CN116637665A - 一种微流体控制系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流体控制系统及使用方法，属于微米级多相分散体系制备技术领域。包括微流体控制芯片，微流体控制芯片上设置有多个微流体毛细通道，微流体毛细通道用于制备液滴或气泡；微流体控制芯片上设置有连续相毛细通道，连续相毛细通道用于连续相介质循环；微流体毛细通道连通有微量注射泵，微量注射泵用于注射分散相流体；连续相毛细通道连通有常规注射泵，常规注射泵用于注射连续相流体。能够灵活、便捷和有效地制备多种多相分散体系，并实现对分散体系物理化学性质的控制；解决了现有技术中存在多相分散体系制备受限的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微米级多相分散体系制备技术领域，特别是涉及一种微流体控制系统及使用方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
分散体系广泛存在于工业生产和人类生活中的多个方面，两相乃至多相分散体系的稳定性对于食品、制药、化妆品、石油工业等领域的生产活动至关重要。
分散体系的稳定性理论研究主要从热力学和动力学两个方面开展，基于动力学作用的DLVO理论认为：胶体体系的稳定性主要取决于范德华引力和双电层斥力的强弱。随着现代实验测量技术的发展，特别是原子力显微镜技术在微观力学测量方面的成功应用，这种理论被越来越多的实验数据所验证并被持续发展完善。后期的研究表明，除了范德华力和双电层力，其他结构化力也会对分散体系的稳定性产生重要影响，这些力通常被统称为非DLVO力。而采用原子力显微镜的力学测量技术则可以实现对这些微观作用力的测量、分析和表征。
目前，受技术条件限制，分散体系中分散相间微观作用力的测量主要是针对水溶液中的油滴与油滴、气泡与气泡以及油滴/气泡与固体颗粒或壁面等开展的，而水溶液中的油滴与气泡、油为连续相的水滴与气泡以及物理化学性质差异化的两个液滴或气泡间作用力的测量则较为稀缺。
传统的技术方法通过雾化、超声振荡等方式分别制备微米级液滴和气泡，只能制备单一的分散相，不能同时制备两种不同的分散相，且分散相尺寸不可控、不可重复，对基底的润湿性要求苛刻，使得相关的研究工作受到很大的限制。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种微流体控制系统及使用方法，可以更加灵活、便捷和有效地制备多种多相分散体系，并实现对分散体系物理化学性质的控制，以利于采用原子力显微镜力学测量技术实现多相分散体系中微观作用力的测量、分析和表征。
第一方面，本发明提供了一种微流体控制系统；
一种微流体控制系统，包括微流体控制芯片，所述微流体控制芯片上设置有多个微流体毛细通道，所述微流体控制芯片上设置有连续相毛细通道；所述微流体毛细通道连通有微量注射泵，所述连续相毛细通道连通有常规注射泵；
所述微量注射泵向所述微流体毛细通道注射分散相流体直至充满，所述常规注射泵向所述连续相毛细通道注射连续相流体直至从微流体控制芯片上方溢出，以形成连续相环境；继续通过所述微量注射泵注射分散相流体直至分散相流体经所述微流体毛细通道溢出，以形成液滴或气泡；
其中，通过所述微量注射泵的驱动速率和驱动行程控制液滴或气泡的大小。
进一步的，所述微流体毛细通道的内径为8μm～12μm，所述连续相毛细通道的内径为480μm～520μm。
进一步的，所述微量注射泵包括泵体和微量注射器，所述泵体的输出端与所述微量注射器的输入端连通，所述微量注射器的输出端通过毛细管与所述微流体毛细通道连通。
进一步的，所述常规注射泵包括泵体和注射器，所述泵体的输出端与所述注射器的输入端连通，所述注射器的输出端通过毛细管与所述连续相毛细通道连通。
进一步的，所述连续相毛细通道包括连续相入口毛细通道和连续相出口毛细通道，所述连续相入口毛细通道和所述连续相出口毛细通道结构相同，且沿所述微流体控制芯片的纵向中线对称水平设置于所述微流体控制芯片。
第二方面，本发明提供了一种上述微流体控制系统的使用方法；
一种微流体控制系统的使用方法，包括如下步骤：
S1、调整驱动速率和行程，使用微量注射泵将一种分散相流体注射至一个微流体毛细通道，使得分散相流体充满该微流体毛细通道；
S2、调整驱动速率和行程，使用微量注射泵将另一种分散相流体注射至另一个微流体毛细通道，使得分散相流体充满该微流体毛细通道；
S3、使用常规注射泵将连续相流体注射至连续相毛细通道，使得连续相流体充满连续相毛细通道后从微流体控制芯片上方溢出，形成连续相环境；
S4、继续注射分散相流体，使得分散相流体经微流体毛细通道溢出后形成液滴或气泡，液滴或气泡的直径为50μm～200μm。
进一步的，所述S3具体为：
关闭微流体控制芯片上的连续相出口毛细通道，调整常规注射泵的驱动速率和注射体积，使用常规注射泵将连续相流体注射至连续相入口毛细通道，使得连续相流体充满连续相入口通道后从微流体控制芯片上方溢出，形成连续相环境。
优选的，还包括S5；
S5、打开微流体控制芯片上的连续相出口通道，继续使用常规注射泵注射连续相流体，使得连续相流体经连续相出口通道流出。
进一步的，所述连续相流体为液体或气体，所述分散相流体为液体或气体；
所述连续相流体和所述分散相流体互不相溶。
进一步的，所述分散相流体的注射体积为0.0001μL～0.005μL。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的技术方案，能够根据微米级多相分散体系的制备需求，通过设置微量注射泵的驱动速率和行程来实现液滴或气泡大小的精准控制，在不同实验中，液滴或气泡大小可重复。
2、本发明提供的技术方案，具有两个微流体通道，能够制备不同介质或同一介质但不同物理化学性质的液滴与气泡，实现两相乃至多相体系的微观作用力测量。
3、本发明提供的技术方案，具有连续相入口毛细通道和连续相出口毛细通道，可以实现对连续相介质物理化学性质的动态控制，也可以用来研究微流场中分散介质间的动态作用力。
4、本发明提供的技术方案，无需对微流体毛细通道表面进行润湿性改性处理即可实现液滴、气泡的固定和探针捕获。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例提供的微流体控制芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的微流体控制系统的结构示意图；
其中，1、连续相入口毛细通道；2、连续相出口毛细通道；3、第一微流体毛细通道；4、第二微流体毛细通道；5、常规注射泵；6、微量注射泵；7、微流体控制芯片。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
结合图1-图2，本发明提供了一种微流体控制系统，用于制备微米级多相分散体系；该微流体控制系统包括微流体控制芯片7，微流体控制芯片7上开设有2个微流体毛细通道，微流体毛细通道用于制备液滴或气泡；为了下文中便于对2个微流体毛细通道进行区分，分别命名为第一微流体毛细通道3和第二微流体毛细通道4；第一微流体毛细通道3和第二微流体毛细通道4的结构相同，为L型结构，沿微流体控制芯片7的横向中线水平对称设置。
微流体控制芯片7上开设有用于连续相介质循环的连续相入口毛细通道1和连续相出口毛细通道2，连续相入口毛细通道1和连续相出口毛细通道2结构相同，为L型结构，且沿微流体控制芯片7的纵向中线对称水平设置于微流体控制芯片7。
微流体毛细通道连通有微量注射泵6，微量注射泵6用于注射分散相流体；微量注射泵6包括第一泵体和微量注射器，第一泵体的输出端与微量注射器的输入端连通，微量注射器的输出端通过内径为10μm的毛细管与微流体毛细通道连通。
连续相入口毛细通道1连通有常规注射泵5，常规注射泵5用于注射连续相流体。常规注射泵5包括第二泵体和注射器，第二泵体的输出端与注射器的输入端连通，注射器的输出端通过内径500μm的毛细管与连续相入口毛细通道1连通。
与第一微流体毛细通道3连通的微量注射泵6以预设的驱动速率和行程向分散相流体注射至所述微流体毛细通道直至分散相流体充满该微流体毛细通道，与第二微流体毛细通道4连通的微量注射泵6以预设的驱动速率和行程将另一种分散相流体注射至第二微流体毛细通道4直至分散相流体充满该微流体毛细通道；此时，常规注射泵5以预设的驱动速率和行程向连续相毛细通道注射连续相流体，直至连续相流体从微流体控制芯片7上方溢出，以形成连续相环境；此时，继续通过微量注射泵6注射分散相流体直至分散相流体经微流体毛细通道溢出后形成液滴或气泡。
其中，为了适应原子力显微镜的测量需求，微流体控制芯片7的长度设计为11mm，宽度设计为11mm，厚度设计为2mm；为了保证制备的液滴、气泡的尺度在合理的范围且方便抓取和固定，将微流体毛细通道的内径设为10μm，连续相入口毛细通道1和连续相出口毛细通道2的内径设为500μm；为了保证流体能够顺利通过微流体通道，减少摩擦阻力，以便能同时适用于粘度较高的流体并实现对液滴、气泡尺度的精准控制，将微流体毛细通道水平部分的长度设为5.3mm，竖直部分的高度设为1mm，连续相入口毛细通道1和连续相出口毛细通道2水平部分的长度设为4mm，竖直部分的高度设为1mm。
本发明还提供了上述微流体控制系统的使用方法，包括如下步骤：
S1、调整驱动速率和行程，使用微量注射泵6将一种分散相流体注射至第一微流体毛细通道3，使得分散相流体充满该微流体毛细通道；
S2、调整驱动速率和行程，使用微量注射泵6将另一种分散相流体注射至第二微流体毛细通道4，使得分散相流体充满该微流体毛细通道；
S3、使用常规注射泵5将连续相流体注射至连续相毛细通道，使得连续相流体充满连续相毛细通道后从微流体控制芯片7上方溢出，形成连续相环境；
S4、继续注射分散相流体，使得分散相流体经微流体毛细通道溢出后形成液滴或气泡，液滴或气泡的直径为50μm～200μm，使得气泡或液滴能够适用于以原子力显微镜力学测量。
其中，设置微量注射泵6的驱动速率和注射体积，使得一种分散相流体经微流体控制芯片7的第一微流体毛细通道3溢出后形成直径50μm至200μm的液滴或气泡；设置微量注射泵6的驱动速率和注射体积，使得另一种分散相流体经微流体控制芯片7的第二微流体毛细通道4溢出后形成直径50μm至200μm的液滴或气泡。
进一步的，S3具体为：
关闭微流体控制芯片7上的连续相出口毛细通道2，调整常规注射泵5的驱动速率和注射体积，使用常规注射泵5将连续相流体注射至连续相入口毛细通道1，使得连续相流体充满连续相入口通道后从微流体控制芯片7上方溢出，形成连续相环境。
进一步的，还包括S5；
S5、打开微流体控制芯片7上的连续相出口通道，继续使用常规注射泵5注射连续相流体，使得连续相流体经连续相出口通道流出。
进一步的，连续相流体为液体或气体，分散相流体为液体或气体；
连续相流体和分散相流体互不相溶。
进一步的，分散相流体的注射体积为0.0001μL～0.005μL。
上述方法可用于制备气相中的水滴与水滴、油滴与油滴、水滴与油滴、水滴与颗粒、油滴与颗粒体系，水相中的油滴与油滴、气泡与气泡、油滴与气泡、油滴与颗粒、气泡与颗粒体系，油相中的水滴与水滴、气泡与气泡、水滴与气泡、水滴与颗粒、气泡与颗粒体系等。
以下以具体实施例说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不受以下实施例的限制。
实施例一
本实施例提供一种微流体控制系统的使用方法，该方法包括如下步骤：
S1：与第一微流体毛细通道3连通的微量注射泵6的微量注射器里装满一种分散相流体，设置该微量注射泵6的驱动速率，使得分散相流体充满整个毛细管以及微流体控制芯片7的第一微流体毛细通道3。
S2、与第二微流体毛细通道4连通的微量注射泵6的微量注射器里装满另一种分散相流体，设置该微量注射泵6的驱动速率，使得另一种分散相流体充满整个毛细管以及微流体控制芯片7的第二微流体毛细通道4。
S1和S2中的分散相流体可以是物理化学性质(包括温度、粘度、界面张力等)不同但同质的流体，因此所述方法同样适用于制备物理化学性质差异化的两个同质微液滴或微气泡。
S3、常规注射泵5的注射器里装满连续相流体，设置该常规注射泵5的驱动速率，关闭微流体控制芯片7的连续相出口毛细通道2，使得连续相流体充满整个毛细管以及微流体控制芯片7的连续相出口毛细通道2后从微流体控制芯片7上方溢出，形成连续相的液相或气相环境。
S4、设置与第一微流体毛细通道3连通的微量注射泵6的驱动速率和注射体积，使得一种分散相流体经微流体控制芯片7的第一微流体毛细通道3溢出后形成直径50μm至200μm的液滴或气泡。
通过设置微量注射泵6的注射体积来控制分散相液滴或气泡的大小。
S5、设置与第二微流体毛细通道4连通微量注射泵6的驱动速率和注射体积，使得另一种分散相流体经微流体控制芯片7的第二微流体毛细通道4溢出后形成直径50μm至200μm的液滴或气泡。
通过设置微量注射泵6的注射体积来控制分散相液滴或气泡的大小，形成所需大小的或者固定大小的分散相单体。
进一步的，若需驱替连续相介质，还包括S6；
S6、打开微流体控制芯片7的连续相出口毛细通道2，设置常规注射泵5的驱动速率和注射体积，使得连续相流体经微流体控制芯片7的连续相出口毛细通道2流出，可以实现连续相介质的驱替和流动控制，从而实现连续相物理化学性质的改变或用于分析恒定流场对分散相液滴或气泡的影响。
通过设置常规注射泵5的驱动速率控制连续相流体驱替的速率及流场分布如无需驱替连续相介质，则S6可以省略。
实施例二
以制备水中正十四烷油滴和气泡为例，对微流体控制系统的使用方法进行详细说明。具体步骤如下：
S1、与第一微流体毛细通道3连通的微量注射泵6的微量注射器里装满正十四烷，设置该微量注射泵6的驱动速率为0.001μL/min，驱动微量注射器，使得正十四烷液体充满整个毛细管以及微流体控制芯片7的第一微流体毛细通道3。
为了保证液滴大小控制的精确性，微量注射泵6的驱动速率应尽可能小，该参数设置为微量注射泵6的最小精度。
S2、与第二微流体毛细通道4连通的微量注射泵6的微量注射器里装满空气，设置该微量注射泵6的驱动速率为0.001μL/min，驱动微量注射器，使得空气充满整个毛细管以及微流体控制芯片7的第二微流体毛细通道4。
S3、常规注射泵5的注射器里装满去离子水，设置常规注射泵5的驱动速率为0.1mL/min，关闭微流体控制芯片7的连续相出口毛细通道2，驱动注射器，使得去离子水充满整个毛细管以及微流体控制芯片7的连续相出口毛细通道2后从芯片上方溢出，在芯片上方形成水滴并覆盖第一微流体通道和第二微流体通道。
S4、设置与第一微流体毛细通道3连通的微量注射泵6的驱动速率为0.001μL/min，注射总体积为为0.0005μL，使得正十四烷经微流体控制芯片7的第一微流体毛细通道3溢出后形成直径约50μm的油滴。
S5、设置与第二微流体毛细通道4连通的微量注射泵6的驱动速率为0.001μL/min，注射总体积为为0.0002μL，使得空气经微流体控制芯片7的第二微流体毛细通道4后形成直径约37μm的气泡；
如上，便可制备水中油滴和气泡构成的多相分散体系。
进一步的，若要通过驱替改变水相环境，则可实施如下步骤：
S6、将注射器中的液体更换成新的水溶液，并确保与注射器连接的毛细管中无气泡形成，打开微流体控制芯片7的连续相出口毛细通道2，设置常规注射泵5的驱动速率为0.1mL/min、注射体积为1mL，使得水溶液经微流体控制芯片7的连续相出口毛细通道2流出，可以实现水溶液的驱替。
为了减小连续相驱替过程对于液滴的扰动，常规注射泵5的驱动速率应尽量小，该参数设置为常规注射泵5驱动的最小精度。
上述实施例中对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微流体控制系统，其特征在于，包括微流体控制芯片，所述微流体控制芯片上设置有多个微流体毛细通道，所述微流体控制芯片上设置有连续相毛细通道；所述微流体毛细通道连通有微量注射泵，所述连续相毛细通道连通有常规注射泵；
所述微量注射泵向所述微流体毛细通道注射分散相流体直至充满，所述常规注射泵向所述连续相毛细通道注射连续相流体直至从微流体控制芯片上方溢出，以形成连续相环境；继续通过所述微量注射泵注射分散相流体直至分散相流体经所述微流体毛细通道溢出，以形成液滴或气泡；
其中，通过所述微量注射泵的驱动速率和驱动行程控制液滴或气泡的大小。
2.如权利要求1所述的微流体控制系统，其特征在于，所述微流体毛细通道的内径为8μm～12μm，所述连续相毛细通道的内径为480μm～520μm。
3.如权利要求1所述的微流体控制系统，其特征在于，所述微量注射泵包括泵体和微量注射器，所述泵体的输出端与所述微量注射器的输入端连通，所述微量注射器的输出端通过毛细管与所述微流体毛细通道连通。
4.如权利要求1所述的微流体控制系统，其特征在于，所述常规注射泵包括泵体和注射器，所述泵体的输出端与所述注射器的输入端连通，所述注射器的输出端通过毛细管与所述连续相毛细通道连通。
5.如权利要求1所述的微流体控制系统，其特征在于，所述连续相毛细通道包括连续相入口毛细通道和连续相出口毛细通道，所述连续相入口毛细通道和所述连续相出口毛细通道结构相同，且沿所述微流体控制芯片的纵向中线对称水平设置于所述微流体控制芯片。
6.如权利要求1-5任一项所述的微流体控制系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、调整驱动速率和行程，使用微量注射泵将一种分散相流体注射至一个微流体毛细通道，使得分散相流体充满该微流体毛细通道；
S2、调整驱动速率和行程，使用微量注射泵将另一种分散相流体注射至另一个微流体毛细通道，使得分散相流体充满该微流体毛细通道；
S3、使用常规注射泵将连续相流体注射至连续相毛细通道，使得连续相流体充满连续相毛细通道后从微流体控制芯片上方溢出，形成连续相环境；
S4、继续注射分散相流体，使得分散相流体经微流体毛细通道溢出后形成液滴或气泡，液滴或气泡的直径为50μm～200μm。
7.如权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述S3具体为：
关闭微流体控制芯片上的连续相出口毛细通道，调整常规注射泵的驱动速率和注射体积，使用常规注射泵将连续相流体注射至连续相入口毛细通道，使得连续相流体充满连续相入口通道后从微流体控制芯片上方溢出，形成连续相环境。
8.如权利要求7所述的使用方法，其特征在于，还包括S5；
S5、打开微流体控制芯片上的连续相出口通道，继续使用常规注射泵注射连续相流体，使得连续相流体经连续相出口通道流出。
9.如权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述连续相流体为液体或气体，所述分散相流体为液体或气体；
所述连续相流体和所述分散相流体互不相溶。
10.如权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述分散相流体的注射体积为0.0001μL～0.005μL。
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