成的容纳空间中，所述镜头和相机设在所述流道的正上方，所述相机用于捕捉平行光源通过流道缝隙透过的光线。
优选地，还包括防漏模块，所述防漏模块包括胶粘模块，所述胶粘模块由光敏胶粘剂和UV紫外固化灯组成，所述光敏胶粘剂涂附于所述流道组成板与所述透明亚克力压板接触面的交集位置。
优选地，所述透明压板为透明亚克力压板。
优选地，所述UV紫外固化灯分别设在上层所述透明亚克力压板的正上方和下层所述透明亚克力压板的正下方。
优选地，所述防漏模块还包括物理夹紧模块，所述物理夹紧模块由上盖板、紧压板、开槽平端紧定螺钉和下压板组成，所述上盖板和所述下压板通过螺丝连接，通过拧紧所述开槽平端紧定螺钉对所述紧压板施加向下的作用力。
优选地，还包括机台水平调节模块，所述机台水平调节模块由安装在所述基座的水平调节地脚组成。
优选地，所述水平调节地脚设有四个，分别设在所述基座底部的四个角。
优选地，所述流道为矩形流道。
优选地，所述流道的宽度尺寸的调节范围为0-1000μm。
优选地，所述流道的高度为800μm。
有益效果：
本发明通过设置由多个流道板与透明板组成的流道，并通过调节旋钮控制流道的宽度尺寸，而且所制备的微液滴直径尺寸由光学测量模块实时在线测出，能够适应各种液滴尺寸制备需求、制备效率高、成本低廉且能迅速完成流道结构验证实验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明装置的总装配结构示意图；
图2是本发明装置流道宽度调节结构示意图；
图3是本发明装置的流道结构示意图；
图4是本发明装置的胶粘防漏模块结构示意图；
图5是本发明装置的物理夹紧防漏模块结构示意图；
图6是本发明装置实施例2的“双十字”组合流道结构示意图；
图7是本发明装置实施例2制备双乳液滴的原理示意图；
图8是本发明装置实施例3的“T型十字”组合流道结构示意图；
图9是本发明装置实施例3制备双乳液滴的原理示意图。
附图标记说明：1-水平调节地脚、2-微调平台、3-相机、4-镜头、5-流道组成板、6-平行面光源、7-基座、8-微调旋钮、9-流道、10-透明亚克力压板、11-支撑板、12-上盖板、13-紧压板、14-开槽平端紧定螺钉、15-下压板、16-光敏胶粘剂、17-UV紫外固化灯、91-内相入口、92-中间相入口、93-外相入口、94-流道出口、95-单乳液滴、96-双乳液滴。
实施例1
如图1所示，在本实施例中，一种用于快速制备不同直径尺寸微液滴的微流控装置，主要功能模块包括机台水平调节模块、流道宽度调节模块、防漏模块和光学测量模块。以下将针对上述功能模块的结构组成和实现原理作详细说明。
所述机台水平调节模块由安装在基座7的四个水平调节地脚1组成，通过调节四个水平调节地脚1，使得基座7所在平面处于水平状态。
如图2所示，所述流道宽度调节模块由四组安装在微调平台2的流道组成板5组成。通过调节微调平台2上的调节旋钮8，使得安装固定在微调平台2上面的流道组成板5可以朝着图2中的水平或者竖直方向移动，从而导致相邻的两块流道组成板5所形成的流道9的宽度尺寸变大或变小，实现流道宽度可调节的功能。
如图3所示，所述流道9的截面形状为矩形，左右两块流道组成板5分别构成矩形流道的左面和右面，上下两块透明亚克力压板10分别构成矩形流道的上面和下面。矩形流道的高度是固定的，宽度可以调节。通过在上下两块透明亚克力压板10施加方向相对的夹紧作用力，实现密封的效果。
所述防漏模块由两部分组成：胶粘防漏模块和物理夹紧防漏模块。如图4所示，所述胶粘防漏模块由光敏胶粘剂16和UV紫外固化灯17组成。当相邻两块流道组成板5移动到合适的距离时(即流道9的宽度尺寸满足当前要求时)，在流道组成板5与透明亚克力压板10接触面的交集位置处涂上一层均匀的光敏胶粘剂16，然后将上下两块透明亚克力压板10盖在光敏胶粘剂16上，夹紧固定后使用UV紫外固化灯17分别照射一段时间直至光敏胶粘剂16完全固化。如图5所示，所述流道组成结构夹紧模块由上盖板12、紧压板13、开槽平端紧定螺钉14和下压板15组成。上盖板12和下压板15通过螺丝连接，通过拧紧开槽平端紧定螺钉14，可以对紧压板13施加一个向下的作用力，按照由上向下的方向，此后这个作用力依次传递到上透明亚克力压板、流道组成板5、下透明亚克力压板和下压板15，下压板15再对下透明亚克力压板施加一个方向相反、大小相等的反作用力。据此，最终实现对流道结构的夹紧密封效果。
所述光学测量模块由相机3、镜头4和平行面光源6组成。此模块实现的功能有二：其一是实现对流道9的宽度尺寸的测量，实现过程为：平行面光源6所发出的平行光线由下向上穿过流道9所形成的缝隙，在相机4上所成的图像为亮区域。而图像的其余区域由于受到流道组成板5的遮挡，在相机4上所成的图像为暗区域。故可以通过全局阈值分割提取流道9所在的亮区域，然后计算其最小外接矩形，所得矩形的宽即为流道9的宽度尺寸。其二是实现对所制备的微液滴的直径尺寸的测量，实现过程为：当平行面光源6所发出的平行光线由下向上穿过流道9所形成的缝隙时，能在相机4上得到微液滴轮廓的图像。利用边缘检测算子提取微液滴的外边缘，计算此边缘所包围的像素面积，然后利用圆的面积公式
Figure BDA0003493486030000061
即可计算出微液滴的直径尺寸D(单位为像素)，最后根据每像素尺寸所对应的实际尺寸数据计算出微液滴的实际尺寸(单位为微米)。
实施例2
如图6所示，在本实施例中，通过在实施例1中的图2所示结构中增加两组安装在微调平台2的流道组成板5，并改变其中一些流道组成板的形状以适配新的流道组合结构，可以得到一种用于快速制备不同直径尺寸双乳微液滴的“双十字”组合流道结构微流控装置。主要功能模块包括流道宽度调节模块、防漏模块。与实施例1相比，所述流道宽度调节模块、防漏模块的工作原理不变，而是流道的组成结构发生了改变。由于增加了两组流道组成板5结构，使得流道结构由实施例1的“单十字形”变为实施例2中的“双十字形”结构，所制备的微液滴由实施例1的单乳液滴变为实施例2的双乳液滴。以下将针对“双十字形”流道的结构组成和实现原理作详细说明。
为了方便描述实施例2的工作原理过程，按照从左到右，从上到下的顺序将图6中的六组流道组成板5的序号标记为51～56。通过调节微调平台2上的调节旋钮8，使得安装固定在微调平台2上面的流道组成板5可以朝着图6中的水平或者竖直方向移动，从而导致相邻的两块流道组成板5所形成的流道9的宽度尺寸变大或变小，实现流道宽度可调节的功能。其中，流道组成板51、53、54、56可以朝着图6中的水平或者竖直方向移动，而流道组成板52、55只能朝着图6中的竖直方向移动。
分别往内相入口91、中间相入口92、外相入口93注入对应的流体相时，所有流体最终从流道出口94流出。当内相流体在流道内流动经过第一个十字交汇点时，由于受到中间相流体的挤压，内相流体的前端逐渐聚焦，收缩成一个锥形，在锥的顶端形成一股微射流，随后在十字交汇点靠右一定距离处破碎成单分散性的液滴，即单乳液滴95；当产生的单乳液滴流经第二个十字交汇点，此时受到外相流体的挤压，内相和中间相的混合流体的前端逐渐聚焦，随后同样破碎成单分散性的液滴，但由于此时的混合流体中含有内相流体所形成的单乳液滴，使得破碎所形成的微液滴为内相流体为核心，外部被中间相流体包裹的结构，即双乳液滴96；最后，所生成的双乳液滴和其他相的所有流体都从流道出口94流出。
实施例3
如图8所示，在本实施例中，通过在实施例1中的图2所示结构中增加一组安装在微调平台2的流道组成板5，并改变其中一些流道组成板的形状以适配新的流道组合结构，可以得到一种用于快速制备不同直径尺寸双乳微液滴的“T型十字”组合流道结构微流控装置。主要功能模块包括流道宽度调节模块、防漏模块。与实施例1相比，所述流道宽度调节模块、防漏模块的工作原理不变，而是流道的组成结构发生了改变。由于增加了一组流道组成板5结构，使得流道结构由实施例1的“单十字形”变为实施例3中的“T型十字”结构，所制备的微液滴由实施例1的单乳液滴变为实施例3的双乳液滴。以下将针对“T型十字”流道的结构组成和实现原理作详细说明。
为了方便描述实施例3的工作原理过程，按照从左到右，从上到下的顺序将图8中的六组流道组成板5的序号标记为57～61。通过调节微调平台2上的调节旋钮8，使得安装固定在微调平台2上面的流道组成板5可以朝着图8中的水平或者竖直方向移动，从而导致相邻的两块流道组成板5所形成的流道9的宽度尺寸变大或变小，实现流道宽度可调节的功能。其中，流道组成板57、59、61可以朝着图6中的水平或者竖直方向移动，而流道组成板58只能朝着图6中的竖直方向移动，流道组成板60则固定不动。
分别往内相入口91、中间相入口92、外相入口93注入对应的流体相时，所有流体最终从流道出口94流出。当内相流体在流道内流动经过T型交汇点时，由于受到中间相流体的挤压，内相流体的前端逐渐聚焦，随后由于中间相流体的剪切作用力而在T型交汇点靠右一定距离处破碎成单分散性的液滴，即单乳液滴95；当产生的单乳液滴流经十字交汇点，此时受到外相流体的挤压，内相和中间相的混合流体的前端逐渐聚焦，随后同样破碎成单分散性的液滴，但由于此时的混合流体中含有内相流体所形成的单乳液滴，使得破碎所形成的微液滴为内相流体为核心，外部被中间相流体包裹的结构，即双乳液滴96；最后，所生成的双乳液滴和其他相的所有流体都从流道出口94流出。
工作和使用过程：
本发明公开了一种流道宽度可调的、用于快速制备不同直径微液滴的微流控装置，包括：安装在基座上的四个水平调节地脚，使得流道所在平面保持水平状态；微调平台通过支撑板与基座固连，使用螺丝将流道组成板安装在微调平台上，旋转微调平台上的旋钮使得流道组成板发生平面位移，导致相邻的流道组成板相互靠近或者远离，两者之间的距离尺寸即是流道宽度的尺寸，从而实现流道尺寸的可调节，并且此尺寸由光学测量模块测出；流道界面形状是矩形，两相邻的流道组成板构成此矩形的两个侧面，可通过上述调节微调平台旋钮的操作来使矩形流道的宽度尺寸发生改变，优选调节范围为0～1000；流道矩形的上下两面由两块透明亚克力压板构成，高度尺寸为800；防漏措施采用胶粘+物理夹紧的方式；胶粘部分由光敏胶粘剂和UV紫外固化灯组成，通过在透明亚克力压板和流道组成板的接触面之间填涂一层光敏胶粘剂，然后使用UV紫外固化灯照射到光敏胶粘剂的位置，待光敏胶粘剂完全固化后即可实现粘合的效果；物理夹紧部分采用由上盖板、紧压板、开槽平端紧定螺钉和下压板组成的流道组成结构夹紧模块实现，通过旋紧开槽平端紧定螺钉向紧压板施加一个压力，压力通过与其接触的结构部件继续向下传递，最终导致一对相向的作用力施加在上下两块透明亚克力压板上，实现夹紧功能；所制备的微液滴直径尺寸由光学测量模块实时在线测出。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，其特征在于，包括基座、微调平台、流道宽度调节模块和光学测量模块，所述微调平台设于所述基座上方并通过支撑板与所述基座上部固定连接，所述流道宽度调节模块由安装在所述微调平台的多个流道组成板组成，所述流道组成板上下各贴附有透明压板，所述微调平台上设有可以控制所述流道组成板移动的调节旋钮，所述相邻的两块流道组成板与所述透明压板形成宽度尺寸可调节的流道，所述光学测量模块由相机、镜头和平行面光源组成，所述平行光源放置于所述支撑板与所述基座形成的容纳空间中，所述镜头和相机设在所述流道的正上方，所述相机用于捕捉平行光源通过流道缝隙透过的光线。
2.根据权利要求1所述的流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，其特征在于，还包括防漏模块，所述防漏模块包括胶粘模块，所述胶粘模块由光敏胶粘剂和UV紫外固化灯组成，所述光敏胶粘剂涂附于所述流道组成板与所述透明压板接触面的交集位置。
3.根据权利要求2所述的流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，其特征在于，所述透明压板为透明亚克力压板。
4.根据权利要求3所述的流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，其特征在于，所述UV紫外固化灯分别设在上层所述透明亚克力压板的正上方和下层所述透明亚克力压板的正下方。
5.根据权利要求4所述的流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，其特征在于，所述防漏模块还包括物理夹紧模块，所述物理夹紧模块由上盖板、紧压板、开槽平端紧定螺钉和下压板组成，所述上盖板和所述下压板通过螺丝连接，通过拧紧所述开槽平端紧定螺钉对所述紧压板施加向下的作用力。
6.根据权利要求1所述的流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，其特征在于，还包括机台水平调节模块，所述机台水平调节模块由安装在所述基座的水平调节地脚组成。
7.根据权利要求6所述的流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，其特征在于，所述水平调节地脚设有四个，分别设在所述基座底部的四个角。
8.根据权利要求1所述的流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，其特征在于，所述流道为矩形流道。
9.根据权利要求8所述的流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，其特征在于，所述流道的宽度尺寸的调节范围为0-1000μm。
10.根据权利要求9所述的流道宽度可调的微液滴制备及测量装置，其特征在于，所述流道的高度为800μm。
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