CN116637666A - 一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流控技术领域，具体公开一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统，其包括超疏水层、载体和控制装置；超疏水层具有沟槽；载体用于加入到待弹跳的滴液中，以形成组合体；控制装置用于吸引载体，以使滴液克服超疏水层的限制并进入沟槽内，形成待弹跳状态；载体的直径小于沟槽的直径，组合体的体积大于沟槽的容积，以使在待弹跳状态时，组合体能在沟槽中发生变形，产生过剩的表面能；在控制装置不再吸引载体时，组合体沿着垂直于沟槽槽底的方向跃出；该基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统能简单地实现跨越、转移等操作，从而拓展微液滴操控的应用面，完善液滴输运的手段，使得液滴输运能够在更大、更多的领域获得应用。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，具体涉及一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统。
背景技术
液滴输运现象在自然中十分常见，对我们的生活也十分重要。尤其是在生物领域中，生物检测及微反应器对于微小液滴的操控有很强的依赖性，即微流控系统。现有的开放表面液滴操控手段仅能在一维管道中或者二维表面上进行液滴操控，三维的微流控系统目前还十分稀少。当液滴需要进行三维操控时，例如当液滴运动到表面上具有较大起伏的结构时，这种结构会限制液滴的运动；又或者是液滴有转移到另一个表面上的需求时，大多输运手段无法实现或是装置较为复杂。
发明内容
本发明为解决上述的技术问题而提供一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统，方案简单，而且能实现跨越和转移等操作，从而拓展微液滴操控的应用面，完善液滴输运的手段，使得液滴输运能够在更大、更多的领域获得应用。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统，包括：超疏水层、载体和控制装置。
所述超疏水层具有沟槽；所述载体具有亲水性。
所述载体用于加入到待弹跳的滴液中，以形成组合体。
所述控制装置用于吸引所述组合体中的载体，以使所述组合体中的滴液克服所述超疏水层的限制并进入沟槽内，形成待弹跳状态。
其中，所述载体的直径小于所述沟槽的直径，所述组合体的体积大于所述沟槽的容积，以使在所述待弹跳状态时，所述组合体能在所述沟槽中发生变形，产生过剩的表面能。
其中，在所述控制装置不再吸引所述组合体中的所述载体时，所述组合体沿着垂直于所述沟槽槽底的方向跃出。
本公开至少一实施例提供的基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统中，所述控制装置位于所述沟槽的下方。
本公开至少一实施例提供的基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统中，所述控制装置为可施加可控磁场的装置；
所述载体为磁性微粒或可被磁力吸附的金属微粒。
本公开至少一实施例提供的基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统中，所述沟槽的宽度为600μm，所述沟槽的深度为700μm，所述载体的平均直径为409μm。
本公开至少一实施例提供的基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统中，所述沟槽的宽度为600μm，所述沟槽的深度为900μm，所述载体的平均直径为409μm。
本公开至少一实施例提供的基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统中，所述沟槽的宽度为600μm，所述沟槽的深度为1000μm，所述载体的平均直径为409μm。
本公开至少一实施例提供的基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统中，所述滴液的体积为0.3-3.0μL。
本公开至少一实施例提供的基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统中，在所述待弹跳状态时，所述载体、液滴和控制装置的中心点均位于同一条垂直于沟槽槽底的直线上。
本发明的有益效果为：
1、能够实现对单液滴弹跳的控制，这种对于液滴弹跳行为的操控对于微液滴操控领域具有补充作用，能够实现对液滴的平面外操控，如转移基底、跨越台阶等。
2、方案简单，需制备的样品仅需要一个带有特定的沟槽结构的超疏水表面，再通过磁性微粒及磁场控制液滴便可完成，具有简易性和易操作性。
3、利用磁性微粒和磁场，使得液滴弹跳具有了可控性，并且能够用于对液滴的输运。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统的滴液弹跳过程的示意图。
图2为实验例1中的不同体积的水滴弹跳高度图。
图中：
10、超疏水层；11、沟槽；
20、载体；
30、控制装置；
40、滴液。
具体实施方式
下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统，包括：超疏水层10、载体20和控制装置30。
超疏水层10具有沟槽11，载体20具有亲水性。
载体20用于加入到待弹跳的滴液40中，形成组合体。
控制装置30用于吸引组合体中的载体20，使得组合体中的滴液40能够克服超疏水层10的限制并进入沟槽11内，进而形成待弹跳状态。
载体20的直径小于沟槽11的直径，组合体的体积大于沟槽11的容积，使得在待弹跳状态时，组合体能在沟槽11中发生变形，从而产生过剩的表面能。
在控制装置30不再吸引载体20时，组合体沿着垂直于沟槽11槽底的方向跃出。
在本实施例中，控制装置30位于沟槽11的下方。
在本实施例中，在待弹跳状态时，载体20、液滴和控制装置30的中心点均位于同一条垂直于沟槽11槽底的直线上。
示例性地，控制装置30为可施加可控磁场的装置；载体20为磁性微粒或可被磁力吸附的金属微粒。
在一些实施例中，沟槽11的宽度为600μm，沟槽11的深度为700μm，载体20的平均直径为409μm，滴液40的体积为0.3μL。
在一些实施例中，沟槽11的宽度为600μm，沟槽11的深度为900μm，载体20的平均直径为409μm，滴液40的体积为3.0μL。
在一些实施例中，沟槽11的宽度为600μm，沟槽11的深度为1000μm，载体20的平均直径为409μm，滴液40的体积为2μL。
该基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统的原理如下：
载体20的直径小于沟槽11的直径，因此载体20可以在沟槽11内活动，由于超疏水层10具有超疏水性，而载体20具有亲水性；当采用控制装置30产生磁场把载体20吸引到沟槽11底部时，液滴受力产生形变。因此，可以通过磁场控制载体20在沟槽11中的位置用以改变液滴的形状，使得组合体中的滴液40能够克服超疏水层10的限制。
组合体的体积大于沟槽11的容积，组合体进入沟槽中引起液滴发生变形，从而产生过剩的表面能。从能量的角度上分析，跳跃所需的能量均由该过剩表面能提供。在磁场的作用下，组合体首先受到磁力进入沟槽中，随后保持一个稳态，此时液滴形变产生了过剩表面能；当磁场消失，磁力随之消失，磁性微粒被它受到的毛细力拉拽向上运动，而液滴此时由于上下部分的曲率半径不同，在内部存在一个拉普拉斯压力差，使得下部流体会向上流动，液滴也会向上运动，所以整个组合体会从沟槽中沿着垂直于沟槽槽底的方向跃出。
下面根据实验进一步说明实施例中的基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统。
实验例1：
1)准备一片具有600μm宽、700μm深的长方形沟槽的超疏水样品作为实验的基底，将基底放置在置物台上，用移液枪吸取0.3μL的滴液放置在长方形沟槽上；
2)用镊子夹取磁性微粒，随后将其放入步骤1)中的液滴中；磁性微粒采用铁球，铁球平均直径409μm；
3)在置物台的下表面放置电磁铁，通过调整基底的位置使磁性微粒、液滴和电磁铁的中心点位于同一垂直线上；
4)将电磁铁的周期调制为1Hz，其中输入电压的高电平为22.5V，低电平为0V；
5)准备好以上步骤后便可以开始实验，启动电磁铁，磁性微粒受到磁力进入沟槽，液滴受到毛细作用发生形变；当关闭电磁铁时，磁场消失，液滴发生弹跳。
6)使用相机记录弹跳过程，对收集到的液滴弹跳过程进行分析，获取液滴的位置信息并对其进行计算，获得液滴弹跳高度数据；
7)移除超疏水样品上的液滴，取出磁性微粒，用洗耳球吹干净基底；
8)重复步骤1)和步骤6)，并且将水滴体积从0.3μL逐渐增加至3.0μL进行多次试验，并将结果总结。
其中，数据总结结果如下表所示：
不同水滴体积弹跳高度表
从图2中可看出，随着液滴体积的逐渐增大，液滴的弹跳高度先随之增加后减小，证明在600μm宽、700μm深的长方形沟槽的超疏水样品上，使用本方法能够实现液滴弹跳并对其进行触发控制。
实验例2：
1)准备一片具有600μm宽、700μm深的长方形沟槽的超疏水样品作为实验的基底，将基底放置在置物台上，用移液枪吸取2μL的滴液放置在长方形沟槽上；
2)用镊子夹取磁性微粒，随后将其放入步骤1)中的液滴中；磁性微粒采用铁球，铁球平均直径409μm；
3)在置物台的下表面放置电磁铁，通过调整基底的位置使磁性微粒、液滴和电磁铁的中心点位于同一垂直线上；
4)将电磁铁的周期调制为1Hz，其中输入电压的高电平为22.5V，低电平为0V；
5)准备好以上步骤后便可以开始实验，启动电磁铁，磁性微粒受到磁力进入沟槽，液滴受到毛细作用发生形变；当关闭电磁铁时，磁场消失，液滴发生弹跳。
6)使用相机记录弹跳过程，对收集到的液滴弹跳过程进行分析，获取液滴的位置信息并对其进行计算，获得液滴弹跳高度数据。
实验例3：
1)准备一片具有600μm宽、1000μm深的长方形沟槽的超疏水样品作为实验基底，将实验基底放置在置物台上，用移液枪吸取2μL的滴液放置在长方形沟槽上；
2)用镊子夹取磁性微粒，随后将其放入步骤1)中的液滴中；磁性微粒采用铁球，铁球平均直径409μm；
3)在置物台的下表面放置电磁铁，通过调整实验基底的位置使磁性微粒、液滴和电磁铁的中心点位于同一垂直线上；
4)在实验基底上方2.5cm处放置另一个玻璃基底；
5)将电磁铁的周期调制为1Hz，其中输入电压的高电平为22.5V，低电平为0V；
6)准备好以上步骤后便可以开始实验，启动电磁铁，磁性微粒受到磁力进入沟槽，液滴受到毛细作用发生形变；当关闭电磁铁时，磁场消失，液滴发生弹跳；
7)液滴弹跳触碰到玻璃基底，停留在上方玻璃基底上。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。
Claims (8)
1.一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统，其特征在于，包括：
超疏水层，具有沟槽；
载体，具有亲水性性，用于加入到待弹跳的滴液中，以形成组合体；以及
控制装置，用于吸引所述组合体中的所述载体，以使所述组合体中的所述滴液克服所述超疏水层的限制，并进入沟槽内，形成待弹跳状态；
其中，所述载体的直径小于所述沟槽的直径，所述组合体的体积大于所述沟槽的容积，以使在所述待弹跳状态时，所述组合体能在所述沟槽中发生变形，产生过剩的表面能；
其中，在所述控制装置不再吸引所述组合体中的所述载体时，所述组合体沿着垂直于所述沟槽槽底的方向跃出。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统，其特征在于，所述控制装置位于所述沟槽的下方。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统，其特征在于，所述控制装置为可施加可控磁场的装置；
所述载体为磁性微粒或可被磁力吸附的金属微粒。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统，其特征在于，所述沟槽的宽度为600μm，所述沟槽的深度为700μm，所述载体的平均直径为409μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统，其特征在于，所述沟槽的宽度为600μm，所述沟槽的深度为900μm，所述载体的平均直径为409μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统，其特征在于，所述沟槽的宽度为600μm，所述沟槽的深度为1000μm，所述载体的平均直径为409μm。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统，其特征在于，所述滴液的体积为0.3-3.0μL。
8.根据权利要求2所述的一种基于磁控液滴弹跳的三维微流控系统，其特征在于，在所述待弹跳状态时，所述载体、液滴和控制装置的中心点均位于同一条垂直于沟槽槽底的直线上。
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