CN114653414B - 一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置及其制备方法，利用具有椭圆形切口截面的离散相毛细管与中段颈缩的变径毛细管，通过简单机械装配(过盈配合)即可形成同轴且对称的双向三通微流道，结构简单牢靠，操作容易，可实现内外流道在液滴生成截面上的高同轴度，有效提升液滴尺寸的稳定性。相较于现有的带有额外连接装置的复杂结构的毛细管微流控装置，本发明仅通过毛细管的机械装配方法，实现了微流控装置在液滴生成截面上的绝对同轴及对称性，提升了生成液滴尺寸的均一性。另外，无需额外的紧固套件，操作简单，稳定性好，具有经济高效、成本低廉的优势，可广泛应用于微流控技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，尤其是一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置及其制备方法。
背景技术
液滴微流控技术是在微尺度流道内，利用粘性剪切力与表面张力之间的相互作用将连续的流体分割分离成离散的纳升级及以下体积微液滴的一种微流控技术。基于液滴的微流控技术具有试剂消耗低、反应速度快、分析通量高、液滴操作灵活、液滴间无交叉污染等优点，已成为一种广泛应用的多功能工具。微液滴具有比表面积大、体积小、通量高、体系独立等特性，在药物控释、核酸检测、微球材料合成、微胶囊合成、催化剂、化妆品和食品等领域中均有重要应用；另外，微液滴还涉及芯片实验室的应用，被用作微反应器来进行化学和生物化学反应。
现有技术通过对外部管道施加压力，或者使用三通连接套件(CN 110433882A)等的方法提升内外流道的同轴度，需要额外的连接装置固定管道，结构复杂，成本较高，且对于毛细管操作难度较大。另外，对于现有技术，由于额外的连接固定装置造成复杂的管道结构，往往对于同轴管道的相对位置不容易精确控制，流道长度的差异可能会引起流体流阻的变化，影响微流控装置批次间的液滴生成均一性。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置及其制备方法，通过管道结构之间嵌合的过盈配合，实现了微流控管道的同轴定位，结构简单牢靠，操作容易。
第一方面，本发明实施例提供了一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置，包括连续相毛细管、离散相毛细管和变径毛细管，所述连续相毛细管的后端和所述离散相毛细管的后端均与所述变径毛细管的前端连接；
所述连续相毛细管的前端用于输入连续相流体；
所述离散相毛细管的前端用于输入离散相流体，所述离散相毛细管的后端的切口截面为椭圆形；
所述变径毛细管为颈缩结构，所述变径毛细管的切口截面为圆形，所述变径毛细管中间的切口截面面积小于两端的切口截面面积，所述变径毛细管的后端用于输出共轴聚焦液滴；
密封胶，设于所述变径毛细管的前端；
其中，所述变径毛细管的前端的所述颈缩结构的内壁与所述离散相毛细管的后端的椭圆长轴的外壁接触形成过盈配合，所述变径毛细管与所述离散相毛细管的所述过盈配合处形成同轴管道结构。
可选地，所述连续相毛细管和所述离散相毛细管为刚性毛细管。
可选地，所述刚性毛细管包括聚醚醚酮毛细管、不锈钢毛细管和石英毛细管。
可选地，所述变径毛细管为柔性毛细管。
可选地，所述柔性毛细管包括聚四氟乙烯毛细管、氟化乙烯丙烯共聚物毛细管和硅胶毛细管。
可选地，所述连续相毛细管的数量为2，两根所述连续相毛细管设置于所述离散相毛细管两侧，两根所述连续相毛细管沿所述离散相毛细管的椭圆形端口的长轴对称。
可选地，所述装置还包括与所述变径毛细管相同的第二变径毛细管，所述第二变径毛细管的后端与所述离散相毛细管的前端连接，所述第二变径毛细管的后端的所述颈缩结构的内壁与所述离散相毛细管的前端的外壁接触形成过盈配合。
第二方面，本发明实施例提供了一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的制备方法，包括：
对待加工毛细管进行预处理，得到连续相毛细管、离散相毛细管和变径毛细管；
将所述连续相毛细管和所述离散相毛细管的后端插入所述变径毛细管的前端；
使用密封胶对所述变径毛细管的前端进行密封处理；
其中，所述离散相毛细管的后端的切口截面为椭圆形，所述变径毛细管为颈缩结构，所述变径毛细管的切口截面为圆形，所述变径毛细管中间的切口截面面积小于两端的切口截面面积；所述变径毛细管的前端的所述颈缩结构的内壁与所述离散相毛细管的后端的椭圆长轴的外壁接触形成过盈配合，所述变径毛细管与所述离散相毛细管的所述过盈配合处形成同轴双向管道结构。
可选地，所述对待加工毛细管进行预处理，得到连续相毛细管、离散相毛细管和变径毛细管，包括：
对待加工毛细管进行模切成型处理，得到所述离散相毛细管；
和，对待加工毛细管进行热拉伸成型处理，得到所述变径毛细管。
可选地，所述方法还包括：
将所述离散相毛细管的前端插入与所述变径毛细管相同的第二变径毛细管的后端；
其中，所述第二变径毛细管的后端的所述颈缩结构的内壁与所述离散相毛细管的前端的外壁接触形成过盈配合。
本发明实施例提出了一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置，利用具有椭圆形切口截面的离散相毛细管与中段颈缩的变径毛细管，通过简单机械装配(过盈配合)即可形成同轴且对称的双向三通微流道，结构简单牢靠，操作容易，可实现内外流道在液滴生成截面上的高同轴度，有效提升液滴尺寸的稳定性。相较于现有的带有额外连接装置的复杂结构的毛细管微流控装置，本发明仅通过毛细管的机械装配方法，实现了微流控装置在液滴生成截面上的绝对同轴及对称性，提升了生成液滴尺寸的均一性。另外，无需额外的紧固套件，操作简单，稳定性好，具有经济高效、成本低廉的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的外观示意图；
图2为本发明实施例提供的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的离散相毛细管的外观示意图；
图3为本发明实施例提供的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的结构顶视图；
图4为本发明实施例提供的基于图3的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的的A-A截面剖视图；
图5为本发明实施例提供的基于图3的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的的B-B截面剖视图；
图6为本发明实施例提供的另一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的一剖面示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的另一剖面示意图；
图8为本发明实施例提供的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的同轴聚焦流液滴生成原理示意图；
图9为本发明实施例提供的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的液滴生成效果示意图；
图10为本发明实施例提供的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的流动聚焦流液滴生成原理示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
为了使本申请内容及技术方案更加清楚明白，对相关术语及含义进行说明：
流动聚焦(flow focusing)：流动聚焦是一项微流控技术，其目的是通过直接的流体力学手段产生水滴或气泡，其基本原理是连续相流体围绕在离散相流体的侧翼或四周，以便在两种流体被挤出的孔口附近产生液滴或气泡破裂。
同轴聚焦(co-flow)：同轴流聚焦是指，连续相流道与离散相流道形成同心或同轴的平行流道，连续相和离散相的流体在流道内平行流动，离散相在进入连续相流道时，在连续相流体粘性剪切力的作用下，被挤压断裂形成液滴。
毛细管：凡内径很细的管子叫“毛细管”。通常指的是内径等于或小于1毫米的细管，因管径有的细如毛发故称毛细管。目前主要应用在医学和建筑材料上。
过盈配合：过盈配合是当孔的公差带在轴的公差带之下时，利用材料的弹性使孔扩大、变形并套在轴上，进而产生对轴的箍紧力，使两零件连接的一种机械装配方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置，包括连续相毛细管、离散相毛细管和变径毛细管，所述连续相毛细管的后端和所述离散相毛细管的后端均与所述变径毛细管的前端连接；
所述连续相毛细管的前端用于输入连续相流体；
所述离散相毛细管的前端用于输入离散相流体，所述离散相毛细管的后端的切口截面为椭圆形；
所述变径毛细管为颈缩结构，所述变径毛细管的切口截面为圆形，所述变径毛细管中间的切口截面面积小于两端的切口截面面积，所述变径毛细管的后端用于输出共轴聚焦液滴；
密封胶，设于所述变径毛细管的前端；
其中，所述变径毛细管的前端的所述颈缩结构的内壁与所述离散相毛细管的后端的椭圆长轴的外壁接触形成过盈配合，所述变径毛细管与所述离散相毛细管的所述过盈配合处形成同轴管道结构。
需要说明的是，由于变径毛细管圆形的颈缩结构，当离散相毛细管的椭圆形后端与其装配时，随着变径毛细管截面圆的直径逐渐缩小，离散相毛细管的后端椭圆形的长轴会逐渐与变径毛细管截面圆的直径重合并趋于稳定，直至完全重合，离散相毛细管的输出端椭圆切口长轴与变径毛细管颈缩内壁紧密接触，形成过盈配合，并在该截面上形成绝对的同轴及对称性。
可选地，所述连续相毛细管和所述离散相毛细管为刚性毛细管。
可选地，所述刚性毛细管包括聚醚醚酮毛细管、不锈钢毛细管和石英毛细管。
可选地，所述变径毛细管为柔性毛细管。
可选地，所述柔性毛细管包括聚四氟乙烯毛细管、氟化乙烯丙烯共聚物毛细管和硅胶毛细管。
可选地，所述连续相毛细管的数量为2，两根所述连续相毛细管设置于所述离散相毛细管两侧，两根所述连续相毛细管沿所述离散相毛细管的椭圆形端口的长轴对称。
需要说明的是，两根连续相毛细管沿离散相毛细管的椭圆形端口的长轴对称，并设置于离散相毛细管的椭圆形端口的短轴的延长线上，在一些实施例中，借助两侧连续相毛细管辅助固定位置，进一步保持毛细管微流控装置的同轴稳定性，
可选地，所述装置还包括与所述变径毛细管相同的第二变径毛细管，所述第二变径毛细管的后端与所述离散相毛细管的前端连接，所述第二变径毛细管的后端的所述颈缩结构的内壁与所述离散相毛细管的前端的外壁接触形成过盈配合。
需要说明的是，为进一步保持毛细管微流控装置的同轴稳定性，在一些实施例中，在离散相毛细管的前端增加一个相同的嵌套结构，离散相前后端的协同作用可以实现绝对的同轴度。
第二方面，本发明实施例提供了一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的制备方法，包括：
对待加工毛细管进行预处理，得到连续相毛细管、离散相毛细管和变径毛细管；
将所述连续相毛细管和所述离散相毛细管的后端插入所述变径毛细管的前端；
使用密封胶对所述变径毛细管的前端进行密封处理；
其中，所述离散相毛细管的后端的切口截面为椭圆形，所述变径毛细管为颈缩结构，所述变径毛细管的切口截面为圆形，所述变径毛细管中间的切口截面面积小于两端的切口截面面积；所述变径毛细管的前端的所述颈缩结构的内壁与所述离散相毛细管的后端的椭圆长轴的外壁接触形成过盈配合，所述变径毛细管与所述离散相毛细管的所述过盈配合处形成同轴双向管道结构。
可选地，所述对待加工毛细管进行预处理，得到连续相毛细管、离散相毛细管和变径毛细管，包括：
对待加工毛细管进行模切成型处理，得到所述离散相毛细管；
和，对待加工毛细管进行热拉伸成型处理，得到所述变径毛细管。
可选地，所述方法还包括：
将所述离散相毛细管的前端插入与所述变径毛细管相同的第二变径毛细管的后端；
其中，所述第二变径毛细管的后端的所述颈缩结构的内壁与所述离散相毛细管的前端的外壁接触形成过盈配合。
本发明装置实施例的内容均适用于本方法实施例，本方法实施例所具体实现的功能与上述装置实施例具有的功能相同，并且达到的有益效果与上述装置实施例达到的有益效果也相同。
下面结合说明书附图，对本发明的装置的结构功能进行详细说明：
参照图1至图5，本发明实施例提供了一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置，包括连续相毛细管1、离散相毛细管2、变径毛细管3、密封胶(图中未示出)。连续相毛细管的输出端嵌入变径毛细管的输入端，离散相毛细管的输出端嵌入变径毛细管的内部至管道颈缩处以过盈配合方式紧固；两根连续相毛细管分布在所述离散相毛细管的两侧保持对称。其中，连续相毛细管为内/外径均匀的毛细管，连续相毛细管的外径小于所述变径毛细管的初始内径；离散相毛细管的输出端为椭圆形切口截面4，椭圆切口的长轴大于自身初始内径，椭圆切口的短轴小于自身初始内径；变径毛细管为中段颈缩的毛细管，变径毛细管的初始直径大于离散相毛细管输出端椭圆切口的长轴；变径毛细管的最小内径小于离散相毛细管输出端椭圆切口的长轴。
在一些实施例中，连续相毛细管和离散相毛细管的材质可选择刚性毛细管，包括高机械强度的聚合物毛细管(如聚醚醚酮毛细管)、不锈钢毛细管以及石英毛细管。
在一些实施例中，离散相毛细管和所述变径毛细管的材质可选择易塑形的聚合物毛细管，包括聚醚醚酮毛细管、聚四氟乙烯毛细管、氟化乙烯丙烯共聚物毛细管、硅胶毛细管。
在一些实施例中，参照图4，毛细管微流控装置在离散相毛细管两侧设置了对称的连续相毛细管，离散相毛细管借助两侧连续相毛细管辅助固定位置，进一步保持同轴稳定性。
在一些实施例中，参照图6和图7，毛细管微流控装置在离散相毛细管在离散相毛细管的输入端增加一个与变径毛细管相同的嵌套结构的第二变径毛细管，第二变径毛细管输入端内外管道均为圆形截面，离散相毛细管与前后端的变径毛细管过盈配合的协同作用可以实现绝对的同轴度。
具体地，毛细管微流控装置的制备方法包括：
1.利用模切成型将离散相毛细管的输出端加工成为椭圆形切口截面，并通过控制模切温度及速度，调控切口的长轴与短轴尺寸；
2.利用热拉伸成型将变径毛细管的中段加工成为局部颈缩的毛细管，并通过成型温度、拉伸速度及拉伸距离调控变径毛细管的最小内径及颈缩梯度；
3.将成型的离散相毛细管的输出端嵌入成型的变径毛细管内部，直至离散相毛细管的输出端椭圆切口长轴与变径毛细管颈缩内壁紧密接触，形成过盈配合，并在该截面上形成绝对的同轴及对称性(圆与椭圆)；
4.将连续相毛细管的输出端插入变径毛细管的输入端，用密封胶对变径毛细管的输入端进行密封处理。
在一些具体的实施例，毛细管微流控装置的具体材料及规格如下(应当理解的是，该实施例仅用于解释本发明，不能看作对本发明的限制)：
连续相输入毛细管采用聚醚醚酮材质材质，外径0.1mm，内径0.05mm；
离散相毛细管采用聚醚醚酮材质，输入端外径0.1mm，输入端内径0.05mm，输出端椭圆切口长轴0.13mm，输出端椭圆短轴0.08mm；
变径毛细管采用聚四氟乙烯材质，初始外径0.6mm，初始内径0.3mm，变径部位最小外径0.18mm，变径部位最小内径0.1mm；
密封胶采用EVA热熔胶。
参照图8，基于上述毛细管微流控装置的同轴聚焦液滴生成方法包括：
将连续相毛细管的输入端插入油相样本中，将离散相毛细管的输入端插入水相样本中；
将变径毛细管的输出端连接液滴收集管道的一段，液滴收集管道的另一端连接气压泵；
利用调压阀控制气压泵输出压力为-15KPa，待气压稳定后打开气路截止阀，在负压作用下，油相样本和水相样本同时流入液滴微流控装置，并在双向三通的椭圆切口处交汇，形成同轴聚焦流，生成高通量微液滴；
将收集到的微液滴置于显微镜下进行观察和测量，如图9所示，液滴平均直径为118±3μm，即液滴体积约为1nL。
参照图10，本发明的毛细管微流控装置还可以实现通过改变离散相流体流动方向实现同轴聚焦和流动聚焦液滴生成模式的切换，图10所示为流动聚焦液滴生成的原理示意图。
综上所述，针对现有技术为提升内外流道的同轴度，需要通过额外的连接装置固定管道，造成的毛细管微流道装置结构复杂，成本较高的问题。本发明提供一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置及其制备方法，利用具有椭圆形切口截面的离散相毛细管与中段颈缩的变径毛细管，通过简单机械装配(过盈配合)即可形成同轴且对称的双向三通微流道，结构简单牢靠，操作容易，可实现内外流道在液滴生成截面上的高同轴度，有效提升液滴尺寸的稳定性。另外，本发明只要精准控制内管道椭圆切口的尺寸，即可通过过盈配合装配在外管道相同内径的位置，更容易确保同轴管道的相对位置一致，进一步优化同类产品批次间的稳定性。本发明的有益效果为：仅通过毛细管的机械装配方法，实现了微流控装置在液滴生成截面上的绝对同轴及对称性，提升了生成液滴尺寸的均一性。另外，无需额外的紧固套件，操作简单，稳定性好，具有经济高效、成本低廉的优势。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置，其特征在于，包括连续相毛细管、离散相毛细管和变径毛细管，所述连续相毛细管的后端和所述离散相毛细管的后端均与所述变径毛细管的前端连接；
所述连续相毛细管的前端用于输入连续相流体；
所述离散相毛细管的前端用于输入离散相流体，所述离散相毛细管的后端的切口截面为椭圆形；
所述变径毛细管为颈缩结构，所述变径毛细管的切口截面为圆形，所述变径毛细管中间的切口截面面积小于两端的切口截面面积，所述变径毛细管的后端用于输出共轴聚焦液滴；
密封胶，设于所述变径毛细管的前端；
其中，所述变径毛细管的前端的所述颈缩结构的内壁与所述离散相毛细管的后端的椭圆长轴的外壁接触形成过盈配合，所述变径毛细管与所述离散相毛细管的所述过盈配合处形成同轴管道结构；所述连续相毛细管和所述离散相毛细管为刚性毛细管；所述变径毛细管为柔性毛细管；
所述连续相毛细管的数量为2，两根所述连续相毛细管设置于所述离散相毛细管两侧，两根所述连续相毛细管沿所述离散相毛细管的椭圆形端口的长轴对称。
2.根据权利要求1所述的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置，其特征在于，所述刚性毛细管包括聚醚醚酮毛细管、不锈钢毛细管和石英毛细管。
3.根据权利要求1所述的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置，其特征在于，所述柔性毛细管包括聚四氟乙烯毛细管、氟化乙烯丙烯共聚物毛细管和硅胶毛细管。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置，其特征在于，还包括与所述变径毛细管相同的第二变径毛细管，所述第二变径毛细管的后端与所述离散相毛细管的前端连接，所述第二变径毛细管的后端的所述颈缩结构的内壁与所述离散相毛细管的前端的外壁接触形成过盈配合。
5.一种如权利要求1所述的过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的制备方法，其特征在于，包括：
对待加工毛细管进行预处理，得到连续相毛细管、离散相毛细管和变径毛细管；
将所述连续相毛细管和所述离散相毛细管的后端插入所述变径毛细管的前端；
使用密封胶对所述变径毛细管的前端进行密封处理；
其中，所述离散相毛细管的后端的切口截面为椭圆形，所述变径毛细管为颈缩结构，所述变径毛细管的切口截面为圆形，所述变径毛细管中间的切口截面面积小于两端的切口截面面积;所述变径毛细管的前端的所述颈缩结构的内壁与所述离散相毛细管的后端的椭圆长轴的外壁接触形成过盈配合，所述变径毛细管与所述离散相毛细管的所述过盈配合处形成同轴双向管道结构；所述连续相毛细管和所述离散相毛细管为刚性毛细管；所述变径毛细管为柔性毛细管。
6.根据权利要求5所述的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的制备方法，其特征在于，所述对待加工毛细管进行预处理，得到连续相毛细管、离散相毛细管和变径毛细管，包括：
对待加工毛细管进行模切成型处理，得到所述离散相毛细管；
和，对待加工毛细管进行热拉伸成型处理，得到所述变径毛细管。
7.根据权利要求5或6任一项所述的一种过盈配合辅助定位的毛细管微流控装置的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述离散相毛细管的前端插入与所述变径毛细管相同的第二变径毛细管的后端；
其中，所述第二变径毛细管的后端的所述颈缩结构的内壁与所述离散相毛细管的前端的外壁接触形成过盈配合。
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