CN115970774A - 一种多组分单分散微液滴数字电控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多组分单分散微液滴数字电控系统及方法，包括：多组分液滴生成模块，用于通过控制分散相和连续相之间的流量比，获得微液滴；多组分液滴数字电控模块，用于通过若干个尖角电极和平角电极的组合电极控制所述微液滴的变形、移动和融合；所述多组分液滴生成模块和多组分液滴数字电控模块通过注入PVA溶液的流道连接，且均位于微液滴芯片上。本发明通过分立式液滴生成单元和多组分液滴的流动聚焦结构，根据流量比的调节和整体流量的调整，实现微液滴组分结构的控制和微液滴大小流速的控制，最终形成复杂多组分液滴独立生成系统。

Description

一种多组分单分散微液滴数字电控系统及方法

技术领域

本发明属于微液滴数字电控领域，特别是涉及一种多组分单分散微液滴数字电控系统及方法。

背景技术

液滴微流体因为比表面积大、各液滴独立可控、试剂用量少等优点而成为研究热点，适用于化学合成、生物制剂和药物运输等领域。与此同时，与之相关的液滴生成、分类、融合、分裂和捕获技术为上述应用实际提供了无与伦比的精细控制方法，也满足了微流体控制日益增长的要求。

液滴的产生源于流体的不稳定性。在被动式生成方法中，将一种或多种不相容的流体(分散流体)引入另一种(连续流体)，形成的主要流动模式有大体有挤压、滴漏、喷射、尖端流动等方法。在主动式生成方法中，额外的能量输入改变了界面上的力平衡，从而操纵了界面的不稳定性。总体来说，在主动控制中可以通过两种基本策略来改变界面力平衡：(1)引入附加力，如电、磁和离心力；(2)通过改变内在参数，如流动速度和材料特性，来改变粘性力、惯性力和毛细管力。

液滴成对融合代表了液滴微流体的一个基本过程，它包括四个步骤：1)液滴捕获；2)液滴接近、碰撞和变形；3)液滴之间连续相的排出；4)液滴的破裂和融合。液滴融合的方法可以是被动的或主动的，其中前者在没有外部驱动的情况下融合液滴，而后者利用额外的能量输入来促进液滴融合的界面不稳定性。与被动方法相比，借助额外的能量输入来调节液滴的融合显示出一些优点。特别是主动方法在控制液滴融合动力学和融合速度方面提供了额外的处理和更高的灵活性，这对于基本物理机制的理解和液滴的实际应用至关重要。

此外，为了对微液滴的进一步分析，需要研发筛选、捕获等方法实现进一步实时监控与研究，目前这些技术手段仍然在研究当中。虽然当前微流控液滴技术还存在诸多难题，其技术形式基本上还处在实验室阶段。因此需要进一步开发高度可控的微液滴操控技术。

在当前的微液滴控制系统中，主要存在两大问题。首先是微液滴的结构多样性难以保证，分散体系较为单一。目前微液滴生成体系通常为水/油体系，而且生成的液滴主要以单液滴为主，难以实现多组分液滴的分散体系，以及水/油(分散相为水，连续相为油)、油/水和油/油体系的有效切换仍然存在困难。其次是控制的可编程性、快速响应性和灵活性不足，传统微液滴的控制系统中主要采用被动控制，控制手段以流量条件、流体性质变化为主，主动控制手段采用热、光、磁场等，加热控制响应时间长，光学控制对流体材料有较高要求，磁场控制往往需要在溶液中添加磁性纳米颗粒，从而实现对微液滴流动状态的控制。因此，目前需要一种能够实现可编程的、快速响应的、布置灵活的多组分液滴动态控制系统，能实现多种液滴分散体系的微液滴芯片工艺方法，从而满足日益增长的微液滴控制需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种多组分单分散微液滴数字电控系统及方法，依托于当前的MEMS加工技术和非接触电极加工工艺，制备微液滴系统集成芯片，依托于流体剪切和直/交流电场的物理机制，生成和控制微液滴的各项行为，依托于流道设计、电极设计，实现复杂结构液滴特异性行为的控制，相比于现有的微液滴控制系统使获得的液滴组分更多样、结构更复杂，而且控制系统更灵活、可编程性更丰富、响应程度更快速，能够实现微液滴控制的集成性、非接触性和高度可调性，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目，本发明提供了一种多组分单分散微液滴数字电控系统，包括：

多组分液滴生成模块，用于通过控制分散相和连续相之间的流量比，获得微液滴；

多组分液滴数字电控模块，用于通过若干个尖角电极和平角电极的组合电极控制所述微液滴的变形、移动和融合；

所述多组分液滴生成模块和多组分液滴数字电控模块通过注入PVA溶液的流道连接，且均位于微液滴芯片上。

可选地，所述多组分液滴生成模块包括若干个分立式液滴生成单元；

所述分立式液滴生成单元包括若干组分散相，通过控制所述若干组分散相的比例，调节形成液滴的组分结构；

所述分立式液滴生成单元的外部包括若干组连续相流体，所述若干组连续相流体通过对形成的液滴进行剪切，获得微液滴。

可选地，所述微液滴数字电控系统还包括液体输入模块和电压控制模块；

所述液体输入模块包括若干个微量注射器，所述若干个微量注射器通过聚四氟乙烯导管与所述多组分液滴生成模块的若干个进口分别连接；

所述电压控制模块包括高功率放大器和信号发生器，所述高功率放大器的正极连接所述尖角电极，所述高功率放大器的负极连接所述平角电极；所述高功率放大器的电压和频率通过信号发生器控制。

本发明还提供了一种多组分单分散微液滴数字电控方法，包括以下步骤：

将微液滴芯片置于倒置显微镜上并进行固定，通过若干个微量注射器将液体通入所述微液滴芯片中，使多组分液滴生成模块达到稳定状态并生成微液滴；通过调节电压控制模块的参数，使多组分液滴数字电控模块控制生成的微液滴；所述电压控制模块包括相互连接的高功率放大器和信号发生器。

可选地，所述微液滴芯片的制备过程包括：在硅片上旋涂SU-8胶作为阳膜，在所述阳膜上进行光刻显影后，将PDMS倒入所述阳膜中进行浇筑倒模，最后基于等离子活化工艺将剥离出的PDMS和玻璃片键合形成微液滴芯片，并基于融化的金属铟制备所述微液滴芯片上的流道电极。

可选地，所述微液滴芯片的制备过程还包括，在所述微液滴芯片的流道上通入PVA溶液，在所述流道表面形成一层PVA涂层。

可选地，多组分液滴生成模块生成微液滴的过程包括，通过调节所述多组分液滴生成模块中的若干组分散相的比例，获得液滴，进而通过控制所述多组分液滴生成模块中的若干组连续相流体，对所述液滴进行剪切，获得微液滴。

可选地，多组分液滴数字电控模块控制生成的微液滴的过程包括，将所述多组分液滴数字电控模块中的尖角电极和平角电极分别置于不同流道宽度的流动区域，控制微液滴的变形、移动和融合。

可选地，调节电压控制模块的参数的过程包括，通过信号发生器调节高功率放大器的电压和频率，达到预设电压值和频率值时，使生成的电场作用于所述多组分液滴数字电控模块，并基于所述多组分液滴数字电控模块控制生成的微液滴。

本发明的技术效果为：

本发明通过分立式液滴生成单元和多组分液滴的流动聚焦结构，根据流量比的调节和整体流量的调整，实现微液滴组分结构的控制和微液滴大小流速的控制，最终形成复杂多组分液滴独立生成系统。

本发明通过不同类型的电极设计，如平角电极、尖角电极、异形电极以及相互之间的组合电极等等，实现复杂组分结构液滴的多种动态行为控制。

本发明通过PVA涂层的涂覆，实现水/油、油/水、油/油体系的可控切换，最大程度上保持分散体系的稳定性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的多组分单分散微液滴数字电控系统设计原理图；

其中，1.1-连续相A1；1.2-分散相A1；1.3-分散相A2；1.4-分散相A3；1.5-连续相A2；1.6-连续相B1；1.7-分散相B1；1.8-分散相B2；1.9-分散相B3；1.10-连续相B2；1.11-连续相C1；1.12-分散相C1；1.13-分散相C2；1.14-分散相C3；1.15-连续相C2；1.16-连续相D1；1.17-分散相D1；1.18-分散相D2；1.19-分散相D3；1.20-连续相D2；1.21-连续相E1；1.22-分散相E1；1.23-分散相E2；1.24-分散相E3；1.25-连续相E2；1.26-设计电极；1.27-液滴控制区域；1.28-液滴生成区域；

图2为本发明实施例中的多组分单分散微液滴数字电控系统电极类型意图；

图3为本发明实施例中的多组分单分散微液滴数字电控系统实例设计图；

其中，3.1-连续相进口1；3.2-连续相进口2；3.3-出口；3.4-尖角电极1；3.5-尖角电极2；3.6-平角电极1；3.7-平角电极2；3.8-连续相1；3.9-连续相2；3.10-分散相进口1；3.11-分散相进口2；3.12-分散相进口3；3.13-分散相进口4；3.14-分散相1；3.15-分散相2；3.16-分散相3；3.17-分散相4；3.18-液滴生成区域；3.19-电场控制区域；

图4为本发明实施例中的多组分单分散微液滴数字电控形态示意图；

图5为本发明实施例中的多组分单分散微液滴数字电控系统加工侧面工艺流程图；

图6为本发明实施例中的多组分单分散微液滴数字电控系统连接方式示意图；

其中，6.1-高精度注射泵1；6.2-高精度注射泵2；6.3-高精度注射泵3；6.4-Hamilton微量注射器1；6.5-Hamilton微量注射器2；6.6-Hamilton微量注射器3；6.7-Hamilton微量注射器4；6.8-Hamilton微量注射器5；6.9-Hamilton微量注射器6；6.10-信号发生器；6.11-高压功率放大器；6.12-高速相机；6.13-显微镜；6.14-储液池；6.15-数据采集系统；6.16-聚四氟乙烯导管。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

本实施例中提供一种多组分单分散微液滴数字电控系统及方法，本实施例的微液滴数字电控系统是由两个部分组成，第一部分是多组分液滴生成模块(如图3中3.18所示区域)，第二部分是多组分液滴数字电控模块(如图3中3.19所示区域)，多组分液滴首先在多组分液滴生成模块上生成，然后经过微通道流入多组分液滴数字电控模块的区域，受到电场力的影响而发生变形、移动、融合等行为(如图4所示的液滴移动、变形和液滴融合)，这两个系统间是共同设计、片上集成的，之间的液滴传送通过微通道连接，都位于最终加工完成的PDMS微流控芯片上。

在多组分单分散微液滴的生成上，本实施例的方案采用分立式流动聚焦型多组分微液滴生成方法。对于不同类型的微液滴设计独立的液滴生成单元，如图1所示，在每一个液滴生成单元中有不同的组分入口(如图1中1.1-1.25所示)，组分数目可控，组分之间的比例控制对应不同的流量比，将所需要的微液滴组分进行混合，液滴生成方式采用流动聚焦的方式，利用流体之间的剪切力进行液滴生成(如图1中1.28所示区域)。因此通过不同的液滴生成单元，独立控制生成不同组分的微液滴，最终形成多组分单分散的微液滴生成系统。

具体的，本实施例的微液滴数字电控系统中的多组分液滴生成模块采用两个分立式液滴生成单元，每个液滴生成单元中有两组分散相(如图3中3.14和3.15、3.16和3.17)，通过两组分散相的比例控制，可以调节形成液滴的组分结构。其中外部由连续相流体(如图3中3.8和3.9)剪切最终形成微液滴，通过分散相和连续相之间的流量比，控制最终微液滴的相对大小。微液滴数字电控系统还包括液体输入模块，所述液体输入模块包括若干个高精度注射泵，其连接方式是将三个高精度注射泵(每个注射泵有两个独立控制通道)(如图6中6.1-6.3)上的六个Hamilton微量注射器(如图6中6.4-6.9)分别通过聚四氟乙烯导管(如图6中6.16)和多组分液滴生成模块(如图6中6.17)中的六个进口相连(四个分散相进口和两个连续相进口)(如图3中3.1、3.2、3.10-3.13)，生成过程中打开注射泵(如图6中6.1-6.3)，等流体界面稳定时即可产生多组分液滴，液滴的组分比例、相对大小通过注射泵的流量调节来控制。此外，对于微液滴的出口(如图3中3.3)也采用聚四氟乙烯导管(如图6中6.16)和储液池(如图6中6.14)相连，实现液滴的收集。

在不同类型电极的设计集成上，本实施例的方案采用多种类型的电极设计集成，有平电极，尖角电极和异形电极三大类型，如图2和如图1中1.26所示，形成电场控制区域(如图1中1.27所示区域)。其中尖角电极包括但不限于单尖电极、双尖电极、三尖电极等等多尖电极的设计，异形电极包括但不限于波浪电极等电极形式，自主设计为满足不同控制需求的各类异形电极，以及包括相互之间的组合电极。同时在电极的加工工艺上，采用MEMS光刻技术与微通道一起设计加工电极通道，采用低熔点液态金属(常温固态，包括但不限于金属铟)填充电极通道，并用导线连出，最终形成不同类型的多用途设计电极。

具体的，本实施例的微液滴数字电控系统中的多组分液滴数字电控模块采用两对尖角电极(如图3中3.4和3.5)和平角电极(如图3中3.6和3.7)之间的组合电极，其中尖角电极连接正极，平角电极连接负极，分别位于不同流道宽度的流动区域，控制微液滴的变形、移动、融合等行为(如图4所示)，两对电极之间的间距不同，中间的流道宽度也不同，因此可以形成不同电控形态。其连接方式是将金属铟和导线连接形成的电极(如图3中3.4-3.7)和高压功率放大器(如图6中6.11)的正负极相连，高压功率放大器的输入信号是由信号发生器(如图6中6.10)控制，电压、频率可以在信号发生器上进行调整，从而实现电极间电场的频率和电压的控制。

在多种分散体系的设计加工上，本实施例的方案采用是否集成PVA涂层作用于不同的分散体系。对于水/油体系来说，微通道表面为疏水的PDMS表面，对于油/水、油/油体系来说，微通道表面需要集成PVA涂层，使得通道表面能从原有的疏水性变为亲水性，有利于油/水、油/油液滴分散体系的形成，通过是否集成PVA涂层，最终实现不同种分散体系的设计制备。

具体的，如图5所示，本实施例的微液滴芯片的加工设计是由SU-83050作为阳膜，MEMS高精度紫外光刻加工形状，最后PDMS浇筑倒模，用等离子活化工艺和玻璃片键合形成微液滴芯片，最后用融化的金属铟作为流道电极，用导线连接到外部的电场控制系统，最终形成微液滴数字电控系统。其中对于油/水系统和油/油系统，在微流道内通入PVA溶液，加热蒸发以后在通道表面形成PVA膜，从而促进油/水和油/油系统的稳定性，具体步骤如下所示：

SU-83050阳膜加工流程

步骤一：将4英寸500μm厚的硅片表面旋涂SU-83050旋涂50μm，采用图案化光刻得到SU-8图案化掩膜。

PDMS实验件加工流程

步骤一：PDMS倒入SU-8阳膜上，80℃烘烤2h以后从SU-8阳膜上剥离。

步骤二：将剥离后的PDMS进行打孔，清洗之后和玻璃片采用Plasma等离子活化工艺进行键合。

步骤三：采用金属铟导入事先准备的电极通道中进行融化填充，之后利用导线引出到外部的电力系统。

PVA涂层加工流程

步骤一：配制质量分数为10％的PVA溶液，通入上述芯片的微流道中，静置30min左右后吹出多余的液体，120摄氏度烘烤，使得在PVA溶液在通道表面形成一层PVA涂层，有利于油/水、油/油分散体系的稳定。

如图6所示，本微液滴芯片微液滴数字电控系统的连接关系和逻辑关系如下所述：首先将制作完成的微液滴芯片放置于倒置的显微镜6.13上，观察液滴生成区域和液滴控制区域并进行固定，并通过高速相机6.12继续记录，将获取的液滴情况实时上传到数据采集系统6.15。之后采用聚四氟乙烯导管6.16将微液滴芯片的多个进口分别和内有相应液体的注射器相连，注射器放置于高精度注射泵上，出口也采用聚四氟乙烯导管6.16进行液滴的收集，并收集到储液池6.14中。微液滴芯片的电极部分采用导线和高压功率放大器6.11相连，高压功率放大器6.11的输入端和信号发生器6.10的输出端相连，从而完成数字电控系统的连接。实验开始时首先打开高精度流量泵进行参数设定，使得液体通入芯片中，等流体界面稳定后多组分液滴生成模块达到稳定状态，之后打开信号发生器6.10和高压功率放大器6.11，进行电压、频率和放大倍数的设定，启动电压控制模块，电场开始作用于，多组分液滴数字电控模块开始作用于生成的液滴，通过各项参数调节可以实现液滴组分的变化、大小的控制、行为的作用等等，最终实现多组分单分散微液滴数字电控系统。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种多组分单分散微液滴数字电控系统，其特征在于，包括：

多组分液滴生成模块，用于通过控制分散相和连续相之间的流量比，获得微液滴；

多组分液滴数字电控模块，用于通过若干个尖角电极和平角电极的组合电极控制所述微液滴的变形、移动和融合；

所述多组分液滴生成模块和多组分液滴数字电控模块通过注入PVA溶液的流道连接，且均位于微液滴芯片上。

2.根据权利要求1所述的多组分单分散微液滴数字电控系统，其特征在于，

所述多组分液滴生成模块包括若干个分立式液滴生成单元；

所述分立式液滴生成单元包括若干组分散相，通过控制所述若干组分散相的比例，调节形成液滴的组分结构；

所述分立式液滴生成单元的外部包括若干组连续相流体，所述若干组连续相流体通过对形成的液滴进行剪切，获得微液滴。

3.根据权利要求1所述的多组分单分散微液滴数字电控系统，其特征在于，

所述微液滴数字电控系统还包括液体输入模块和电压控制模块；

所述液体输入模块包括若干个微量注射器，所述若干个微量注射器通过聚四氟乙烯导管与所述多组分液滴生成模块的若干个进口分别连接；

所述电压控制模块包括高功率放大器和信号发生器，所述高功率放大器的正极连接所述尖角电极，所述高功率放大器的负极连接所述平角电极；所述高功率放大器的电压和频率通过信号发生器控制。

4.一种多组分单分散微液滴数字电控方法，其特征在于，包括以下步骤：

将微液滴芯片置于倒置显微镜上并进行固定，通过若干个微量注射器将液体通入所述微液滴芯片中，使多组分液滴生成模块达到稳定状态并生成微液滴；通过调节电压控制模块的参数，使多组分液滴数字电控模块控制生成的微液滴；所述电压控制模块包括相互连接的高功率放大器和信号发生器。

5.根据权利要求4所述的多组分单分散微液滴数字电控方法，其特征在于，

所述微液滴芯片的制备过程包括：在硅片上旋涂SU-8胶作为阳膜，在所述阳膜上进行光刻显影后，将PDMS倒入所述阳膜中进行浇筑倒模，最后基于等离子活化工艺将剥离出的PDMS和玻璃片键合形成微液滴芯片，并基于融化的金属铟制备所述微液滴芯片上的流道电极。

6.根据权利要求5所述的多组分单分散微液滴数字电控方法，其特征在于，

所述微液滴芯片的制备过程还包括，在所述微液滴芯片的流道上通入PVA溶液，在所述流道表面形成一层PVA涂层。

7.根据权利要求4所述的多组分单分散微液滴数字电控方法，其特征在于，

多组分液滴生成模块生成微液滴的过程包括，通过调节所述多组分液滴生成模块中的若干组分散相的比例，获得液滴，进而通过控制所述多组分液滴生成模块中的若干组连续相流体，对所述液滴进行剪切，获得微液滴。

8.根据权利要求4所述的多组分单分散微液滴数字电控方法，其特征在于，

多组分液滴数字电控模块控制生成的微液滴的过程包括，将所述多组分液滴数字电控模块中的尖角电极和平角电极分别置于不同流道宽度的流动区域，控制微液滴的变形、移动和融合。

9.根据权利要求4所述的多组分单分散微液滴数字电控方法，其特征在于，

调节电压控制模块的参数的过程包括，通过信号发生器调节高功率放大器的电压和频率，达到预设电压值和频率值时，使生成的电场作用于所述多组分液滴数字电控模块，并基于所述多组分液滴数字电控模块控制生成的微液滴。

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