CN207446283U - 液滴生成装置和液滴生成系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液滴生成装置和液滴生成系统，属于微滴生成领域的技术方案，包括注射机构、分散相储液池、连续相储液池和微通道，所述注射机构的输出端与所述分散相储液池的导通，所述微通道的一端与所述分散相储液池导通，所述微通道的另一端与所述连续相储液池导通，所述微通道的宽度与所述微通道的深度各不相同。所述微通道的尺寸小于所述连续相储液池的尺寸，当分散相从微通道出口进入连续相储液池时，使得流体在微通道内和微通道出口处的拉普拉斯压差增大，从而形成液滴。通过此装置制成的液滴，仅受微通道的尺寸影响，分散相和连续相的流速对液滴的大小和稳定性影响很小，从而使得液滴的生成更加稳定、简便和快捷可靠。

Description

液滴生成装置和液滴生成系统

技术领域

本实用新型涉及微滴生成领域的技术方案，特别涉及一种液滴生成装置和液滴生成系统。

背景技术

目前制备液滴的方法主要有微流控制备法、喷雾法以及毛细管液滴控制方法等。其中，微流控方法利用微通道结构内的一些特殊流体流动机制制备液滴，其产生的液滴尺寸均匀度高，可控性强，与其他方法相比具有显著的优越性；其中，利用微流控制备液滴的方法主要包括T型通道法和流体聚焦法，具体如下：

1、T型通道法是利用两微通道交叉处的几何特点，使待分散相液体的前沿在该交叉处转弯时，在连续相剪切力推动下造成的动量变化而生成液滴；

2、流动聚焦法是使连续相流体从交叉处两侧来“挤压”分散相液体前沿，并利用液体前沿下游处通道的“颈状”结构，使该分散液体前沿发生收缩变形而失稳，从而形成液滴。

显然，这两种方法的缺点是都需要通过调节流动相和分散相的流速，以此形成液滴，而且流动相和分散相流速的变化会影响液滴的大小和稳定性，因此需要通过两路压力控制才能实现连续相和分散相的压力平衡，才能达到生成液滴的目的，整个控制过程复杂困难，大大提高了液滴的生成成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种液滴生成装置和液滴生成系统，以解决现有技术对液滴生成控制困难的问题。

一种液滴生成装置，包括注射机构、分散相储液池、连续相储液池和微通道，所述注射机构的输出端与所述分散相储液池的内部导通，所述微通道的一端与所述分散相储液池的内部导通，所述微通道的另一端与所述连续相储液池的内部导通，所述微通道的宽度与所述微通道的深度各不相同，所述微通道的尺寸小于所述连续相储液池的尺寸。

有关液滴生成装置，所述微通道宽度与所述微通道深度的比值≥2，或所述微通道宽度与所述微通道深度的比值≤0.5。

有关液滴生成装置，所述微通道的宽度为5-200um，所述微通道高度 5-200um。

有关液滴生成装置，所述液滴生成装置还包括转移通道和液滴收集池，所述转移通道的一端与所述连续相储液池的内部导通，所述转移通道的另一端与所述液滴收集池的内部导通。

有关液滴生成装置，所述微通道的一端与所述分散相储液池的内部下方导通，所述微通道的另一端与所述连续相储液池的内部下方导通；所述转移通道的一端与所述连续相储液池的内部上方导通，所述转移通道的另一端与所述液滴收集池的内部上方导通。

有关液滴生成装置，所述液滴生成装置还包括中转通道和中转池，所述中转通道的一端与所述分散相储液池的内部导通，所述中转通道的另一端所述中转池的内部导通；所述连续相储液池和所述微通道均设于所述中转池内部，所述微通道为多条，多条所述微通道围绕所述连续相储液池的呈周向布置，每条所述微通道的一端均与所述中转池的内部导通，每条所述微通道的另一端均与所述连续相储液池的内部导通。

有关液滴生成装置，所述分散相储液池设有密封接口，所述密封接口与所述注射机构的输出端联接导通。

一种液滴生成系统，包括至少两个上述的液滴生成装置。

有关液滴生成系统，各个所述液滴生成装置共同联接一个所述的注射机构，所述注射机构的输出端联接有注射分配通道，所述注射分配通道与所述注射机构的输出端导通，所述注射分配通道设有多个端口，所述注射分配通道的每个端口对应与一个所述分散相储液池的内部导通。

有关液滴生成系统，所述液滴生成系统还包括有总储液池，所述总储液池联接有连续相分配通道，所述连续相分配通道与所述总储液池的内部导通，所述连续相分配通道设有多个端口，所述连续相分配通道的每个端口分别对应与一个所述连续相储液池的内部导通。

本实用新型的有益效果如下：

由于所述微通道的一端与所述分散相储液池的内部导通，所述微通道的另一端与所述连续相储液池的内部导通，所述微通道的宽度与所述微通道的深度各不相同，在微通道出口与连续相储液池相连的地方，由于微通道深宽比不一致，在出口处尺寸突然变大的时候，导致液滴在各个方向的拉普拉斯压力不同，从而发生台阶式乳化而生成液滴，通过此方式生成的液滴，仅受微通道的尺寸影响，分散相和连续相的流速对液滴的大小的影响较小，从而使得液滴的生成更加稳定性和快捷可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式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实用新型的一些实施方式，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是本实用新型液滴生成装置优选实施方式提供的结构示意图一；

图2是本实用新型液滴生产装置优选实施方式提供的结构示意图二；

图3是本实用新型液滴生成装置优选实施方式提供的结构示意图三；

图4是本实用新型液滴生产装置优选实施方式提供的结构示意图四；

图5是本实用新型液滴生成系统优选实施方式提供的结构示意图一；

图6是本实用新型液滴生成系统优选实施方式提供的局部结构示意图一；

图7是本实用新型液滴生成系统优选实施方式提供的结构示意图二；

图8是本实用新型液滴生成系统优选实施方式提供的局部结构示意图二。

附图标记如下：

1、注射机构；2、分散相储液池；3、连续相储液池；4、微通道；5、转移通道；6、液滴收集池；7、中转通道；8、中转池；9、密封接口；10、注射分配通道；11、总储液池；12、连续相分配通道。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

从图1至8可知，本实用新型实施方式所述的液滴生成装置，包括注射机构1、分散相储液池2、连续相储液池3和微通道4，所述注射机构1的输出端与所述分散相储液池2的内部导通，所述微通道4的一端与所述分散相储液池2 的内部导通，所述微通道4的另一端与所述连续相储液池3的内部导通，所述微通道4的宽度与所述微通道4的深度各不相同，所述微通道4的尺寸小于所述连续相储液池3的尺寸。

由于所述微通道4的一端与所述分散相储液池2的内部导通，所述微通道4 的另一端与所述连续相储液池3的内部导通，所述微通道4的宽度与所述微通道4的深度各不相同，在微通道4出口与连续相储液池3相连的地方，微通道4 的端口较小，连续相储液池3的内部空间较大，所以微通道4与连续相储液池3 将会导致微通道4的出口突然变大，由于微通道4深宽比不一致，在出口处尺寸突然变大的时候，导致液滴在各个方向的拉普拉斯压力不同，从而发生台阶式乳化而生成液滴，通过此方式生成的液滴，仅受微通道4的尺寸影响，分散相和连续相的流速对液滴的大小的影响较小，从而使得液滴的生成更加稳定性和快捷可靠。

本实用新型涉及基于微流控芯片的高通量微滴生成技术。微液滴由于体积小、可避免样品间的交叉污染，反应条件稳定，同时可以对液滴进行灵活操控，实现液滴混合、分离等优点因而是一种十分理想的微反应器。微反应器已经被用于研究微尺度条件下众多的反应及其过程，并在化学和生命科学等领域拓展出重要应用，如化学合成、微萃取、蛋白质结晶、酶合成及其细胞培养和分析、液滴PCR等各个领域。

在图1和2中，微通道4上下两边线的距离为微通道4的高度，微通道4 垂直于纸面的方向为其厚度的方向，所以有关微通道4的宽深比，本实用新型实施方式所述的液滴生成装置可进行如下改进，所述微通道4宽度与所述微通道4深度的比值≥2，或所述微通道4宽度与所述微通道4深度的比值≤0.5，在此基础上，还可以设定所述微通道4的宽度为5-200um，所述微通道4的高度为 5-200um。

此时微通道4的宽深比并不一致，所以在出口处尺寸突然变大的时候，导致液滴在各个方向的拉普拉斯压力不同，从而发生台阶式乳化而生成液滴，通过此方式生成的液滴，而且在微通道4的宽深比为≥2或≤0.5时，其生成液滴的大小更为合适、稳定性更高，而且在微通道4的宽度为5-200um，微通道4 的高度为5-200um时，液滴的大小和稳定性将更好。

如图2所示，有液滴的收集，本实用新型实施方式所述的液滴生成装置可进行如下改进，所述液滴生成装置还包括转移通道5和液滴收集池6，所述转移通道5的一端与所述连续相储液池3的内部导通，所述转移通道5的另一端与所述液滴收集池6的内部导通。

在实际设计过程中，由于分散相储液池2、微通道4和连续相储液池3要相互导通配合，因此会对连续相储液池3的形状、大小构成限制，即连续相储液池3未必具有充足的空间容纳液滴；而增设液滴收集池6后，液滴将会经转移通道5移动至液滴收集池6进行收集，由于液滴收集池6的形状大小不受分散相储液池2、微通道4和连续相储液池3的限制，从而解决了液滴收集量容易受限的问题。

如图2所示，有关分散相储液池2、连续相储液池3和液滴收集池6的导通方式，本实用新型实施方式所述的液滴生成装置可进行如下改进，所述微通道4 的一端与所述分散相储液池2的内部下方导通，所述微通道4的另一端与所述连续相储液池3的内部下方导通；所述转移通道5的一端与所述连续相储液池3 的内部上方导通，所述转移通道5的另一端与所述液滴收集池6的内部上方导通。

首先，当注射机构1进行注射时，分散相储液池2内的溶液将受压下移，由于微通道4的一端与分散相储液池2的内部下方导通，从而更便于分散相储液池2内的溶液转移至连续相储液池3。

其次，由于液滴的密度小于连续相储液池3内溶液的密度，所以液滴将会在连续相储液池3内进行上浮，而转移通道5的一端与连续相储液池3的内部上方导通，从而更便于连续相储液池3内的液滴转移至液滴收集池6。

再者，由于液滴的密度小于液滴收集池6内溶液的密度，所以液滴将会在液滴收集池6内进行上浮，而转移通道5的另一端与液滴收集池6的内部上方导通，将会使得液滴转移至液滴收集池6后，直接置于液滴收集池6内的液面上，免去液滴的上浮过程，更便于液滴的获取利用。

更进一步的，为了使得液滴转移至液滴收集池6的过程更加顺畅，可控制连续相收集池内的液面高度高于液滴收集池6内的液面高度，并使得转移导通呈倾斜布置，即转移通道5上方的端口与连续相收集池的内部上方导通，转移通道5下发的端口与液滴收集池6的内部上方导通，从而使得液滴能够重力的驱使下，自然移动至液滴收集池6，结构简单方便，更省去设置相关机构控制液滴移动至液滴收集池6的成本。

另外还需指出，当液滴的密度低于连续相溶液的密度时，液滴会进行上浮，所以应用上述实施方式能够便于液滴转移至液滴收集池6；但是液滴的密度也可以高于连续相溶液的密度，此时液滴将下沉至连续相储液池3的底部，所以可如图3所示，将微通道4的一端与分散相储液池2的内部下方导通，微通道4 的另一端与连续相储液池3的内部上方导通，即使得连续相储液池3内的液面应低于分散相储液池2内的液面，以便于液滴在连续相储液池3内生成后，可下沉至连续相储液池3的底部，当然，也可如图4所示，将转移通道5的一端与连续相储液池3的内部下方导通，转移通道5的另一端与液滴收集池6的内部上方导通，即使得连续相储液池3内的液面应高于液滴收集池6内的液面，便于液滴迅速转移至液滴收集池6。

如图6所示，有关分散相储液池2、连续相储液池3和微通道4的导通方式，本实用新型实施方式所述的液滴生成装置可进行如下改进，所述液滴生成装置还包括中转通道7和中转池8，所述中转通道7的一端与所述分散相储液池2的内部导通，所述中转通道7的另一端所述中转池8的内部导通；所述连续相储液池3和所述微通道4均设于所述中转池8内部，所述微通道4为多条，多条所述微通道4围绕所述连续相储液池3的呈周向布置，每条所述微通道4的一端均与所述中转池8的内部导通，每条所述微通道4的另一端均与所述连续相储液池3的内部导通。

在液滴的生成过程中，分散相储液池2内的溶液将会先转移至中转池8内，待注射机构1开始注射后，中转池8内的溶液将同时经过多条微通道4进入至连续相储液池3内，即多条微通道4能够同时生成液滴，大大提高了液滴的生成效率。

如图1和2所示，有关液滴生成装置的密封处理，本实用新型实施方式所述的液滴生成装置可进行如下改进，所述分散相储液池2设有密封接口9，所述密封接口9与所述注射机构1的输出端联接导通。

密封结构能够实现注射机构1与分散相储液池2之间的密封联接，所以在注射机构1进行注射的过程中，无论是溶液或是气压均不会外泄，从而保证注射机构1能够顺利将溶液送进微通道4，以此进行液滴的生成。

综上所述，在结合上述的改进后，可得出一种液滴生成装置的具体实施方式，包括有注射机构1、密封接口9、分散相储液池2、中转通道7、中转池8、连续相储液池3、微通道4、转移通道5和液滴收集池6，其中：

注射机构1，注射机构1的输出端与密封接口9联接导通；

密封接口9，密封接口9设于分散相储液池2的上部，密封接口9对分散相储液池2的实现了密封封闭，以及将注射机构1的输出端与分散相储液池2的内部导通；

分散相储液池2，分散相储液池2的内部为一容纳腔，用于容纳分散相溶液；

中转通道7，中转通道7具有两个端口，中转通道7的一个端口与分散相储液池2的内部下部导通，中转通道7的另一个端口与中转池8的下部导通；

连续相储液池3，连续相储液池3设于中转池8的中部，连续相储液池3的内部为一容纳腔，用于容纳连续相溶液；

微通道4，微通道4为多条，多条微通道4均设于中转池8内，多条微通道 4围绕连续相储液池3呈周向布置，每条微通道4均设有两个端口，每条微通道 4的一个端口均与中转池8内部导通，每条微通道4的另一个端口均与连续相储液池3的内部下方导通；

转移通道5，转移通道5具有两个端口，转移通道5的两个端口置于不同的高度位置，即转移通道5呈倾斜布置的状态，转移通道5置于上方的端口与连续相储液池3的内部上方导通，转移通道5置于下方的另一个端口与液滴收集池6的内部上方导通；

液滴收集池6，液滴收集池6内部具有一容纳腔，用于容纳生成的液滴。

其工作过程大致如下：

1、在注射机构1内装载分散相溶液，该分散相溶液可以为去离子水，并以 4ul/min的速度进行注射；

2、分散相溶液在注射机构1的作用下，依次经过分散相储液池2、中转通道7、中转池8和微通道4，然后进入至连续相储液池3内；

3、连续相储液池3内存有连续相溶液，该连续相溶液可以是氟化油，并在氟化油中加入2％质量分数的表面活性剂，所以当分散相溶液进入至连续相储液池3的瞬间，便可生成液滴；

4、生成的液滴上浮至连续相溶液的上部，然后经转移通道5转移至液滴收集池6内，从而完成整个液滴生成、收集过程。

还需指出，注射机构1还可以单纯用于输注压力，譬如预先将去离子水装入分散相储液池2内，此时注射机构1只需注入压力，分散相储液池2内的去离子水将被压入微通道4内，从而实现后续的液滴生成工序。

需要指出，注射机构1无论是输注分散相溶液还是压力，均是由于所述微通道4的尺寸小于与所述相连接的连续相储液池3的尺寸，所以分散相从微通道出口进入流动相时，微通道的尺寸与连续相储液池的尺寸大小差别大，从而使得流体在微通道4内和微通道4出口处的拉普拉斯压差增大，从而导致液体被切断，形成液滴。

从图5至8可知，本实用新型实施方式所述的液滴生成系统，包括至少两个上述的液滴生成装置。

即液体生成系统能够同时配备多个液滴生成装置，在应用过程中，多个液滴生成装置能够同时生成同一种类的液滴，也可以每个液滴生成装置负责生成不同的液滴，不但提高了液滴生成的效果，更使得不同液滴的同时生成得以实现。

其中，液滴生成装置的数量优选为8-96个，在此范围内，能够保证液滴生成单元的通量，这种设计结构和尺寸可以与现有的8联管或96孔板进行方便对接，以保证微流控芯片与现有耗材的匹配性和液滴生成系统的高通量要求。

而如图5和6所示，生成的液滴可以转移至液滴收集池6进行收集，也可以如图7和8所示，生成的液滴直接存储于连续相储液池3内。

如图5和6所示，有关液滴生成系统的注射方式，本实用新型实施方式所述的液滴生成系统可进行如下改进，各个所述液滴生成装置共同联接一个所述的注射机构1，所述注射机构1的输出端联接有注射分配通道10，所述注射分配通道10与所述注射机构1的输出端导通，所述注射分配通道10设有多个端口，所述注射分配通道10的每个端口对应与一个所述分散相储液池2的内部导通。

此时只需一个注射机构1进行注射，注射物便可经注射分配通道10转移至各个分散相储液池2内，避免重复设置多个注射机构1而增加成本，也简化了液滴生成系统的结构，大大提高了液滴生成系统的结构紧凑性。

如图5和6所示，有关连续相储液池3的溶液分配，本实用新型实施方式所述的液滴生成系统可进行如下改进，所述液滴生成系统还包括有总储液池11，所述总储液池11联接有连续相分配通道12，所述连续相分配通道12与所述总储液池11的内部导通，所述连续相分配通道12设有多个端口，所述连续相分配通道12的每个端口分别对应与一个所述连续相储液池3的内部导通。

在使用时，可将连续相溶液放置于总储液池11内，连续相溶液便可通过连续相分配通道12转移至各个连续相储液池3内，从而避免设置多个溶液添加装置而增加成本，也简化了液滴生成系统的结构，大大提高了液滴生成系统的结构紧凑性。

综上所述，在结合上述的改进后，可得出一种液滴生成系统的具体实施方式，包括有：

液滴生成装置，八个液滴生成装置并排布置；

注射机构1，注射机构1为一个，注射机构1联接有注射分配通道10，注射分配通道10设有一个汇总端口和八个分配端口，注射分配通道10的汇总端口与注射机构1的输出端导通，注射分配通道10的八个分配端口分别与八个液滴生成装置的分散相储液池2导通；

总储液池11，总储液池11为一个，总储液池11联接有连续相分配通道12，连续相分配通道12设有一个汇总端口和八个分配端口，连续相分配通道12的汇总端口与总储液池11的内部导通，连续相分配通道12的八个分配端口分别与八个液滴生成装置的连续相储液池3导通。

其工作过程大致如下：

1、在总储液池11内存有连续相溶液，该连续相溶液可以是氟化油，并在氟化油中加入2％质量分数的表面活性剂，然后连续相溶液将通过连续相分配通道12转移至八个液滴生成装置的连续相储液池3内；

2、在注射机构1内装载分散相溶液，该分散相溶液可以为去离子水，并以 4ul/min的速度进行注射，此时分散相溶液将通过注射分配通道10转移至八个液滴生成装置的分散相储液池2内；

3、八个液滴生成装置独立进行液滴生成和收集，以此完成整个液滴生成、收集过程。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种液滴生成装置，其特征在于，包括注射机构、分散相储液池、连续相储液池和微通道，所述注射机构的输出端与所述分散相储液池的内部导通，所述微通道的一端与所述分散相储液池的内部导通，所述微通道的另一端与所述连续相储液池的内部导通，所述微通道的宽度与所述微通道的深度各不相同，所述微通道的尺寸小于所述连续相储液池的尺寸。

2.根据权利要求1所述的液滴生成装置，其特征在于，所述微通道宽度与所述微通道深度的比值≥2，或所述微通道宽度与所述微通道深度的比值≤0.5。

3.根据权利要求2所述的液滴生成装置，其特征在于，所述微通道的宽度为5-200um，所述微通道的高度5-200um。

4.根据权利要求1所述的液滴生成装置，其特征在于，所述液滴生成装置还包括转移通道和液滴收集池，所述转移通道的一端与所述连续相储液池的内部导通，所述转移通道的另一端与所述液滴收集池的内部导通。

5.根据权利要求4所述的液滴生成装置，其特征在于，

所述微通道的一端与所述分散相储液池的内部下方导通，所述微通道的另一端与所述连续相储液池的内部下方导通；

所述转移通道的一端与所述连续相储液池的内部上方导通，所述转移通道的另一端与所述液滴收集池的内部上方导通。

6.根据权利要求1所述的液滴生成装置，其特征在于，

所述液滴生成装置还包括中转通道和中转池，所述中转通道的一端与所述分散相储液池的内部导通，所述中转通道的另一端所述中转池的内部导通；

所述连续相储液池和所述微通道均设于所述中转池内部，所述微通道为多条，多条所述微通道围绕所述连续相储液池的呈周向布置，每条所述微通道的一端均与所述中转池的内部导通，每条所述微通道的另一端均与所述连续相储液池的内部导通。

7.根据权利要求1所述的液滴生成装置，其特征在于，所述分散相储液池设有密封接口，所述密封接口与所述注射机构的输出端联接导通。

8.一种液滴生成系统，其特征在于，包括至少两个权利要求1至7任一项所述的液滴生成装置。

9.根据权利要求8所述的液滴生成系统，其特征在于，各个所述液滴生成装置共同联接一个所述的注射机构，所述注射机构的输出端联接有注射分配通道，所述注射分配通道与所述注射机构的输出端导通，所述注射分配通道设有多个端口，所述注射分配通道的每个端口对应与一个所述分散相储液池的内部导通。

10.根据权利要求8所述的液滴生成系统，其特征在于，所述液滴生成系统还包括有总储液池，所述总储液池联接有连续相分配通道，所述连续相分配通道与所述总储液池的内部导通，所述连续相分配通道设有多个端口，所述连续相分配通道的每个端口分别对应与一个所述连续相储液池的内部导通。