CN205361202U - 一种用于生成球状微气泡的微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于生成球状微气泡的微流控芯片。本实用新型由第一芯片和第二芯片键合而成，其中第一芯片内有两条液体微通道，一条气体微通道、微气泡生成通道和微气泡输出通道，两条液体微通道和气体微通道交界处存在一定角度的夹角；第二芯片内有与第一芯片结构尺寸相同的液体微通道、气体微通道和微气泡输出通道，但没有微气泡生成微通道。本实用新型突破了微流元件生成的微气泡在结构形状方面的局限性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微流控芯片，尤其涉及一种生成球状微米量级气泡的微流控芯片，属于流体机械领域。
背景技术
近年来，微米量级气泡因其具有的独特流体力学特性和尺度效应，在医学、石油、环境、采矿、化工、动力、冶金、核能等领域获得了广泛应用。尤其在生物医学领域，各种基于微气泡的超声测量技术、药物靶向输送及基因介导治疗技术获得了迅速发展。生成的微气泡大小、稳定性等都会影响其在各个领域应用的效果。因此，深入研究微气泡的形成机理和流动特性，能够奠定微气泡在多领域实际应用的的理论基础。
随着国内外学者对微气泡的深入研究，出现了越来越多的微气泡制备技术，如：同轴静电雾化法、超声空化法、乳化法、冷冻干燥法、雾化法、高压均质法、界面聚合法和微流元件法等。微流元件法也就是采用微流控芯片制备微气泡，是比较新的方式，这种方式可以通过精确的控制液体与气体从而控制气泡的结构、成分及尺寸，由于制备的每一个气泡的方式几乎一致，可以保证微气泡的尺寸和多分散性。
但是采用微流控芯片制备微米量级气泡的过程中，由于现有微流控芯片内微通道结构的限制，实验过程中通过控制液体与气体获得微气泡的过程比较漫长而且繁琐，不易操作，且生成的微气泡为扁平状而非立体球状微气泡。而球状微气泡更适用于微气泡流动特性和运动机理的进一步研究和分析。因此，针对现有微流控芯片内通道结构的不足。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有微流控芯片生成微气泡过程中的不足，提供了一种新的微流控芯片。该微流控芯片对芯片内微通道进行改进，对微通道的结构重新进行设计，改变通道各部分的尺寸。由此达到实验过程中通过简单操作便可生成比现有尺寸更小的微米量级球状微气泡的目的。
为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型由第一芯片和第二芯片键合而成，其中第一芯片内有两条液体微通道，一条气体微通道、微气泡生成通道和微气泡输出通道，两条液体微通道和气体微通道交界处存在一定角度的夹角；第二芯片内有与第一芯片结构尺寸相同的液体微通道、气体微通道和微气泡输出通道，但没有微气泡生成微通道。
进一步说，微流控芯片长40mm，宽20mm，每片芯片内两条液体微通道尺寸相同，液体微通道的宽30μm；气体微通道宽40μm，微气泡输出通道宽100μm，液体微通道、气体微通道刻蚀深度均为20μm，微气泡输出通道刻蚀深度40μm，微气泡生成通道宽10μm，刻蚀深度10μm；微气泡生成通道刻蚀相同的宽和深度构成正方形的面，液体微通道与气体微通道之间的夹角为70°。
本实用新型与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、现有微流控芯片内微通道的结构均是单面刻蚀，生成的微气泡是圆饼状二维气泡。本实用新型提出微流控芯片由不同微通道结构的第一芯片和第二芯片2键合而成，芯片内液体通道、气体通道、微气泡生成通道和微气泡输出通道的宽度、刻蚀深度均有所不同，特别是第一芯片内刻蚀有微气泡生成通道，宽10μm，深度10μm，侧面剖视微气泡生成通道是一个正方形的截面；第二芯片未刻蚀出微气泡生成通道，其他通道的宽度深度等尺寸均与芯片一相同。内微通道结构与尺寸改进后的微流控芯片可生成立体球状微米量级微气泡，突破了微流元件生成的微气泡在结构形状方面的局限性。
2、针对现有的液体微通道与气体微通道之间的垂直结构在实验过程中带来的弊端，提出将液体微通道与气体微通道之间的角度改为70°夹角的改进。微气泡生成实验过程中，液相由两侧流出，对气体产生夹流聚焦的效果，气相受到来自两侧液相的对称剪切力作用，破碎生成气泡，改进后的微通道结构相比原来的结构，微气泡的生成过程更为稳定，生成微气泡大小的可控范围更宽，能生成直径小于气体微通道尺寸的微气泡。
3、本实用新型通过改变微流控芯片内微通道的结构，调节微通道各部分不同尺寸，采用该微流控芯片用于生成微米量级微气泡的实验过程中，操作更加简便，并且生成的微气泡直径可控范围更大，能生成更小直径的微气泡，最小直径约20μm。生成的微气泡是立体球状气泡，球状微气泡更适用于微气泡运动机理及流动特性的进一步研究。
附图说明
图1是微流控芯片中的第一芯片俯视示意图；
图2是微流控芯片中的第二芯片俯视示意图；
图3是微流控芯片侧面剖视图；
图中：1、液体注入通道，2气体注入通道，3、液体注入通道，4微气泡生成通道，5、微气泡输出通道，6、第一芯片，7、第二芯片。
具体实施方式
如图1-3所示，以PDMS为材料制作而成的微流控芯片为实例，本实用新型的具体实施方案为：
微流控芯片，长方体，长40mm，宽20mm，高5mm，由第一芯片6和第二芯片7键合而成，芯片表面采用光刻蚀技术刻蚀出微通道，第一芯片包括液体注入通道1、3，通道宽30μm，深度20μm，气体注入通道2，通道宽40μm，深度20μm，液体通道1、3与气体通道2交界处斜角设计，夹角为70°，微气泡生成通道4，通道长40μm，通道宽10μm，深度10μm，微气泡生成通道侧面剖视可构成边长为10μm的正方形，微气泡输出通道5，通道宽100μm，深度40μm。第二芯片液体通道、气体通道及微气泡输出通道与第一芯片结构尺寸均相同，未刻蚀出第一芯片中的微气泡生成通道4。由第一芯片和第二芯片键合而成的微流控芯片，微气泡生成通道截面是正方形结构，液体、气体通道和微气泡生成输出通道的深度不同，可生成立体的球状微气泡。液体通道与气体通道交界处夹角的改进使实验过程中生成微气泡操作更加简单快速。
采用PDMS制作而成的微流控芯片进行微气泡生成实验时，由于PDMS材质具有弹性，而且PDMS微流控芯片上下两层是牢牢粘结在一起的。因此使用之前只需要将配备的平头针头轻轻的插入芯片中，针头的另一端与塑料软管相连接。然后，通过医用注射器低流速下向芯片内注入乙醇冲洗微通道，冲洗几分钟后再用去离子水冲洗微通道，几分钟后向微通道通入空气，将芯片中流体排挤出来，此后PDMS芯片处于备用状态。
实验过程中，将与微通道1、3相连的塑料软管与医用注射器相连，医用注射器内注满5ml的去离子水，将两个医用注射器装置于精密注射泵上，用注射泵推进注射器向液体通道内以一固定流量注入液体，与气体通道2的相连的塑料软管与医用注射器装置于另一台精密注射泵上，医用注射器内吸满5ml空气，设置气体流量，用注射泵推进气体。芯片另一端微气泡输出通道插入平头针头连接塑料软管接入微气泡接收装置中。微流控芯片放置于倒置显微镜下，可以观察到微气泡生成的过程。采用高速摄像机可以记录下不同时刻微气泡生成过程中的不同形态。同时，实验中，可以调节不同的液体流量和气体流量，使用不同粘度的液体，如硅油、液态蜡等，或者使用不同的气体，如氮气等，可以控制微气泡生成的速度、生成的微气泡数量及大小。本实用新型所述的微流控芯片涉及的尺寸较小，可以产生直径约20μm的球状微气泡。
综上，本实用新型对芯片内微通道进行设计和改进，使实验过程简单易操作，生成的微气泡直径更小且为立体球状
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (2)
1.一种用于生成球状微气泡的微流控芯片，其特征在于：由第一芯片和第二芯片键合而成，其中第一芯片内有两条液体微通道，一条气体微通道、微气泡生成通道和微气泡输出通道，两条液体微通道和气体微通道交界处存在一定角度的夹角；第二芯片内有与第一芯片结构尺寸相同的液体微通道、气体微通道和微气泡输出通道，但没有微气泡生成微通道。
2.根据权利要求1所述的用于生成球状微气泡的微流控芯片，其特征在于：微流控芯片长40mm，宽20mm，每片芯片内两条液体微通道尺寸相同，液体微通道的宽30μm；气体微通道宽40μm，微气泡输出通道宽100μm，液体微通道、气体微通道刻蚀深度均为20μm，微气泡输出通道刻蚀深度40μm，微气泡生成通道宽10μm，刻蚀深度10μm；微气泡生成通道刻蚀相同的宽和深度构成正方形的面，液体微通道与气体微通道之间的夹角为70°。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN112452762A (zh) * | 2020-01-09 | 2021-03-09 | 北京工业大学 | 气溶胶颗粒分选系统及方法 |
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| CN112452762A (zh) * | 2020-01-09 | 2021-03-09 | 北京工业大学 | 气溶胶颗粒分选系统及方法 |
| CN112452762B (zh) * | 2020-01-09 | 2021-11-23 | 北京工业大学 | 气溶胶颗粒分选系统及方法 |
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