CN215429119U - 三维液滴剪切流道结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及液滴生成技术领域。三维液滴剪切流道结构，包括一封闭的流道结构，流道结构包括用于输送分散相的分散相流道；流道结构包括用于横向剪切分散相的第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道，第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道的一端均与第一连续相入口导通，第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道的一端与分散相流道在汇聚处导通；流道结构还包括用于纵向剪切分散相的倾斜向下导流的第二连续相倾斜流道，第二连续相倾斜流道的下端与分散相流道在汇聚处导通；流道结构还包括一液滴生成流道，液滴生成流道与汇聚处导通。本专利实现液滴的横向剪切以及纵向剪切，相较二维液滴生成装置，三维交叉结构剪切液滴效率提升。

Description

三维液滴剪切流道结构

技术领域

本实用新型涉及液滴生成技术领域，具体是液滴生成流道结构。

背景技术

近年来，液滴微流控已被应用于很多领域，如药物输送、材料合成、芯片诊断、化学反应以及微反应器等。液滴的生成在此过程中尤为重要，不仅需要控制分散相和连续相的流速，实现稳定、大小均一的液滴生成，还需要保证液滴的高效率生成，为此，大量研究通过流道结构的改变、连续相流体种类的更换以及通道表面改性对液滴生成进行探索。

目前液滴生成装置大多采用T型通道，虽然结构简单，但是液滴生成较为低效。专利CN104826674A公开了一种实现液滴生成的反Y型通道微流控芯片，其在传统T型流道的基础上，进行优化设计使连续相通道与分散相通道具有最优夹角，形成Y型，提升液滴生成效率，但是二维流道对液滴剪切效率的进一步提升也并不有利。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供三维液滴剪切流道结构，以解决以上至少一个技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型提供了三维液滴剪切流道结构，包括一封闭的流道结构，其特征在于，所述流道结构包括用于输送分散相的分散相流道；

所述流道结构包括用于横向剪切分散相的第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道，所述第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道的一端均与第一连续相入口导通，所述第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道的一端与所述分散相流道在汇聚处导通；

所述第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道的导出方向与所述分散相流道的导流方向构成20°-70°夹角；

所述流道结构还包括用于纵向剪切分散相的第二连续相流道，所述第二连续相流道位于所述分散相流道的上方，所述第二连续相流道包括倾斜向下导流的第二连续相倾斜流道，所述第二连续相倾斜流道的下端与所述分散相流道在所述汇聚处导通；

所述流道结构还包括一液滴生成流道，所述液滴生成流道与所述汇聚处导通。

本专利通过第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道实现液滴的横向剪切，通过第二连续相流道实现液滴的纵向剪切，相较二维液滴生成装置，三维交叉结构剪切液滴效率提升。

进一步优选地，所述第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道左右镜像对称设置，所述第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道均包括相互导通的水平段、竖直段以及倾斜段；

所述水平段与所述第一连续相入口导通；

所述水平段与所述竖直段的夹角为90°；

所述竖直段与所述倾斜段的夹角为110°-160°；

所述第一连续相第一流道以及所述第一连续相第二流道的倾斜段与所述分散相流道导通。

便于导流通道的优化布局。

进一步优选地，所述分散相流道的入口位于所述第一连续相入口与所述汇聚处之间。

便于导流通道的优化布局。

进一步优选地，所述第二连续相流道包括横向导流的第二连续相水平流道，所述第二连续相水平流道的一端与所述第二连续相流道的入口导通；

所述第二连续相水平流道的另一端与所述第二连续相倾斜流道的上端导通。

便于实现第二连续相的导流。

进一步优选地，所述第一连续相流道与所述第二连续相流道的入口与气源导通。

便于通过气源实现液体的剪切。一方面避免了液体油作为连续相产生分离问题，且不会产生交叉污染，另一方面气体的低粘度提高流速，进一步提升液滴生成效率，疏水纳米结构可减少生成液滴的质量损失。

进一步优选地，所述第二连续相倾斜流道的导流方向与竖直方向的夹角为20°-70°。

进一步优选地，所述分散相流道的宽度为50-500μm，所述分散相流道的深度为50-500μm，所述分散相流道的长度为5mm。

进一步优选地，所述第一连续相第一流道、第一连续相第二流道、第二连续相流道的宽度是所述分散相流道的2倍，所述液滴生成流道的宽度是所述分散相流道的3倍。

进一步优选地，所述液滴生成流道的内壁均设有疏水纳米二氧化硅涂层。

疏水纳米二氧化硅涂层可减少生成液滴的质量损失。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的一种结构示意图；

图2为图1中顶层盖板的一种结构示意图；

图3为图1中夹层盖板的一种结构示意图；

图4为图3中夹层盖板的侧视图；

图5为图1中底层基板的一种结构示意图；

图6为图5中底层基板的俯视图；

图7为常规T型微通道的结构示意图。

其中，1：顶层盖板；11：第一连续相入口接头；12：分散相入口接头；13：第二连续相入口接头；2：夹层盖板；21：第一连续相通孔；22：分散相通孔；23：第二连续相入口；24：第二连续相水平流道；25：第二连续相倾斜流道；3：底层基板；31：第一连续相入口；32：分散相入口；33：第一连续相第一流道；34：第一连续相第二流道；35：分散相流道；36：液滴生成流道。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

参见图1至图6，具体实施例1：三维液滴剪切流道结构，包括一封闭的流道结构；

流道结构包括用于输送分散相的分散相流道35；

流道结构包括用于横向剪切分散相的第一连续相第一流道33以及第一连续相第二流道34，第一连续相第一流道33以及第一连续相第二流道34的一端均与第一连续相入口导通，第一连续相第一流道33以及第一连续相第二流道34的一端与分散相流道35在汇聚处导通。第一连续相第一流道33以及第一连续相第二流道34左右镜像对称设置，第一连续相第一流道33以及第一连续相第二流道34均包括相互导通的水平段、竖直段以及倾斜段；水平段与第一连续相入口导通；水平段与竖直段的夹角为90°；竖直段与倾斜段的夹角为110°-160°；第一连续相第一流道33以及第一连续相第二流道34的倾斜段与分散相流道35导通。

第一连续相第一流道33以及第一连续相第二流道34的导出方向与分散相流道35的导流方向构成20°-70°夹角；

流道结构还包括用于纵向剪切分散相的第二连续相流道，第二连续相流道位于分散相流道35的上方，第二连续相流道包括倾斜向下导流的第二连续相倾斜流道25，第二连续相倾斜流道25的导流方向与竖直方向的夹角为20°-70°。第二连续相倾斜流道25的下端与分散相流道35在汇聚处导通；

流道结构还包括一液滴生成流道36，液滴生成流道36与汇聚处导通。

本专利通过第一连续相第一流道33以及第一连续相第二流道34实现液滴的横向剪切，通过第二连续相流道实现液滴的纵向剪切，相较二维液滴生成装置，三维交叉结构剪切液滴效率提升。

分散相流道35的入口位于第一连续相入口与汇聚处之间。便于导流通道的优化布局。

第二连续相流道包括横向导流的第二连续相水平流道，第二连续相水平流道的一端与第二连续相流道的入口导通；第二连续相水平流道的另一端与第二连续相倾斜流道25的上端导通。

第一连续相流道与第二连续相流道的入口与气源导通。

便于通过气源实现液体的剪切。一方面避免了液体油作为连续相产生分离问题，且不会产生交叉污染，另一方面气体的低粘度提高流速，进一步提升液滴生成效率，疏水纳米结构可减少生成液滴的质量损失。

分散相流道35的宽度为50-500μm，分散相流道35的深度为50-500μm，分散相流道35的长度为5mm。

第一连续相第一流道33、第一连续相第二流道34、第二连续相流道的宽度是分散相流道35的2倍，液滴生成流道36的宽度是分散相流道35的3倍。

液滴生成流道36的内壁均设有疏水纳米二氧化硅涂层。

疏水纳米二氧化硅涂层可减少生成液滴的质量损失。

具体的，顶层盖板1、夹层盖板2和底层基板3键合形成流道结构。

顶层盖板1整体尺寸为55mm*55mm，材质为PDMS。

顶层盖板1开设有第一连续相入口接头11、第二连续相入口接头13和分散相入口接头12。第一连续相入口接头11的直径为5mm，其圆心与顶层盖板1侧边的距离为12.5mm，分散相入口接头12的直径为5mm，与第一连续相入口接头11的圆心距为15mm，第二连续相入口接头13的直径为5mm，与分散相入口接头12的圆心距为15mm，第一连续相入口接头11、分散相入口接头12和第二连续相入口接头13在一条直线，均贯穿于顶层盖板1。

夹层盖板2整体尺寸为55mm*55mm，材质为PDMS，与顶层盖板1相贴合。

夹层盖板上开设有第一连续相通孔、分散相通孔和第二连续相入口，第一连续相通孔21和分散相通孔22贯穿于夹层盖板2，且分别与第一连续相入口接头11和分散相入口接头12相对应。第二连续相入口23深度为夹层盖板2厚度的一半，且与第二连续相入口接头13相对应。第一连续相通孔21的直径为5mm，其圆心与夹层盖板2侧边的距离为12.5mm，分散相通孔22的直径为5mm，与第一连续通孔21的圆心距为15mm，第二连续相入口23的直径为5mm，与分散相通孔22的圆心距为15mm。

夹层盖板上开设有第二连续相导流通道。第二连续相导流通道的入口与第二连续相入口23对接导通。

底层基板3整体尺寸为55mm*55mm，材质为PDMS，与夹层盖板2相贴合。

底层基板上开设有第一连续相入口以及分散相入口。第一连续相入口31和分散相入口32的深度为底层基板3厚度的一半，且分别与第一连续相通孔21和分散相通孔22相对应。第一连续相入口31的直径为5mm，其圆心与底层基板3侧边的距离为12.5mm，分散相入口32的直径为5mm，与第一连续相入口31的圆心距为15mm，均与第一连续相入口31连通。

底层基板上开设有左右镜像对称设置的第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道。

底层基板上开设有分散相流道。分散相流道35的宽度为50-500μm。

为了验证该实用新型对于促进液滴生成的有效作用，利用相同结构的常规T型微通道(参见图7)微流控芯片进行了对比数值模拟实验。两组模拟结果如下表所示，可见本实用新型在相同条件下能够生成更小的液滴，且液滴周期更短。

注：对比芯片中，连续相流率为600μL/min，T型通道高度为100μm。T型通道中连续相入口宽度为300μm，离散相入口宽度为100μm。

本实用新型芯片，第一连续相以及第二连续相的流率为600μL/min，第一连续相第一流道第一连续相第二流道以及分散相流道的高度为100μm。第一连续相第一流道、第一连续相第二流道以及第二连续相流道的宽度为200μm，分散相流道的宽度为100μm。

以上仅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，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.三维液滴剪切流道结构，包括一封闭的流道结构，其特征在于，所述流道结构包括用于输送分散相的分散相流道；

所述流道结构包括用于横向剪切分散相的第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道，所述第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道的一端均与第一连续相入口导通，所述第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道的一端与所述分散相流道在汇聚处导通；

所述第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道的导出方向与所述分散相流道的导流方向构成20°-70°夹角；

所述流道结构还包括用于纵向剪切分散相的第二连续相流道，所述第二连续相流道位于所述分散相流道的上方，所述第二连续相流道包括倾斜向下导流的第二连续相倾斜流道，所述第二连续相倾斜流道的下端与所述分散相流道在所述汇聚处导通；

所述流道结构还包括一液滴生成流道，所述液滴生成流道与所述汇聚处导通。

2.根据权利要求1所述的三维液滴剪切流道结构，其特征在于：所述第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道左右镜像对称设置，所述第一连续相第一流道以及第一连续相第二流道均包括相互导通的水平段、竖直段以及倾斜段；

所述水平段与所述第一连续相入口导通；

所述水平段与所述竖直段的夹角为90°；

所述竖直段与所述倾斜段的夹角为110°-160°；

所述第一连续相第一流道以及所述第一连续相第二流道的倾斜段与所述分散相流道导通。

3.根据权利要求1所述的三维液滴剪切流道结构，其特征在于：所述分散相流道的入口位于所述第一连续相入口与所述汇聚处之间。

4.根据权利要求1所述的三维液滴剪切流道结构，其特征在于：所述第二连续相流道包括横向导流的第二连续相水平流道，所述第二连续相水平流道的一端与所述第二连续相流道的入口导通；

所述第二连续相水平流道的另一端与所述第二连续相倾斜流道的上端导通。

5.根据权利要求1所述的三维液滴剪切流道结构，其特征在于：所述第一连续相流道与所述第二连续相流道的入口与气源导通。

6.根据权利要求1所述的三维液滴剪切流道结构，其特征在于：所述第二连续相倾斜流道的导流方向与竖直方向的夹角为20°-70°。

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