CN115007236A - 基于离心震荡的便携式液滴制作装置及其液滴制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于离心震荡的便携式液滴制作装置及其液滴制作方法，其中，基于离心震荡的便携式液滴制作装置用于插入储存第一液相的储液箱进行液滴制备，包括：支撑机构，包括固定部和手持部，所述固定部底部开设有卡槽，所述手持部连接于所述固定部顶部；震荡机构，包括毛细管、移动架及其震动端，所述毛细管内部中空且两端开口，用于储存第二液相，所述毛细管的一端插设并卡接于所述卡槽、另一端呈针尖状，以便插设于所述第一液相，所述移动架沿水平方向滑动连接于所述固定部。本发明的液滴制作装置可以通过震动端高频撞击毛细管，产生回旋震荡的离心力牵引毛细管中的液体流出，实现无注射泵条件下的连续进样和液滴制备。
Description
技术领域
本发明涉及液滴制作技术领域，尤其涉及一种基于离心震荡的便携式液滴制作装置及其液滴制作方法。
背景技术
微液滴具有体积小、通量高、大小均一、内部稳定、可操控等优点被广泛应用于生物、化学检测分析、医疗诊断、理论计算和材料合成等领域，特别是高通量超快速的液滴生成技术在数字化PCR和单分子无扩增等绝对定量检测中已经成为POCT的关键限制因数。2015年杜文斌课题组提出了基于毛细管末端上下微震动的方式来实现液滴生成(例如专利201410655191.5)，这种液滴生成依赖于水相流体的流速以及毛细管震动的频率，相对于微流控芯片虽然无需芯片设计，但是其制备过程难操控，而且主要依靠于微流注射泵驱动液体从毛细管挤出，难以实现液滴制备的便携化；2016年黄岩谊课题组提出了基于毛细管阵列结合惯性力驱动生成液滴的方式(例如专利201510155217.4)，该方法有效的克服了需要高精度注射泵进样的特点，但是其毛细管阵列制作复杂，批次差异性大，限制了其应用，在液滴制备过程中，仍然需要离心机等硬件设备，难以走向实时应用场景；此外，杨朝勇2017年提出了另一种离心式微流控芯片用于液滴的形成(例如专利201710855088.9)，然而，该方法仍然需要复杂的芯片结构设计，制作加工复杂，同样的，该装置也需要离心装置，难以微型化，不便于POCT检测。
例如，专利CN106076443B，还提供了一种微通道阵列板的制备方法，包括以下步骤：(1)取两种不同的光纤玻璃棒，其中一种不能被腐蚀液腐蚀，一种能够被腐蚀液腐蚀，将二者紧密排列，在高温下融化为一个整体，经过一次或多次拉制为长而细的玻璃棒，将拉细的玻璃棒切割为小片，得到微通道板毛坯；(2)对毛胚进行腐蚀除去芯料，得到带卡槽的微通道板；(3)对微通道板进行疏水处理。使用本发明的微通道阵列板与收集装置和加速度产生装置配合能够利用惯性力高通量快速产生均匀的微米级液滴。
目前，大多数的液滴制作装置都类似于上述专利，液滴生成是基于微流控芯片，需要对液滴的形成环境进行严格的控制，现有液滴生成方式不可避免的存在结构复杂或操控难的缺点，而且液滴生成都需要对芯片材料或者毛细管进行复杂的亲疏水处理，才能够让液滴摆脱一定的表面张力来完成液滴的制备。而采用微振荡或者离心力方式的驱动力都严重制约了液滴POCT检测中简单和便携式的需要。因此，需要一种结构简单，操作容易的便携式液滴生成装置和新方法。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种基于离心震荡的便携式液滴制作装置及其液滴制作方法，解决现有技术中的液滴制作装置结构复杂操作困难的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种基于离心震荡的便携式液滴制作装置，用于插入储存第一液相的储液箱进行液滴制备，其包括：
支撑机构，包括固定部和手持部，所述固定部底部开设有卡槽，所述手持部连接于所述固定部顶部；
震荡机构，包括毛细管、移动架及其震动端，所述毛细管内部中空且两端开口，用于储存第二液相，所述毛细管的一端插设并卡接于所述卡槽、另一端呈针尖状，以便插设于所述第一液相，所述移动架沿水平方向滑动连接于所述固定部，所述震动端连接于所述移动架并相对所述毛细管设置，通过移动所述移动架可驱使所述震动端相对所述毛细管移动，以便带动所述震动端抵接至所述毛细管，用于驱使所述毛细管在所述第一液相内震动，以供所述毛细管中的第二液相在碰撞离心力的作用下甩出并形成液滴。
进一步的，还包括橡胶套，所述橡胶套内置于所述卡槽并开设有供所述毛细管卡接固定的卡接槽。
进一步的，所述震动端包括电机和撞击块，所述电机连接于所述移动架并相对所述毛细管设置，所述撞击块套设于所述电机的输出轴，以便跟随所述移动架移动并抵接至所述毛细管。
进一步的，所述电机为空心杯电机。
进一步的，所述毛细管为玻璃毛细管。
进一步的，所述毛细管插设于第一液相的一端还设置有弯曲端。
进一步的，所述弯曲端的弯曲角度为20°-150°。
进一步的，所述撞击块为塑料撞击块。
进一步的，所述撞击块设置为齿轮状。
本发明还提供一种液滴制作方法，其包括上述的基于离心震荡的便携式液滴制作装置，还包括以下操作步骤：
步骤一、填充第一液相至储液箱，填充第二液相至毛细管中；
步骤二、将毛细管的一端插设至橡胶套中卡接固定，然后将毛细管呈针尖状的另一端插设至第一液相中；
步骤三、通过移动架调节撞击块的位置，使得撞击块可以在转动的时候撞击至毛细管上；
步骤四、启动电机，即可通过电机驱动撞击块转动，并通过电机的高速转动使毛细管产生高频震动，从而完成液滴的制作；
步骤五、液滴的制作完成后，首先驱使撞击块远离毛细管，然后停止电机，若需要继续制作液滴，重复以上步骤即可。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明提供的液滴制作装置采用震动式结构，其中，毛细管和储液箱内分别存放两种不相容的液相，毛细管插入存放第一液相的容器中，通过撞击毛细管产生高频回旋离心震荡，促使毛细管针尖第二液相快速逃逸进入第一液相中实现液滴的制备，回旋震荡的离心力能够牵引毛细管中的液体流出，实现无注射泵条件下的连续进样和液滴制备，无需进行芯片的复杂设计，有效解决了超高通量的液滴的快速制备的微型化、便携化问题。
附图说明
图1是本发明提供的实施例-基于离心震荡的便携式液滴制作装置的结构示意图；
图2是本发明提供的实施例-基于离心震荡的便携式液滴制作装置中震荡机构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
参照图1，本发明提供了一种基于离心震荡的便携式液滴制作装置，用于插入储存第一液相的储液箱10进行液滴制备，其包括支撑机构1和震荡机构2，所述支撑机构1用于固定震荡机构2并设有卡槽，所述震荡机构2滑动连接于所述支撑机构1且其液滴形成部的一端可拆卸式插设于卡槽内、另一端则可以插设至储液箱中完成液滴制备。
储液箱用于储存第一液相，支撑机构1包括有固定端和手持端，便于操作人员手持该装置插入储液箱完成液滴制作，震荡机构2则包括液滴形成部及其移动式震动部，液滴形成部内存放有第二液相且其一端连接至固定端、另一端插入储液箱的第一液相内，移动式震动部则可以根据需要相对液滴形成部移动，从而抵接至液滴形成部，然后带动液滴形成部在第一液相内震动，即可控制第二液相在第一液相内震动完成液滴的制作。本发明提供的实施例中，储液箱为塑料管，其还可以采用亚克力板或者其他透明材料制作，便于观察液滴形成的情况。
所述支撑机构1包括固定部11和手持部12，所述固定部11的底部开设有卡槽111，所述手持部12连接于所述固定部11的顶部。其中，固定部11可以设置为圆形、方形或者其他形状等，手持部12可以设置为圆柱状，其对应的控制按钮可以设置在手持部12，便于手动操作该液滴制作装置。
参照图2，所述震荡机构2包括毛细管21、移动架22及其震动端23，所述毛细管21内部中空且两端开口，用于储存第二液相，所述毛细管21的一端插设并卡接于所述卡槽111、另一端呈针尖状，以便插设于所述第一液相，其可以手动拆装毛细管21，所述移动架22沿水平方向滑动连接于所述固定部11，其对应的所述固定部11上开设有用于移动架22移动的滑轨，所述震动端23连接于所述移动架22并相对所述毛细管21设置，通过移动所述移动架22可驱使所述震动端23相对所述毛细管21移动，以便带动所述震动端23抵接至所述毛细管21，用于驱使所述毛细管21在所述第一液相内震动，以供所述毛细管中的第二相液体在碰撞离心力的作用下甩出并形成液滴。其中，所述毛细管21为玻璃毛细管，其还可以采用其他材料制作，所述毛细管21插设于第一液相的一端还设置有弯曲端211，该弯曲端的弯曲角度为10°-150°，所述毛细管可选择普通的毛细管，直径范围在0.1-1mm，可以通过酒精灯进行烧结，同时适当力度将其弯曲，当玻璃熔化变形后迅速拉开，即可以得到尖端部分弯曲的L型毛细管毛坯，弯曲的部分长度约1cm，根据制备液滴的大小，通过磨针仪或者剪刀制成特定的出口孔径，孔径范围0.005mm-1mm。
本发明提供的实施例中，所述移动架22远离所述毛细管21的一侧还设置有把手221，便于手动移动该移动架22。其中，所述固定部11的侧壁还相对移动架22开设有尺寸刻度，便于调节震动端23相对毛细管21的距离，用于调节毛细管21的震动幅度。
本发明提供的实施例中，该液滴制作装置还包括橡胶套3，所述橡胶套3内置于所述卡槽111并开设有供所述毛细管21卡接固定的卡接槽，用于隔绝玻璃毛细管21和固定部11，避免毛细管21撞击固定部11损坏，便于毛细管21产生高频震动。
作为优选的实施例，所述震动端23包括电机231和撞击块232，所述电机231连接于所述移动架22并相对所述毛细管21设置，所述撞击块232套设于所述电机231的输出轴，以便跟随所述移动架22移动并抵接至所述毛细管21。其中，电机231可以竖直、水平或者倾斜设置，其可以根据需要安装以便更好的移动并抵接至毛细管，在液滴制备时，调节撞击块232的位置使其抵接至毛细管21，启动电机231即可让毛细管21与撞击块232发生高频的弹性撞击，受到撞击的毛细管21具有较大的动能转换，沿切线方向发生运动，而毛细管21的质地具有一定的弹性，会在被撞击后发生回弹，由于撞击块232的高速转动，会在毛细管21还未恢复到原始状态时就又被撞击，这样就会形成方向多样的力促使毛细管21进行来回回旋震荡运动模式，将毛细管21中的液滴连续地离心甩出，通过控制电机231的转速可以控制毛细管21震荡的快慢，通过控制撞击块232相对毛细管21的距离可以控制毛细管21的震动幅度。
本发明提供的实施例中，所述电机231为空心杯电机，其还可以采用其他微型电机，电机尺寸优选的为1cm以下，转速在60～200000每分钟，所用的电源为传统的1-24v皆可。
本发明提供的实施例中，所述撞击块232为塑料撞击块，具有一定的弹性，能够在保证高速转动的时候不对玻璃毛细管产生强力破坏，其中，撞击块设置为齿轮状，其还可以为弯曲的圆柱体、短粗半圆柱体、T形等，用于撞击毛细管21使其产生高频震动。此外，可以选用半圆形的铁撞击块和毛细管钢针，半圆形撞击块转动时自然产生回旋振荡，在碰撞毛细管时能够引发更大的振幅的震荡离心运动，能够满足钢针类型的毛细管用于液滴生产的应用。
本发明提供的实施例中，所述第一油相和所述第二油相可以分别是水相和油相，或者油相和水相，也可以是能够产生不溶性的两相液体反应液，用于高效的形成油包水、水包油或者是反应后的不溶颗粒物或者合成材料等制备。
本发明还提供一种液滴制作方法，其包括上述的基于离心震荡的便携式液滴制作装置，还包括以下操作步骤：
步骤一、填充第一液相至储液箱，填充第二液相至毛细管中；
步骤二、将毛细管插设至橡胶套中固定并使毛细管的一端插设至第一液相中；
步骤三、通过移动架调节撞击块的位置，使得撞击块可以在转动的时候撞击至毛细管上；
步骤四、启动电机，即可通过电机驱动撞击块转动，并通过电机的高速转动使毛细管产生高频震动，从而完成液滴的制作；
步骤五、液滴的制作完成后，首先驱使撞击块远离毛细管，然后停止电机，若需要继续制作液滴，重复以上步骤即可。
步骤一中，毛细管通过负压抽吸进样(例如，注射器)，进行小体积的样品进样；也可以通过软管和样品管连接，采用主动进样灌满毛细管，可满足毫升级的大体积的液滴制备；油相可以选择为正十六烷、矿物油或者氟化油；为了增加液滴的稳定性，需添加一些常用的表面活性剂。
实施例1
电机采用空心杯电机，额定电压3V，转速35000转，转子为圆柱体塑料，长约2cm，其尖端处弯折呈60°，在毛细管出口孔径直径约70微米的制备得到的液滴粒径约为30微米以下，制备液滴的速度为约1微升/秒，液滴的生成速率并不是触发一次，生成一个液滴，而是在毛细管针尖回旋振荡时，液体连续的甩出，被油相分割形成液滴。
实施例2
电机采用低速电机，转速在600转每分钟，毛细管孔径约150微米，制备的液滴约为120微米，在低速模式下，液滴的形成跟撞击的强度和频率相关，该模式下和杜文斌模式类似，但是我们通过撞击离心力的设计巧妙地回避了液滴的控制和牵引力的问题，具有更加简便的特征。
实施例3
电机采用半圆柱体震荡电机，能够在高速运动中产生较大的震荡旋转，在撞击中引起毛细管针尖更大的回旋离心作用；更为重要的是，该模式下毛细管可以选择为钢针等类型，满足更多的液滴生成场景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于离心震荡的便携式液滴制作装置，用于插入储存第一液相的储液箱进行液滴制备，其特征在于，包括：
支撑机构，包括固定部和手持部，所述固定部底部开设有卡槽，所述手持部连接于所述固定部顶部；
震荡机构，包括毛细管、移动架及其震动端，所述毛细管内部中空且两端开口，用于储存第二液相，所述毛细管的一端插设并卡接于所述卡槽、另一端呈针尖状，以便插设于所述第一液相，所述移动架沿水平方向滑动连接于所述固定部，所述震动端连接于所述移动架并相对所述毛细管设置，通过移动所述移动架可驱使所述震动端相对所述毛细管移动，以便带动所述震动端抵接至所述毛细管，用于驱使所述毛细管在所述第一液相内震动，以供所述毛细管中的第二液相在碰撞离心力的作用下甩出并形成液滴。
2.根据权利要求1所述的基于离心震荡的便携式液滴制作装置，其特征在于：还包括橡胶套，所述橡胶套内置于所述卡槽并开设有供所述毛细管卡接固定的卡接槽。
3.根据权利要求1所述的基于离心震荡的便携式液滴制作装置，其特征在于：所述震动端包括电机和撞击块，所述电机连接于所述移动架并相对所述毛细管设置，所述撞击块套设于所述电机的输出轴，以便跟随所述移动架移动并抵接至所述毛细管。
4.根据权利要求3所述的基于离心震荡的便携式液滴制作装置，其特征在于：所述电机为空心杯电机。
5.根据权利要求4所述的基于离心震荡的便携式液滴制作装置，其特征在于：所述毛细管为玻璃毛细管。
6.根据权利要求1所述的基于离心震荡的便携式液滴制作装置，其特征在于：所述毛细管插设于第一液相的一端还设置有弯曲端。
7.根据权利要求6所述的基于离心震荡的便携式液滴制作装置，其特征在于：所述弯曲端的弯曲角度为10°-150°。
8.根据权利要求3所述的基于离心震荡的便携式液滴制作装置，其特征在于：所述撞击块为塑料撞击块。
9.根据权利要求8所述的基于离心震荡的便携式液滴制作装置，其特征在于：所述撞击块设置为齿轮状。
10.一种液滴制作方法，包括权利要求1-9任一项所述的基于离心震荡的便携式液滴制作装置，其特征在于，还包括以下操作步骤：
步骤一、填充第一液相至储液箱，填充第二液相至毛细管中；
步骤二、将毛细管的一端插设至橡胶套中卡接固定，然后将毛细管呈针尖状的另一端插设至第一液相中；
步骤三、通过移动架调节撞击块的位置，使得撞击块可以在转动的时候撞击至毛细管上；
步骤四、启动电机，即可通过电机驱动撞击块转动，并通过电机的高速转动使毛细管产生高频震动，从而完成液滴的制作；
步骤五、液滴的制作完成后，首先驱使撞击块远离毛细管，然后停止电机，若需要继续制作液滴，重复以上步骤即可。
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