CN209451870U - 一种基于磁操控实现双重液滴分选的微流控装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于磁操控实现双重液滴分选的微流控装置，属于微流控技术领域。本实用新型包括玻璃基片固定在玻璃基片上的PDMS 芯片，其中PDMS 芯片中通过微细加工技术制作微通道结构，并在微通道结构一侧设置有永磁铁片。本实用新型集双重液滴生成、输运、分选及收集为一体，引入磁流体及磁操控方式实现双重液滴的分选与提纯。通过对多种液滴的独立操控，可以高效可控地实现液滴运动、分选以及液滴收集，可靠性高且易于实现。
Description
技术领域
本实用新型是一种基于磁操控实现双重液滴分选的微流控装置，属于微流控技术领域。
背景技术
微液滴作为微反应器已经广泛应用于聚合酶链式反应、单细胞包裹、药物运输及释放、组织工程等领域。液滴流微反应器将反应空间受限在尺寸范围为数十到数百微米的通道内部。该尺度下反应体系具有高的比表面积和高的传质性能，不仅可以通过精确的过程控制大幅度地缩短反应时间和降低样品消耗，更重要的是可以在短时间内产生大量特异性的微小反应单元，这使得高效快速的平行检测和试验成为可能。
双重液滴是由一种液滴以及内部包含的另一种与之不相溶的微小液滴组成，以双乳液滴为模板生成的核壳型、孔壳型、多腔室型功能微颗粒广泛应用于药物传输与控释、活性物质包封、化学催化以及生化分离等领域。在农业方面，双重液滴可以包裹和埋藏药物，充分保证药物的效用，也能够防止农药散失对环境产生污染。在医药方面，双重液滴各相相互独立不易发生作用避免活性物质失活，也能够相互溶解不同的活性物质。
而现有的关于双重液滴的微反应器对于液体运动、分选以及收集还不够高效精准，本实用新型集双重液滴生成、输运、分选及收集为一体，通过T型与聚焦型微通道联用生成双重液滴，引入磁流体及磁操控方式实现双重液滴的分选与提纯。通过对液滴的独立操控，可以高效可控地实现液滴运动、分选以及液滴收集。
实用新型内容
本实用新型提供一种基于磁操控实现双重液滴分选的微流控装置，能够实现双重液滴生成、输运、分选以及收集。
为了达到上述目的，采用以下技术方案：一种基于磁操控实现双重液滴分选的微流控装置，包括玻璃基片1和固定在玻璃基片1上的PDMS 芯片2，PDMS芯片2的内部贴近上表面处开设有横向的主通道7，主通道7的一端与横向通道相连，横向通道的末端开设有入口Ⅰ3，横向通道的垂直方向上设有两条竖向通道，两条竖向通道的末端分别对应设有入口Ⅱ4、入口Ⅲ5和入口Ⅳ6，入口Ⅲ5和入口Ⅳ6对称分布在横向通道的的两侧，入口Ⅱ4和入口Ⅲ5在同一侧且入口Ⅱ4靠近入口Ⅰ3，主通道7的另一端分别与三条通道相连，三条通道的末端分别对应设有出口Ⅰ9、出口Ⅱ10和出口Ⅲ11，出口Ⅱ10和入口Ⅰ3在一条直线上，PDMS芯片2内镶嵌有永磁铁片8且永磁铁片8正对主通道7的一侧。
进一步的，所述PDMS芯片2长为50mm，宽为30mm，厚为10mm；所述主通道7长为20mm，高为0.3mm，宽为0.6mm；其余通道的高为0.3mm，宽为0.3mm；所述入口Ⅰ3、入口Ⅱ4、入口Ⅲ5、入口Ⅳ6、出口Ⅰ9、出口Ⅱ10和出口Ⅲ11的直径均为1mm；所述入口Ⅰ3至出口Ⅱ10的水平距离为40mm，入口Ⅲ5和入口Ⅳ6之间的距离为20mm。
进一步的，所述永磁铁片8的N极靠近主通道7且距其侧壁面1.5mm，S极与PDMS芯片2的边缘对齐。
本实用新型的工作原理：本实用新型集双重液滴生成、输运、分选及收集为一体，在不同入口通入磁流体和纯水，并调节两个入口流量，然后在后面的入口同时通入纯水并调节流量，生成双重液滴。通过控制入口流量控制液滴大小。通过特定的通道联用生成双重液滴，引入磁流体及磁操控方式实现双重液滴的分选与提纯。通过对液滴的独立操控，可以高效可控地实现液滴运动、分选以及液滴收集，可靠性高且易于实现。
本实用新型的有益效果：
1、通过调节入口流量可以生成多个种类以及多个大小的液滴，而且双重液滴具有尺寸均一和易于调控等显著优势。
2、应用磁流体这一新型材料，结合液滴流微反应器，实现了低成本高效率的液滴分选收集。
3、本分选装置创新性的使用了主动分离法。在微通道横向引入一个非均匀磁场，不同磁化量的粒子承受不同的横向磁场力，导致粒子在微通道上下分离，继而达到分选双重液滴的目的。该方法分离效率高且操作简单。
4、本装置使用PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料制作芯片，材料透光性好、生物相容性以及良好的化学惰性，是一种广泛应用与微流体领域的聚合物材料。
5、本实用新型集双重液滴生成、输运、分选及收集为一体，通过T型与聚焦型微通道联用生成双重液滴，引入磁流体及磁操控方式实现双重液滴的分选与提纯。通过对多种液滴的独立操控，可以高效可控地实现液滴运动、分选以及液滴收集。
6、本装置永磁铁片只需镶嵌在微流控芯片内部即可，具有制作简单，制作成本低、便于携带等优点。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构示意图；
图2为本实用新型的通道微结构剖视图（B-B方向）；
图3为本实用新型的通道微结构剖视图（A-A方向）；
图4为本实用新型的磁操控分选双重液滴原理图；
图1-4中各标号：1-玻璃基片，2-PDMS芯片，3-入口Ⅰ，4-入口Ⅱ，5-入口Ⅲ，6-入口Ⅳ，7-主通道，8-永磁铁片，9-出口Ⅰ，10-出口Ⅱ，11-出口Ⅲ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例1：一种基于磁操控实现双重液滴分选的微流控装置采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料构成整个芯片，通过微细加工技术如光刻技术制作出微通道结构并在微通道侧面嵌入两块永磁铁片。具体的结构如图1-3所示，包括玻璃基片1和固定在玻璃基片1上的PDMS 芯片2，PDMS芯片2的内部贴近上表面处开设有横向的主通道7，主通道7的一端与横向通道相连，横向通道的末端开设有入口Ⅰ3，横向通道的垂直方向上设有两条竖向通道，两条竖向通道的末端分别对应设有入口Ⅱ4、入口Ⅲ5和入口Ⅳ6，入口Ⅲ5和入口Ⅳ6对称分布在横向通道的的两侧，入口Ⅱ4和入口Ⅲ5在同一侧且入口Ⅱ4靠近入口Ⅰ3，主通道7的另一端分别与三条通道相连，三条通道的末端分别对应设有出口Ⅰ9、出口Ⅱ10和出口Ⅲ11，出口Ⅱ10和入口Ⅰ3在一条直线上，所有的入口和出口都位于PDMS芯片2的表面，PDMS芯片2内镶嵌有永磁铁片8且永磁铁片8正对主通道7的一侧，出口Ⅰ9与永磁铁片8在同一侧，出口Ⅲ11位于另一侧。
利用本装置进行液滴生成的过程为：首先在入口Ⅰ3通入磁流体，其中磁流体可以采用市售磁流体即能满足需求，也可以采用直径在 10nm 以下的磁性颗粒（通常为 Fe4O3颗粒）、基载液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体，为生物相容性较好的矿物油基磁流体。这种液体在静止时没有磁性吸引力，但会受到外界磁场的吸引并表现出超顺磁性。然后在入口Ⅱ4通入纯水，通过调节两个入口流量，在两者相交形成的T型口处生成油包水（W/O）液滴；然后在入口Ⅲ5和入口Ⅳ6处同时通入纯水并调节流量，在入口Ⅲ5和入口Ⅳ6以及横向通道形成的十字口处生成水包油包水（W/O/W）双重液滴。所生成液滴进入主通道7后，在永磁铁片8形成的非均匀磁场中被磁化受到磁场力，单个液滴所受磁场力最大，由出口Ⅰ9分选收集；多乳液滴所受磁场力最小，由出口Ⅲ11收集；双重液滴则由出口Ⅱ10收集。经过本装置所产生的液滴具有尺寸均一和易于调控等显著优势。
液滴分选部分具体原理如下：两块永磁铁片8在主通道7横向一个非均匀磁场，不同磁化量的粒子承受不同的横向磁场力，导致粒子在微通道上下分离，继而达到分选双重液滴的目的。对于本实用新型，如图4所示，主通道7存在至少三种液滴---单个液滴、双重重液及多重液滴。因十字口处生成的液滴总体积一致，而对于每种液滴所含的磁流体体积不同，即磁化量不同，所以每种液滴所受的磁场力不同。单个液滴所受磁场力最大，由出口Ⅰ9分选收集；多乳液滴所受磁场力最小，由出口Ⅲ11收集；双重液滴则由出口Ⅱ10收集。
其中液滴在非均匀磁场中所受到的磁场力可以使用如下公式初步判断：
式中，为粒子体积；为真空磁导率；为粒子与流体磁化率之差；B为磁场强度。
实施例2：本实例中PDMS芯片2长为50mm，宽为30mm，厚为10mm；所述主通道7长为20mm，高为0.3mm，宽为0.6mm；其余通道的高为0.3mm，宽为0.3mm；所述入口Ⅰ3、入口Ⅱ4、入口Ⅲ5、入口Ⅳ6、出口Ⅰ9、出口Ⅱ10和出口Ⅲ11的直径均为1mm；所述入口Ⅰ3至出口Ⅱ10的水平距离为40mm，入口Ⅲ5和入口Ⅳ6之间的距离为20mm，入口Ⅰ3至入口Ⅲ5和入口Ⅳ6的水平距离为10mm，入口Ⅲ5和入口Ⅳ6至主通道7的水平距离为2mm。
其中永磁铁片8的数量视具体情况而定，如图2、图3所示，本实施例中永磁铁片8的N极靠近主通道7且距其侧壁面1.5mm，S极与PDMS芯片2的边缘对齐。两永磁铁片8的水平长为5mm，宽为12mm，相距为5mm，均匀嵌于PDMS芯片2的内部。
以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不仅限于上述实施方式。
Claims (3)
1.一种基于磁操控实现双重液滴分选的微流控装置，其特征在于：包括玻璃基片（1）和固定在玻璃基片（1）上的PDMS 芯片（2），PDMS芯片（2）的内部贴近上表面处开设有横向的主通道（7），主通道（7）的一端与横向通道相连，横向通道的末端开设有入口Ⅰ（3），横向通道的垂直方向上设有两条竖向通道，两条竖向通道的末端分别对应设有入口Ⅱ（4）、入口Ⅲ（5）和入口Ⅳ（6），入口Ⅲ（5）和入口Ⅳ（6）对称分布在横向通道的两侧，入口Ⅱ（4）和入口Ⅲ（5）在同一侧且入口Ⅱ（4）靠近入口Ⅰ（3），主通道（7）的另一端分别与三条通道相连，三条通道的末端分别对应设有出口Ⅰ（9）、出口Ⅱ（10）和出口Ⅲ（11），出口Ⅱ（10）和入口Ⅰ（3）在一条直线上，PDMS芯片（2）内镶嵌有永磁铁片（8）且永磁铁片（8）正对主通道（7）的一侧。
2.根据权利要求1所述的基于磁操控实现双重液滴分选的微流控装置，其特征在于：所述PDMS芯片（2）长为50mm，宽为30mm，厚为10mm；所述主通道（7）长为20mm，高为0.3mm，宽为0.6mm；其余通道的高为0.3mm，宽为0.3mm；所述入口Ⅰ（3）、入口Ⅱ（4）、入口Ⅲ（5）、入口Ⅳ（6）、出口Ⅰ（9）、出口Ⅱ（10）和出口Ⅲ（11）的直径均为1mm；所述入口Ⅰ（3）至出口Ⅱ（10）的水平距离为40mm，入口Ⅲ（5）和入口Ⅳ（6）之间的距离为20mm。
3.根据权利要求1所述的基于磁操控实现双重液滴分选的微流控装置，其特征在于：所述永磁铁片（8）的N极靠近主通道（7）且距其侧壁面1.5mm，S极与PDMS芯片（2）的边缘对齐。
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