CN117101746A - 一种单分散液滴成形装置及液滴生成方法 - Google Patents
一种单分散液滴成形装置及液滴生成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117101746A CN117101746A CN202311193504.5A CN202311193504A CN117101746A CN 117101746 A CN117101746 A CN 117101746A CN 202311193504 A CN202311193504 A CN 202311193504A CN 117101746 A CN117101746 A CN 117101746A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fluid
- droplet
- zone
- continuous phase
- diameter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 329
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 91
- 238000010008 shearing Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 20
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 20
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 8
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims description 7
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 5
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 2
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004945 emulsification Methods 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002090 nanochannel Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
- B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
- B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
- B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
- B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
- B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Hematology (AREA)
- Clinical Laboratory Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
本发明提出了一种单分散液滴成形装置及液滴生成方法，包括：集成于成形底板上的流体分配区、流体反应区和液滴收集区，流体分配区用于输送分散相流体和连续相流体，液滴收集区位于流体分配区的下游，用于收集生成的单分散液滴；流体反应区位于流体分配区与液滴收集区之间，以连通流体分配区和液滴收集区，流体反应区用于对分散相流体进行剪切以生成单分散液滴。本发明提供的装置利用流体反应区以及连续相流体的剪切作用即可实现单分散液滴的生成，可较好的保证液滴的单分散性以及液滴形态的统一；通过调控连续相流体和分散相流体的流速比、连续通道长度以及流体反应区入口直径可实现对于单分散液滴的尺寸以及成形频率的调控。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种单分散液滴成形装置及液滴生成方法。
背景技术
近年来，由于微流控技术在生物、化学和医学上的应用，使得其成为近年来的研究热点。微流控技术通常利用微米/纳米的通道以实现多种流体之间的流动和分离，从而生成乳液液滴。微流控装置可分为：基于平面的2D装置和基于毛细管的3D装置。常见的微流控通道结构主要有三种，即共轴型、交叉型和流动聚焦，流动聚焦又分为几何流动聚焦和流体动力聚焦，几何流动聚焦结构通过在流道中设计小孔，使乳液经过拉伸-断裂并形成液滴，最终流到液滴收集室。其中流动聚焦型微通道的加工难度较小，成本较低，且能快速得到液滴，所以对这种结构的研究较多。
单分散液滴包括水包油和油包水，包含一个分散相和连续相，通过将两种流体分别注入微流控装置中进行乳化，分散相被连续相流体剪切形成液滴。液滴的形成过程涉及两相流速、表面张力和粘性剪应力之间的平衡，液滴尺寸通常取决于流体的流速和物理-化学性质，及微通道结构和尺寸。在T型微通道中，分散相在拐角处被乳化，然后在连续相流体的剪切下断裂形成单分散液滴。当微通道结构一定，两相流速和流体材料特性不同，生成的乳液液滴会经历几种形态，这些形态在不同类型的微通道中有所区别，而且会影响液滴的成形频率。因此，如何提升单分散乳液液滴的成形频率，并保证液滴尺寸均一，成为研究的重点。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种单分散液滴成形装置及液滴生成方法，以解决现有技术中难以同时保证单分散液滴的成形频率和分散尺寸均一，且难以实现液滴尺寸可调的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种单分散液滴成形装置，包括成形底板、流体分配区、流体反应区和液滴收集区，
所述流体分配区、流体反应区和液滴收集区均集成于所述成形底板上，
所述流体分配区用于输送分散相流体和连续相流体，
所述液滴收集区位于所述流体分配区的下游，用于收集生成的单分散液滴；
所述流体反应区位于所述流体分配区与液滴收集区之间，连通所述流体分配区和液滴收集区，所述流体反应区用于对分散相流体进行剪切以生成单分散液滴。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述流体分配区包括第一流体分配区和第二流体分配区，
所述第一流体分配区的输出端与所述流体反应区连通，所述第一流体分配区用于输送分散相流体；
所述第二流体分配区位于所述第一流体分配区的两侧，所述第二流体分配区的输出端通过连续相通道与所述流体反应区连通，用于输送连续相流体，所述连续相通道与所述第一流体分配区的流体输出方向呈60～120°夹角。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述连续相通道与所述第一流体分配区的流体输出方向呈90°夹角。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述流体反应区设置为弧形结构，所述流体反应区的出口与所述液滴收集区连通，所述流体反应区的入口与所述第一流体分配区和第二流体分配区相连通；所述流体反应区的入口直径小于出口直径。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一流体分配区的出口直径小于连续相通道的直径，所述连续相通道的直径小于所述流体反应区的出口直径。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括封闭模板和流体注射模块，
所述流体注射模块与所述流体分配区连通，所述流体注射模块用于为所述流体分配区输送分散相流体和连续相流体；
所述封闭模板位于所述底板一侧，用于隔绝环境对液滴成形的影响。
另一方面，本发明提供了一种单分散液滴成形装置的液滴生成方法，包括以下步骤：
步骤一：通过流体注射模块向第二流体分配区和第一流体分配区分别泵入连续相流体和分散相流体；
步骤二：分散相和连续相均进入流体反应区，分散相流体在连续相流体的剪切力作用下被剪切成液滴，经流体反应区输出单分散液滴值液滴收集区以进行收集；
步骤三：监测液滴收集区液滴尺寸和成形频率，调控影响液滴尺寸和成形频率的因素，以对液滴的尺寸和成形频率进行调节。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤三中调控影响液滴尺寸和成形频率的因素以对液滴的尺寸和成形频率进行调节具体包括：
根据所述连续相流体与分散相流体的流速比与液滴的尺寸和成形频率的关系以调节液滴直径和成形频率，
所述连续相流体与分散相流体的流速比与液滴的直径的关系为：
其中，Dd表示液滴直径，uc表示连续相流体的流速，ud表示分散相流体的流速；
所述连续相流体与分散相流体的流速比与液滴的成形频率的关系为：
其中，f表示成形频率。
在以上技术方案的基础上，优选的，控制uc/ud为0～1时，对连续相通道(3)长度与液滴的直径和成形频率的关系进行非线性拟合，得到第一关系式，所述第一关系式为：
其中，LC表示连续相通道长度，a1、a2、b1、b2、α1和α2均为可调参数，a1、a2、b1、b2、α1和α2的值根据uc/ud比值的变化进行调整。
在以上技术方案的基础上，优选的，控制uc/ud为0～1时，对流体反应区(4)入口直径与液滴的直径和成形频率的关系进行非线性拟合，得到第二关系式，所述第二关系式为：
其中，D表示流体反应区入口直径，a3、a4、b3、b4、α3和α4均为可调参数，a3、a4、b3、b4、α3和α4的值根据uc/ud比值的变化进行调整。
本发明的一种单分散液滴成形装置及液滴生成方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)通过在成形底板上集成流体分配区、流体反应区和液滴收集区，并将流体反应区设置为弧形结构，利用流体反应区以及连续相流体的剪切作用即可实现单分散液滴的生成，可较好的保证液滴的单分散性以及液滴形态的统一；
(2)通过单分散液滴成形装置，并基于该装置提出一种单分散液滴生成方法，通过调控连续相流体和分散相流体的流速比、连续通道长度以及流体反应区入口直径可实现对于单分散液滴的尺寸以及成形频率的调控，从而方便使用者根据需要制备合适尺寸和成形频率的单分散液滴；
(3)本发明提供的单分散液滴成形装置还具有结构简单、制作难度低的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明的一种单分散液滴成形装置的立体图；
图2为本发明的一种单分散液滴成形装置的正视图；
图3为图2中A区域的局部放大图；
图4为不同流速比下单分散液滴的仿真过程图；
图5为连续相流体与分散相流体的流速比与液滴直径、成形频率的函数关系图；
图6为当uc/ud为0.25时，连续相通道长度与液滴的直径和成形频率的函数关系图；
图7为当uc/ud为0.25时，流体反应区入口直径与液滴的直径和成形频率的函数关系图；
图8为当uc/ud为0.47时，连续相通道长度与液滴的直径和成形频率的函数关系图；
图9为当uc/ud为0.47时，流体反应区入口直径与液滴的直径和成形频率的函数关系图。
附图标记
1、成形底板；2、流体分配区；21、第一流体分配区；22、第二流体分配区；3、连续相通道；4、流体反应区；5、液滴收集区；6、封闭模板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明提供了一种单分散液滴成形装置，包括成形底板1、流体分配区2、流体反应区4、液滴收集区5、封闭模板6和流体注射模块，其中流体分配区2、流体反应区4和液滴收集区5均集成于成形底板1上，流体分配区2用于输送分散相流体和连续相流体，液滴收集区5位于流体分配区2的下游，用于收集生成的单分散液滴，流体反应区4位于流体分配区2与液滴收集区5之间，连通流体分配区2和液滴收集区5，通过流体反应区4对分散相流体进行剪切以生成单分散液滴；流体注射模块与流体分配区2连通，流体注射模块用于微流体分配区2输送分散相流体和连续相流体。封闭模板6位于底板一侧，用于隔绝环境对液滴成形的影响。
进一步地，流体注射模块包括分散相流体注射泵、连续相流体注射泵和液滴出口模块，分散相流体注射泵和连续相流体注射泵分别通过毛细管与流体分配区2的入口连接，以为流体分配区2输送分散相流体和连续相流体，采用流体注射泵泵入分散相流体和连续相流体可较好的实现对流体泵入速度的调控；液滴出口模块通过PC(聚碳酸酯)管与液滴收集区5的出口连接，通过液滴出口模块将液滴收集区5中形成的单分散液滴泵入收集容器中，以便对液滴尺寸进行统计分析。液滴出口模块与液滴收集区5螺纹连接，以方便拆卸，接口直径为8～10mm，螺纹接口部位优选为PEEK(聚醚醚酮)材质。
进一步地，成形底板1厚度为0.8～1.2mm，长为80～120mm，宽为45～55mm，成形底板1采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)材质制成，利用激光切割成形底板1以在其表面形成流体分配区2、流体反应区4和液滴收集区5，流体分配区2、流体反应区4和液滴收集区5内的流体与通道内壁的接触角为135°。第一流体分配区21的内壁涂层材料采用疏水材料，第二流体分配区22和液滴收集区5的内壁涂层材料采用疏油材料。封闭模板6与成形底板相契合，可保证通道内的流体反应时不受环境的影响。
作为一种优选实施方式，流体分配区2包括第一流体分配区21和第二流体分配区22，其中第一流体分配区21的输出端与流体反应区4连通，输入端与分散相流体注射泵连通，第一流体分配区21用于输送分散相流体。第二流体分配区22位于第一流体分配区21的两侧，第二流体分配区22的输出端通过连续相通道3与流体反应区4连通，输入端与连续相流体注射泵连通，第二流体分配区22用于输送连续相流体。第二流体分配区22优选设置为两个，两个第二流体分配区22分别位于第一流体分配区21的两侧，且两个第二流体分配区22的入口相同，出口均分别通过连续通道与流体反应区4的入口连通，第一流体分配区21的流经通道长度短于第二流体分配区22的流经通道长度，使用时，先通入连续相流体充满整个通道，以将通道中的空气除尽，避免空气对单分散液滴的形成。第一流体分配区21和第二流体分配区22均设置有蛇形通道，两者蛇形通道平行对应，通过设置蛇形通道一方面可保证分散相流体和连续相流体能以稳定的速度输入到流体反应区4，另一方面可确保流体的分配效果。
进一步地，连续相通道3与第一流体分配区21的流体输出方向呈60～120°夹角，更有优选的，连续相通道3与第一流体分配区21的就提输出方向呈90°夹角，通过将连续相通道3与第一流体分配区21的流体输出方向形成一定角度的夹角，即将连续相流体的流体输出方向与分散相流体的输出方向形成夹角，可促使连续相流体从两侧与分散相流体汇合时能较好的包覆分散相流体，并促使连续相流体汇合时能对分散相流体形成剪切力，促进单分散液滴的形成；而将连续相通道3与第一流体分配区21的流体输出方向相垂直，促使连续相流体与分散相流体的流体输出方向相垂直，更有利于剪切力的形成，从而促进液滴的分散。
作为一种优选实施方式，流体反应区4设置为弧形流动聚焦结构，更为优选的，流体反应区4设置为U形流动聚焦结构，其中将U形流动聚焦结构的底端开设为流体反应区4的入口，U形流动聚焦结构的顶端设置为流体反应区4的出口，流体反应区4的出口与液滴收集区5连通，入口与流体分配区2连通，流体反应区4的流体输出方向与第一流体分配区21的流体输出方向相对应，流体反应区4的入口直径小于出口直径，第一流体分配区21的出口直径小于连续相通道3直径，连续相通道3直径小于流体反应区4的出口直径。更为优选的，连续相通道3直径为第一流体分配区21的出口直径的2倍。
通过上述技术方案促使分散相流体经第一流体分配区21输出至流体反应区4入口，同时连续相流体经第二流体分配区22、连续相通道3从分散相流体的两侧并与分散相流体输出方向呈一定夹角的方式与分散相流体汇合进入流体反应区4入口，促使分散相流体在流体反应区4入口结构以及连续相流体的共同作用下被剪切为单分散液滴，形成的单分散液滴经液滴收集区5流入到收集容器中。本发明中，通过将流体反应区4设置为U形流动聚焦结构，这种弧形结构相比于现有技术中的矩形结构，更有利于形成尺寸一致的单分散液滴，且可较好的保证液滴成形频率达到400Hz以上；同时通道内的乳液机制只有一种，固定连续相流体速度，只需改变分散相流体的流速即可得到不同尺寸的单分散液滴，液滴成形频率随着分散相流体流速的增大而减小。
如图所示，本发明还提供了一种单分散液滴成形装置的液滴生成方法，具体包括以下步骤：
步骤一：通过流体注射模块向第二流体分配区22和第一流体分配区21分别泵入连续相流体和分散相流体。
通过连续相流体注射泵向第二流体分配区22泵入连续相流体，排除通道内的空气，并保证液滴在连续相流体的包裹下伸长并断裂形成液滴；再通过分散相流体注射泵向第一流体分配区21输入分散相流体。
步骤二：分散相流体和连续相流体均进入流体反应区4，分散相流体在连续相流体的剪切力作用下被剪切成液滴，经流体反应区4输出单分散液滴值液滴收集区5以进行收集。其中，分散相流体经流体反应区4入口形成射流，然后在连续相流体的剪切下伸长并断裂形成液滴，刚被剪切形成的液滴形状为椭圆形，在液滴收集区5流动时逐渐变为圆形，经过液滴收集区5流动到液滴出口模块被收集至收集容器中。
步骤三：监测液滴收集区5液滴尺寸和成形频率，调控影响液滴尺寸和成形频率的因素，以对液滴的尺寸和成形频率进行调节。
作为一种优选实施方式，步骤三中调控影响液滴尺寸和成形频率的因素以对液滴的尺寸和成形频率进行调节具体包括：
根据所述分散相与连续相的速度比与液滴的尺寸和成形频率的关系以调节液滴生成尺寸和成形频率。当连续相流体的流速以及其他物性参数保持不变时，随着分散相速度的增大，得到的液滴数量减少，成形频率下降，面积增大。利用imageJ计算单分散液滴面积(二维面积)，得到液滴直径，通过分析不同分散相流体的流速下液滴直径和成形频率的数据图，得到连续相流体与分散相流体的流速比与液滴的尺寸的关系为：
其中，Dd表示液滴直径，uc表示连续相流体的流速，ud表示分散相流体的流速；
连续相流体与分散相流体的流速比与液滴的成形频率的关系为：
其中，f表示成形频率。
根据上述函数关系，最终得到分散相流体速度越小，液滴直径越小，液滴成形频率增大。
在实际应用中，考虑到uc/ud值调控的难度，进一步对单分散液滴成形装置中的连续相通道3长度、流体反应区4入口直径与液滴的直径和成形频率的关系进行非线性拟合，促使当uc/ud值不便于调节时，可进一步通过调节单分散液滴成形装置的连续相通道3长度和流体反应区4入口直径对液滴的直径和成形频率进行调控。
进一步地，控制uc/ud为0～1时，对连续相通道3长度与液滴的直径和成形频率的关系进行非线性拟合，得到第一关系式，第一关系式为：
其中，LC表示连续相通道(3)长度，a1、a2、b1、b2、α1和α2均为可调参数，a1、a2、b1、b2、α1和α2的值根据uc/ud比值的变化进行调整。
控制uc/ud为0～1时，对流体反应区4入口直径与液滴的直径和成形频率的关系进行非线性拟合，得到第二关系式，第二关系式为：
其中，D表示流体反应区(4)入口直径，a3、a4、b3、b4、α3和α4均为可调参数，a3、a4、b3、b4、α3和α4的值根据uc/ud比值的变化进行调整。
以下通过具体实施例对第一关系式和第二关系式进行验证。
实施例1
当uc/ud取值为0.25时，得到的液滴直径预测值与实际值的误差为2.8％，证明上述拟合公式可用于液滴直径和成形频率的预测，根据预测值设置分散相流体和连续相流体的流速，可得到实际的液滴尺寸。改变连续相通道3长度和流体反应区4入口直径得到液滴直径和成形频率。从表中看出随着连续相通道3长度的增大，液滴直径逐渐减小，成形频率逐渐增大，成形频率最小值达到244Hz，液滴直径最小值为18.06μm。随着流体反应区4入口直径增大，液滴成形变快，直径逐渐减小，成形频率最小值达到244Hz，液滴直径最小值为13.84μm。通过调节连续相通道3长度和流体反应区4入口直径，便可得到不同尺寸的液滴，且保证液滴成形频率均大于100，这体现本发明提出的U形流动聚焦结构的优势，提高液滴成形频率。
当uc/ud为0.25时，根据所述连续相通道3长度、流体反应区4入口直径与液滴的尺寸和成形频率的关系以调节液滴生成尺寸和成形频率，分别对连续相通道3长度、流体反应区4入口直径和液滴的尺寸、成形频率进行非线性拟合，得到a1、b1和α1分别为63651.86、-1/12和17；a2、b2和α2分别为-7750、-1/24和365；a3、b3和α3分别为36、-1/20和9；a4、b4和α4分别为9.66×106、-1/(2.5×106)和-9.66×106，
故，连续相通道3长度与液滴的直径和成形频率的关系为：
其中，LC表示连续相通道长度，
流体反应区4入口直径与液滴的直径和成形频率的关系为：
其中，D表示流体反应区4入口直径。
由图6-7可知，当连续相通道3长度为125μm时，液滴的直径最小值为18.06μm。当连续相通道3长度为100μm时，液滴的直径最大值为31.29μm。当液滴的直径为35μm时，液滴的直径最小值为13.84μm。当液滴的直径为10μm时，液滴的直径最大值为31.29μm。
实施例2
当uc/ud取值为0.47时，液滴直径随流体反应区4入口直径的增大呈先减小后增大再减小的变化趋势，成形频率随流体反应区4入口直径的增大呈先增大后减小再增大的变化趋势。根据所述连续相通道3长度、流体反应区4入口直径与液滴的尺寸和成形频率的关系以调节液滴生成尺寸和成形频率，分别对连续相通道3长度、流体反应区4入口直径和液滴的尺寸、成形频率进行非线性拟合，得到a1、b1和α1分别为-0.67、1/44和48；a2、b2和α2分别为0.049、1/18和226；a3、b3和α3分别为-5、1/2和40；a4、b4和α4分别为-5×10-18、1/0.8和235；
连续相通道3长度与液滴的直径和成形频率的关系为：
流体反应区4入口直径与液滴的直径和成形频率的关系为：
通过上述关系式可得到液滴直径预测值，与实际测量值比较，二者误差不超过8％，说明上述关系式可用于通道结构与液滴直径、成形频率的预测，然后根据预测值，设计流体反应区4入口直径与连续相通道3长度，以实现对于液滴直径、成形频率的调控。
由图8-9可知，液滴直径随流体反应区4入口直径的增大而减小，成形频率随成形频率的增大而增大。通过改变成形频率，得到液滴直径的最大值为41.05μm，成形频率的最小值为239Hz；改变流体反应区4入口直径，得到液滴直径的最大值为41.05μm，成形频率的最大值为239Hz。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，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)
1.一种单分散液滴成形装置，其特征在于：包括成形底板(1)、流体分配区(2)、流体反应区(4)和液滴收集区(5)，
所述流体分配区(2)、流体反应区(4)和液滴收集区(5)均集成于所述成形底板(1)上，
所述流体分配区(2)用于输送分散相流体和连续相流体，
所述液滴收集区(5)位于所述流体分配区(2)的下游，用于收集生成的单分散液滴；
所述流体反应区(4)位于所述流体分配区(2)与液滴收集区(5)之间，连通所述流体分配区(2)和液滴收集区(5)，所述流体反应区(4)用于对分散相流体进行剪切以生成单分散液滴。
2.如权利要求1所述的一种单分散液滴成形装置，其特征在于：所述流体分配区(2)包括第一流体分配区(21)和第二流体分配区(22)，
所述第一流体分配区(21)的输出端与所述流体反应区(4)连通，所述第一流体分配区(21)用于输送分散相流体；
所述第二流体分配区(22)位于所述第一流体分配区(21)的两侧，所述第二流体分配区(22)的输出端通过连续相通道(3)与所述流体反应区(4)连通，用于输送连续相流体，所述连续相通道(3)与所述第一流体分配区(21)的流体输出方向呈60～120°夹角。
3.如权利要求2所述的一种单分散液滴成形装置，其特征在于：所述连续相通道(3)与所述第一流体分配区(21)的流体输出方向呈90°夹角。
4.如权利要求2所述的一种单分散液滴成形装置，其特征在于：所述流体反应区(4)设置为弧形结构，所述流体反应区(4)的出口与所述液滴收集区(5)连通，所述流体反应区(4)的入口与所述第一流体分配区(21)和第二流体分配区(22)相连通；所述流体反应区(4)的入口直径小于出口直径。
5.如权利要求4所述的一种单分散液滴成形装置，其特征在于：所述第一流体分配区(21)的出口直径小于连续相通道(3)的直径，所述连续相通道(3)的直径小于所述流体反应区(4)的出口直径。
6.如权利要求1所述的一种单分散液滴成形装置，其特征在于：还包括封闭模板(6)和流体注射模块，
所述流体注射模块与所述流体分配区(2)连通，所述流体注射模块用于为所述流体分配区(2)输送分散相流体和连续相流体；
所述封闭模板(6)位于所述底板一侧，用于隔绝环境对液滴成形的影响。
7.如权利要求1～6任一项所述的一种单分散液滴成形装置的液滴生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：通过流体注射模块向第二流体分配区(22)和第一流体分配区(21)分别泵入连续相流体和分散相流体；
步骤二：分散相和连续相均进入流体反应区(4)，分散相流体在连续相流体的剪切力作用下被剪切成液滴，经流体反应区(4)输出单分散液滴值液滴收集区(5)以进行收集；
步骤三：监测液滴收集区(5)液滴尺寸和成形频率，调控影响液滴尺寸和成形频率的因素，以对液滴的尺寸和成形频率进行调节。
8.如权利要求7所述的一种单分散液滴成形装置的液滴生成方法，其特征在于：
所述步骤三中调控影响液滴尺寸和成形频率的因素以对液滴的尺寸和成形频率进行调节具体包括：
根据所述连续相流体与分散相流体的流速比与液滴的尺寸和成形频率的关系以调节液滴直径和成形频率，
所述连续相流体与分散相流体的流速比与液滴的直径的函数关系为：
其中，Dd表示液滴直径，uc表示连续相流体的流速，ud表示分散相流体的流速；
所述连续相流体与分散相流体的流速比与液滴的成形频率的函数关系为：
其中，f表示成形频率。
9.如权利要求8所述的一种单分散液滴成形装置的液滴生成方法，其特征在于：
控制uc/ud为0～1时，对连续相通道(3)长度与液滴的直径和成形频率的关系进行非线性拟合，得到第一关系式，所述第一关系式为：
其中，LC表示连续相通道(3)长度，a1、a2、b1、b2、α1和α2均为可调参数，a1、a2、b1、b2、α1和α2的值根据uc/ud比值的变化进行调整。
10.如权利要求8所述的一种单分散液滴成形装置的液滴生成方法，其特征在于：
控制uc/ud为0～1时，对流体反应区(4)入口直径与液滴的直径和成形频率的关系进行非线性拟合，得到第二关系式，所述第二关系式为：
其中，D表示流体反应区(4)入口直径，a3、a4、b3、b4、α3和α4均为可调参数，a3、a4、b3、b4、α3和α4的值根据uc/ud比值的变化进行调整。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311193504.5A CN117101746A (zh) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | 一种单分散液滴成形装置及液滴生成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311193504.5A CN117101746A (zh) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | 一种单分散液滴成形装置及液滴生成方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117101746A true CN117101746A (zh) | 2023-11-24 |
Family
ID=88812813
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311193504.5A Pending CN117101746A (zh) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | 一种单分散液滴成形装置及液滴生成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117101746A (zh) |
-
2023
- 2023-09-15 CN CN202311193504.5A patent/CN117101746A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bardin et al. | Parallel generation of uniform fine droplets at hundreds of kilohertz in a flow-focusing module | |
| US10029256B2 (en) | Valves and other flow control in fluidic systems including microfluidic systems | |
| Castro-Hernandez et al. | Microbubble generation in a co-flow device operated in a new regime | |
| EP2714254B1 (en) | Control of emulsions, including multiple emulsions | |
| Sartipzadeh et al. | Controllable size and form of droplets in microfluidic-assisted devices: Effects of channel geometry and fluid velocity on droplet size | |
| US11918961B2 (en) | Droplet and/or bubble generator | |
| CN102059162A (zh) | 微流体器件 | |
| US11794187B2 (en) | Highly parallelized droplet microfluidic apparatus | |
| CN104084247A (zh) | 基于t形微通道的弹性壁面微流控芯片 | |
| CN108525715B (zh) | 微流道结构、微流控芯片和用于液滴定量包裹微球的方法 | |
| US9463460B2 (en) | Microfluidic device | |
| CN111068799B (zh) | 用于产生液滴的微流体通路及其应用 | |
| Wang et al. | Generating gas‐liquid‐liquid three‐phase microflows in a cross‐junction microchannel device | |
| WO2020069603A1 (en) | A micro-pipette tip for forming micro-droplets | |
| Lin et al. | Dynamics of bubble formation in highly viscous liquid in co-flowing microfluidic device | |
| Chen et al. | Modeling of Newtonian droplet formation in power-law non-Newtonian fluids in a flow-focusing device | |
| Li et al. | Perturbation-induced droplets for manipulating droplet structure and configuration in microfluidics | |
| Arsenjuk et al. | A device for continuous and flexible adjustment of liquid-liquid slug size in micro-channels | |
| Palogan et al. | Effect of surface coating on droplet generation in flow-focusing microchannels | |
| Bihi et al. | Pressure-driven flow focusing of two miscible liquids | |
| CN117101746A (zh) | 一种单分散液滴成形装置及液滴生成方法 | |
| CN214076357U (zh) | 一种生成装置 | |
| Castro-Hernández et al. | Study of the geometry in a 3D flow-focusing device | |
| CN112495269A (zh) | 一种生成装置 | |
| JP4640017B2 (ja) | 乳化装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |