CN120618552B - 一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微流控技术领域，公开了一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片及其工作方法；其中，所述海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片中，微流控芯片本体内设置有流道，流道设置有缩颈结构；控制管道的一端用于通入液体介质，控制管道的另一端用于在液体介质和大气压力的共同作用下封装气体介质；微流控芯片本体还设置有用于安装控制管道的管道安装通道；其中，通过调节封装的气体介质的体积来控制缩颈结构处产生的海恩斯跳跃的跳跃距离的远近、海恩斯跳跃发生之前工作流体的停顿时间。本发明技术方案，可对流体实现海恩斯跳跃过程模拟控制，可提高流体流动过程模拟的真实性，能够更好地辅助完成流体流动过程的模拟分析。

Description

一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片及其工作方法

技术领域

本发明属于微流控技术领域，特别涉及一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片及其工作方法。

背景技术

微流控技术是在生物、化学、医学、地质等领域基于流体流动进行分析的技术，该技术将样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，能够自动完成分析的全过程；其中，微流控芯片技术应用广泛，其以芯片为操作平台，以分析化学为基础，以微机电微纳尺度加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，以生命科学众多学科为目前主要应用对象，是当前微全分析系统领域发展的重点。

目前，大部分需要采用微流控芯片实现基础流动过程模拟以探究相应机理的技术中，例如二氧化碳地下封存技术、能源开采技术和人体血液流动研究技术等，在实际产生或者微流控研究过程中均会存在海恩斯跳跃现象，而现有的微流控芯片的设计过程中，普遍没有考虑海恩斯跳跃现象对流动过程的影响，导致模拟的流体流动过程的真实性较差。进一步具体解释性地，部分现有的微流控芯片设计采用较为坚硬的材料，增大了系统的刚度，难以模拟海恩斯跳跃的发生；另外，其余部分采用了较软材料的微流控芯片，其设计没有经过仔细地计算，系统刚度难以统一，海恩斯跳跃的发生依然难以控制。

综上所述，设计一种新的海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片，以更好地模拟出更真实的流体流动过程，成为了亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片及其工作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明公开的技术方案，可对流体实现海恩斯跳跃过程模拟控制，能够提高流体流动过程模拟的真实性，可以更好地辅助完成流体流动过程的模拟分析。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明第一方面，提供一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片，包括：微流控芯片本体、第一注射器、控制管道、第二注射器和管道安装通道；其中，

所述微流控芯片本体内设置有流道，所述流道设置有缩颈结构；所述流道的入口通过入口管道与所述第一注射器的注射口相连通，用于通入工作流体；所述流道的出口通过出口管道与大气相连通；

所述控制管道的一端与所述第二注射器的注射口相连通，用于通入液体介质；所述控制管道的另一端用于在所述液体介质和大气压力的共同作用下封装一定体积的气体介质；

所述微流控芯片本体还设置有用于安装所述控制管道的管道安装通道；其中，所述管道安装通道的一端与所述流道相连通，且设置于所述流道的入口与所述缩颈结构之间；所述管道安装通道的另一端用于通入所述控制管道封装有气体介质的一端；

其中，通过调节封装的气体介质的体积来控制缩颈结构处产生的海恩斯跳跃的跳跃距离的远近、海恩斯跳跃发生之前工作流体的停顿时间。

本发明技术方案的进一步改进在于，所述微流控芯片本体采用弹性模量大于10MPa的材料。

本发明技术方案的进一步改进在于，所述微流控芯片本体的材质为石英玻璃、硅、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或环烯烃聚合物。

本发明技术方案的进一步改进在于，所述微流控芯片本体采用上下拼接结构，包括上本体和下本体，且所述上本体和所述下本体中的一个或两个是透明的。

本发明技术方案的进一步改进在于，所述液体介质为不易蒸发的不可压缩流体；所述气体介质为可压缩理想气体；所述工作流体为不可压缩流体。

本发明技术方案的进一步改进在于，所述液体介质为液压油或水；所述气体介质为空气或氮气；所述工作流体为水、乙醇或丙三醇。

本发明技术方案的进一步改进在于，所述第一注射器、所述第二注射器均设置有用于控制注射量的微量注射泵。

本发明技术方案的进一步改进在于，还包括：

显微镜摄像仪，用于获取缩颈结构处产生的海恩斯跳跃的跳跃距离。

本发明技术方案的进一步改进在于，所述通过调节封装的气体介质的体积来控制缩颈结构处产生的海恩斯跳跃的跳跃距离的远近、海恩斯跳跃发生之前工作流体的停顿时间的步骤中，封装的气体介质的体积与海恩斯跳跃的跳跃距离之间的关系表示为：

V ₀=LhDP ₂/(P ₁-P ₂)；

式中，V ₀为封装的气体介质的体积；L为海恩斯跳跃的跳跃距离；h为微流控芯片本体的高度；D为流道的最大处直径；P ₁为控制通道接口处的毛细压力，P ₂为缩颈结构处毛细压力；

P ₁=P ₀+γcos(θ)(2/d+2/h)；

P ₂=P ₀+γcos(θ)(2/D+2/h)；

式中，P ₀为大气环境压力；θ、γ分别为工作流体的接触角、表面张力；d为缩颈结构最小处直径。

本发明第二方面，提供一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片的工作方法，包括：

第一注射器中的工作流体通过入口管道通入微流控芯片本体内的流道，流道的出口与大气连通，工作流体在流道中流动；

第二注射器中的液体介质经控制管道的一端通入控制管道内，并在液体介质和大气压力的共同作用下，在控制管道的另一端封装一定体积的气体介质；

控制管道封装有气体介质的一端安装到微流控芯片本体设置的管道安装通道中，并与流道相连通；

调节控制管道中封装的气体介质的体积，对缩颈结构处产生的海恩斯跳跃进行定量控制；其中，定量控制包括海恩斯跳跃的跳跃距离的控制或海恩斯跳跃发生之前工作流体的停顿时间的控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

探究多孔介质内孔隙尺度上的流体流动行为，是地质、生物、医药、热力学等领域的关键问题，为研究这一过程，现有技术通常采用微流控方法可视化地研究孔隙尺度的流动行为；然而，现有的微流控芯片技术方案中，采用坚硬材料的微流控芯片可能会造成海恩斯跳跃现象的缺失，采用柔软材料的微流控芯片会造成不可控的海恩斯跳跃现象，上述两种现象均会造成孔隙尺度的入渗行为大幅偏离预期，为后续分析带来困难。鉴于上述现存的技术问题，本发明具体公开了一种新的海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片，其引入封装的气体介质并作为调节微流控芯片本体刚度的技术手段，进而实现了精准、快捷、低成本的对海恩斯跳跃进行定量控制，可对不同应用场景下的海恩斯跳跃行为进行模拟，极大地增强了孔隙尺度流体流动行为的准确性，使研究结果更加真实可靠。总结性地，本发明技术方案，提高了对微流控芯片模拟试验的控制性，提高了试验的真实可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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进行简单地介绍；显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例中，一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片的结构示意图；

图中附图标记的解释说明如下：

1、微流控芯片本体；2、流道；3、入口管道；4、出口管道；5、第一注射器；6、工作流体；7、缩颈结构；8、管道安装通道；9、控制管道；10、第二注射器；11、气体介质；12、液体介质。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例技术方案是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。

基于本发明实施例公开的技术方案，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片，包括：微流控芯片本体1、第一注射器5、控制管道9、第二注射器10和管道安装通道8；其中，

所述微流控芯片本体1内设置有用于通入工作流体6的流道2，所述流道2设置有缩颈结构7，所述流道2的入口通过入口管道3与所述第一注射器5的注射口相连通，所述流道2的出口通过出口管道4与大气相连通；

所述控制管道9的一端与所述第二注射器10的注射口相连通，用于通入液体介质12；所述控制管道9的另一端用于在所述液体介质12和大气压力的共同作用下封装一定体积的气体介质11；

所述微流控芯片本体1设置有用于安装所述控制管道9的管道安装通道8；其中，所述管道安装通道8的一端与所述流道2相连通，且设置于所述流道2的入口与所述缩颈结构7之间；所述管道安装通道8的另一端用于通入所述控制管道9封装有气体介质11的一端；

解释性地，在封装的气体介质11的影响下，实现了微流控芯片本体1刚度的可调，并可在流道2的缩颈结构7处产生定量可控的海恩斯跳跃；其中，通过调节封装的气体介质11的体积控制缩颈结构7处产生的海恩斯跳跃的跳跃距离的远近、海恩斯跳跃发生之前液体工作流体6的停顿时间。

本发明实施例公开的技术方案，能够对微流控芯片本体中产生的海恩斯跳跃的远近大小进行控制，既可以很好地模拟分析海恩斯跳跃的大小对流体流动的影响，必要时也可以通过这种控制方法消除或者降低海恩斯跳跃情况对流体流动试验的影响，提高了对微流控芯片模拟试验的控制性，提高了试验的可靠性。

本发明实施例具体示例性的技术方案中，所述微流控芯片本体1采用弹性模量大于10MPa的材料，如石英玻璃、硅、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃聚合物等材质；进一步示例性的技术方案中，所述微流控芯片本体1采用上下拼接结构，包括上本体和下本体，上本体和下本体中的一个或两个是透明的。

本发明实施例具体示例性的技术方案中，所述液体介质12可选用液压油、水等不易蒸发的不可压缩流体；所述气体介质11为空气、氮气等可压缩理想气体；所述工作流体6为水、乙醇、丙三醇等不可压缩流体。具体示例性的技术方案中，控制用的液体介质12为液压油，这样和施压气体更加不相溶，可以更好地实现控制；此外，液压油的压缩性较差，不会引入额外的弹性形变。

本发明具体示例性的技术方案中，第一注射器5、第二注射器10均设置有用于控制注射量的微量注射泵。

本发明实施例公开的优选技术方案中，通过限制微流控芯片本体材料，限制了微流控芯片本体的整体系统刚度；同时，引入了气体体积控制系统，可精确调节封装气体介质的体积。封装的气体介质为可压缩气体，通过调节施压气体介质的体积，便可以灵活调节微流控芯片本体的刚度。气体体积控制系统及刚性微流控芯片组成了一套系统刚度可调节的微流控实验系统，在一维系统中，海恩斯跳跃的距离以及相应的等候时间仅由系统刚度决定，海恩斯跳跃的距离与海恩斯跳跃前的停顿时间线形正比于封装气体的系统的形变量；因此，通过调节系统刚度，可以控制整体系统的形变量，从而实现控制海恩斯跳跃的距离与海恩斯跳跃前的停顿时间。

本发明实施例公开的技术方案的原理性解释，微量注射泵控制第一注射器内的工作流体流动，经过控制通道位置后将控制通道前端的气体封住形成一段密封气体，工作流体继续向前经过缩颈结构处时受压缩挤压，这样工作流体和控制通道前端封装的气体介质之间会形成一个相互挤压的作用力，这个作用力会引起封装气体介质的变形，在相同的作用力下，封装的气体介质原始体积越大，产生的形变越大，封装的气体介质原始体积越小，产生的形变越小，这个形变的程度会影响海恩斯跳跃距离的远近。基于上述理论，可以事先通过微量注射泵控制的第二注射器调节控制用液体介质前端的位置，以调节控制封装的气体介质的体积大小，进而控制在产生海恩斯跳跃时密封气体介质的反弹作用力大小，进而控制海恩斯跳跃的跳跃距离的远近。

综上所述，本发明实施例技术方案，利用气体和液体界面的不兼容性，通过对控制通道连接处密封气体介质的体积大小，控制海恩斯跳跃的跳跃距离的远近，可以更好地实现微量压力的调节控制，且该力是被动施压，和主动施压的调节方式相比具有更好地可靠性和控制性，同时，由于海恩斯跳跃发生时间极短，被动的调节方式可以获得更加精准的调控效果。另外，控制通道连接处密封气体介质的体积大小与海恩斯跳跃的跳跃距离远近的关系，可以通过计算获得，或者通过试验装置实现试验测定。

本发明实施例中，控制通道连接处密封气体介质的体积大小与海恩斯跳跃的跳跃距离远近的关系，通过计算获得的步骤包括：

海恩斯跳跃距离的确定，包括：根据具体应用与实验距离的需要，确定所需控制的海恩斯跳跃距离L，将结果输入计算机；

缩颈处结构几何参数的确定，包括：依据微流控芯片所设计的缩颈处结构孔隙几何参数，确定缩颈处结构最小处直径d，微流控芯片本体高度h，以及流道最大处直径D，将结果输入计算机；

确定工作流体的物性参数，包括：依照工作流体的物理特性，确定工作流体的接触角θ以及表面张力γ，将结果输入计算机；

确定大气环境压力P ₀，将结果输入计算机；

计算控制通道接口处的毛细压力P ₁以及缩颈处毛细压力P ₂，依照Young-Laplace方程（杨氏方程），P ₁=P ₀+γcos(θ)(2/d+2/h)；P ₂=P ₀+γcos(θ)(2/D+2/h)；

计算实现跳跃L所需的气泡大小V ₀：LhDP ₂/(P ₁-P ₂)；

调整第二微量注射泵的注射器活塞位置，使控制通道接口剩余空气体积保持为V ₀即可。

本发明实施例中，控制通道连接处密封气体介质的体积大小与海恩斯跳跃的跳跃距离远近的关系，通过实验获得的步骤包括：

控制通道连接处密封气体的体积大小与流道缩颈处产生海恩斯跳跃的远近关系通过一种微流控芯片海恩斯跳跃试验装置测定获得；其中，

所述微流控芯片海恩斯跳跃试验装置中，试验用微流控芯片内模拟待试验微流控芯片本体的缩颈结构处前后流道设置有试验用流道，所述试验用流道中模拟待试验微流控芯片本体的缩颈结构设置有试验用缩颈结构；试验用流道一端设置有入口并连接试验用入口管道，另一端设置有出口并连接试验用出口管道，所述试验用入口管道和一个试验用第一微量注射泵的注射器相连，试验用第一微量注射泵的注射器内装有工作流体，试验用微流控芯片上到达试验用缩颈处结构之前位置的试验用流道上垂直连通设置有一个试验用控制通道，试验用控制通道和模拟的控制通道尺寸一致并外接有一根试验用控制管道，所述试验用控制管道和一个试验用第二微量注射泵的注射器相连，所述试验用控制通道前端和试验用流道相接处封装有一段控制气体，试验用控制通道后端及对应的试验用第二微量注射泵的注射器内装有控制用液体；所述试验用微流控芯片采用透明材料制得且上端正对设置有显微镜摄像仪。

本发明实施例的优选方案中，微流控芯片海恩斯跳跃试验装置中的试验用微流控芯片和要模拟的微流控芯片的缩颈处前后位置结构一致，可以用其模拟海恩斯跳跃的控制过程，并通过显微镜摄像仪观察测定，获得控制通道前端的控制气体的体积大小和海恩斯跳跃距离远近之间的一一对应关系。然后在实际控制过程中，即可根据该对应关系，实现调节控制气体的体积大小，实现对海恩斯跳跃距离远近的控制。

术语解释性地，海恩斯跳跃（Haines Jump）是指流体在孔道中流动时的物理现象，多孔介质中的液体流动并非均匀，而呈现出一种动态的不平衡状态。当流体界面通过不规则的孔道时，其形状会随孔道尺寸的变化而调整，导致界面的曲率不断改变。这种变化不仅影响了界面的形状，还导致了界面两侧毛管压力的不断波动。因此，弯液面会时而扩张，时而收缩，由于孔道的不规则性和界面的动态变化，弯液面的形状调节通常是突然跃变的。这种跃进式的变化表明，流体并不是均匀地流过多孔介质，而是呈现出一种跃进式流动的特点。这种跃进现象就被称为海恩斯跳跃。

本发明实施例公开了一种可实现海恩斯跳跃定量控制的微流控芯片，在微流控芯片本体中控制工作流体在压力作用下通过流道的一个缩颈结构并产生定量可控的海恩斯跳跃；在微流控芯片本体中流道进入缩颈结构处之前位置，旁通连接有一个控制通道；在控制工作流体流动经过控制通道位置后并在到达缩颈处之前时，通过控制通道封装的气体介质对工作流体施加一个侧向压力，并通过（事先）调节气体介质体积的大小，控制缩颈结构处产生海恩斯跳跃的跳跃距离的远近。本发明实施例技术方案能够实现对流体实现海恩斯跳跃过程的模拟控制，以更好地提高流体流动模拟真实性，使其可以更好地辅助完成流体流动过程的模拟分析。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片，其特征在于，包括：微流控芯片本体（1）、第一注射器（5）、控制管道（9）、第二注射器（10）和管道安装通道（8）；其中，

所述微流控芯片本体（1）内设置有流道（2），所述流道（2）设置有缩颈结构（7）；所述流道（2）的入口通过入口管道（3）与所述第一注射器（5）的注射口相连通，用于通入工作流体（6）；所述流道（2）的出口通过出口管道（4）与大气相连通；

所述控制管道（9）的一端与所述第二注射器（10）的注射口相连通，用于通入液体介质（12）；所述控制管道（9）的另一端用于在所述液体介质（12）和大气压力的共同作用下封装一定体积的气体介质（11）；

所述微流控芯片本体（1）还设置有用于安装所述控制管道（9）的管道安装通道（8）；其中，所述管道安装通道（8）的一端与所述流道（2）相连通，且设置于所述流道（2）的入口与所述缩颈结构（7）之间；所述管道安装通道（8）的另一端用于通入所述控制管道（9）封装有气体介质（11）的一端；

其中，通过调节封装的气体介质（11）的体积来控制缩颈结构（7）处产生的海恩斯跳跃的跳跃距离的远近；封装的气体介质的体积与海恩斯跳跃的跳跃距离之间的关系表示为：

V ₀=LhDP ₂/(P ₁-P ₂)；

式中，V ₀为封装的气体介质的体积；L为海恩斯跳跃的跳跃距离；h为微流控芯片本体的高度；D为流道的最大处直径；P ₁为控制通道接口处的毛细压力，P ₂为缩颈结构处毛细压力；

P ₁ = P ₀+γcos(θ)(2/d+2/h)；

P ₂ = P ₀+γcos(θ)(2/D+2/h)；

式中，P ₀为大气环境压力；θ、γ分别为工作流体的接触角、表面张力；d为缩颈结构最小处直径。

2.根据权利要求1所述的一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片本体（1）采用弹性模量大于10MPa的材料。

3.根据权利要求2所述的一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片本体（1）的材质为石英玻璃、硅、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或环烯烃聚合物。

4.根据权利要求2所述的一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片本体（1）采用上下拼接结构，包括上本体和下本体，且所述上本体和所述下本体中的一个或两个是透明的。

5.根据权利要求1所述的一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片，其特征在于，所述液体介质（12）为不易蒸发的不可压缩流体；所述气体介质（11）为可压缩理想气体；所述工作流体（6）为不可压缩流体。

6.根据权利要求5所述的一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片，其特征在于，所述液体介质（12）为液压油或水；所述气体介质（11）为空气或氮气；所述工作流体（6）为水、乙醇或丙三醇。

7.根据权利要求1所述的一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片，其特征在于，所述第一注射器（5）、所述第二注射器（10）均设置有用于控制注射量的微量注射泵。

8.根据权利要求1所述的一种海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片，其特征在于，还包括：

显微镜摄像仪，用于获取缩颈结构（7）处产生的海恩斯跳跃的跳跃距离。

9.一种权利要求1所述的海恩斯跳跃定量可控的微流控芯片的工作方法，其特征在于，包括：

第一注射器（5）中的工作流体（6）通过入口管道（3）通入微流控芯片本体（1）内的流道（2），工作流体（6）在流道（2）中流动；

第二注射器（10）中的液体介质（12）经控制管道（9）的一端通入控制管道（9）内，并在液体介质（12）和大气压力的共同作用下，在控制管道（9）的另一端封装一定体积的气体介质（11）；

控制管道（9）封装有气体介质（11）的一端安装到微流控芯片本体（1）设置的管道安装通道（8）中，并与流道（2）相连通；

调节控制管道（9）中封装的气体介质（11）的体积，对缩颈结构（7）处产生的海恩斯跳跃进行定量控制；其中，定量控制包括海恩斯跳跃的跳跃距离的控制。