CN216224451U - 一种不对称振动微液滴生成机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种不对称振动微液滴生成机构，包括振动组件、连接导向结构件、振动安装座、加样针、以及驱动控制器；所述振动组件包括壳体、振子、和振动输出杆；所述振动组件的振动输出杆通过连接导向结构件与所述振动安装座连接，为所述振动安装座提供动力；所述振动安装座上具有连接接口，所述连接接口的一端通过管接头与供液导管连接，另一端通过加样针适配器与所述加样针连接；所述加样针的中心轴线与所述振动输出杆的轴线垂直；所述驱动控制器电性连接所述振动组件，并驱动所述振动安装座按照不对称运动控制程序进行不对称往复运动。使用本实用新型的微液滴生成机构实现大小均一、体积可控的微液滴的制备。

Description

一种不对称振动微液滴生成机构

技术领域

本实用新型涉及微液滴制备技术领域，具体而言，涉及一种不对称振动微液滴生成机构。

背景技术

微液滴在各领域应用广泛，基于微液滴的微流控技术在单细胞分析、数字PCR、DNA测序、蛋白质结晶、高通量反应筛选和单细胞功能分选等领域得到了快速的发展与应用。

微液滴的生成是利用互不相溶的两相生成乳化的微液滴，微液滴相被称为分散相，包裹微液滴的相被称为连续相。微液滴生成后可以对其进行分裂、融合、混合、稀释、收集和分选等操作。因此对于微液滴的形状、大小以及单分散性的控制十分重要。

现有技术中，微液滴生成技术主要分为三种。一种是利用微流控芯片生成微液滴，其原理是基于分散相和连续相在微通道中交汇时的界面失稳。目前，微流控芯片上的微液滴的生成需要满足特定的流速、油水界面张力以及通道构型和通道表面修饰等条件，微液滴体积调节的范围也受到以上因素的制约。另外，微液滴在微流控芯片通道内生成后，需要特定的步骤和装置将其转移到储存容器中，难以对单个微液滴的条件进行定制，微液滴的定位、提取和分析等操作较为不便。第二种是利用特殊装置喷射微量液体形成微液滴，如采用压电陶瓷、热激膨胀、高压电喷等特殊的喷射或微液滴激发方式，但是这种方式的流体驱动装置较为复杂，对微液滴体积的精确调控比较困难，且生物样品可能会受到一定程度的损坏。

第三种是通过微管道在连续相中注射微量液体时，使微管道的出口在连续相的气液界面或液面下的左右对称往复振动，利用不互溶连续相施加于微管道出口处液体的表面张力的切割作用生成微液滴(基于微管道的液滴的生成方法，杜文斌等。中国专利，授权号：ZL 201410655191.5；基于微液滴的数字核酸扩增定量分析方法及系统，杜文斌等。中国专利，授权号：ZL 201410655309.4)。利用这种方法能够生成纳升大小的微液滴。不足的是：1)采用相界面上下振动依赖于精准的相界面位置实现切割，而振动对界面的扰动会影响液滴生成的体积的精确性；2)液面下左右对称往复振动，振动组件在两个半周期均有可能生成液滴，即可能半周期生成一个小液滴或全周期生成一个两倍体积的大液滴，因而液滴的大小存在较大的不确定性；3)通过注塑等加工的微管道的开口无法做到完全对称，且因为注塑需要的模芯透气间隙的存在，必然存在注塑加样针在吐液开口处存在一定的飞边毛刺，对振动生成液滴的过程造成干扰，导致两个半周期生成液滴大小存在差异；4) 由于振动的两个半周期均有可能生成液滴，即使在达到稳态时为其中的一个半周期生成液滴，也有可能在振动过程中因为流速误差或振动精度误差，生成液滴从一个半周期切换到另外一个半周期，在切换的不稳定过程中也会产生不均一大液滴。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的问题，本实用新型提供一种微液滴生成机构，具体的，本实用新型采用如下技术方案：

一种不对称振动微液滴生成机构，包括振动组件、连接导向结构件、振动安装座、加样针、以及驱动控制器，其特征在于：

所述振动组件包括壳体、振子和振动输出杆；

所述振动组件的振动输出杆通过连接导向结构件与所述振动安装座连接，为所述振动安装座提供动力；

所述振动安装座上具有连接接口、管接头和加样针适配器；

所述连接接口的一端通过管接头与供液导管连接，另一端通过加样针适配器与所述加样针适配部连接；

所述加样针的中心轴线与所述振动输出杆的轴线垂直；

所述驱动控制器电性连接所述振动组件，并驱动所述振动安装座按照不对称运动控制程序进行不对称往复运动。

可选地，所述不对称往复运动为振动安装座在沿所述振动输出杆的中心轴线方向上进行的不对称往复振动。

可选地，所述连接导向结构件为包括花键轴和花键套筒的滚珠花键，所述花键轴的两端分别与所述振动输出杆和所述振动安装座固定连接。

可选地，所述振动组件的振动频率为10-1000Hz，优选为50-200Hz。

可选地，所述振动组件的振动幅度为0.1～5mm，优选为0.5～2mm。

可选地，所述不对称往复运动为振动安装座以所述振动输出杆的中心轴线为轴心的不对称摆动。

可选地，所述连接导向结构件包括第一轴承和第二轴承，所述振动安装座的一端穿过所述第一轴承与所述振动输出杆连接，所述振动安装座的另一端与所述第二轴承连接，其中所述第一轴承是带轴向止定边的轴承。

可选地，所述振动安装座的摆动频率为10-1000Hz，优选为50-200Hz。

可选地，所述加样针的吐液开口与振动输出杆轴线的距离为10～100mm，优选为30～80mm；所述振动安装座的摆动角度幅度为0.05～10°，优选为 0.2～2°。

可选地，所述振动安装座与所述振动输出杆通过联轴器连接。

可选地，所述振动组件还包括位置传感器，所述驱动控制器通过采集所述位置传感器的实时位置反馈信号实现运动的闭环控制。

可选地，所述振动组件的位置传感器为光栅尺传感器、电容式位置传感器、电阻式传感器、电流式传感器或差动变压器式传感器中的一种。

可选地，所述微液滴生成机构还包括支撑固定座，用于固定所述振动组件。

可选地，所述微液滴生成机构还包括泵管夹座，用于夹持所述供液导管。

可选地，所述连接接口为多个，多个所述连接接口等间距间隔设置于所述振动安装座内部。

可选地，所述连接接口为1-96个，优选为2个，4个，8个或12个。

可选地，所述加样针为两端开口的锥管状结构，一端开口为供液开口，用于与所述加样针适配器紧密插接；另一端开口为吐液开口，用于微液滴生成，所述吐液开口的内径为20-150μm，外径为150-600μm。

可选地，所述加样针的储液体积范围为5-500μL，优选为20-60μL。

可选地，在所述振动安装座进行所述不对称往复运动时，加样针的吐液部的运动具有一个平衡点和平衡点两端的两个反射点，运动位置对时间的曲线在任一反射点的两侧不对称。

可选地，所述振动安装座的不对称往复运动，加样针的吐液部周期性运动的不对称波形为正弦波、锯齿波、梯形波、三角波、方波中的一种或两种以上组合。

可选地，所述振动组件为能够产生连续或间歇性运动的机构，选自电磁铁式振动设备、压电陶瓷式振动设备、偏心轮式振动设备、伺服电机、音圈电机、振镜电机中的一种。

由上述技术方案可知，本实用新型提供的微液滴生成机构的优点和积极效果在于：

1)利用本实用新型提供的微液滴生成机构，振动组件带动振动安装座上的加样针的吐液开口在油相液面下两点之间或跨油相液面两点之间进行加速度变化的周期性往复运动，仅通过调节加样针内水相液体的流速和加样针的振动频率，实现大小均一、体积可控的微液滴的制备；

2)本实用新型提供的微液滴生成机构设置有抵抗扭矩作用力和径向作用力的连接导向结构件，避免了阵列化生成微液滴以及自动装载加样针过程中多个加样针以及振动安装座的惯性力和重力对振动输出杆施加的扭矩作用力和径向作用力，保证了不对称往复运动的精密性以及微液滴生成的稳定性和均一性；

3)本实用新型提供的微液滴生成机构采用不对称振动方式，保证了在一个周期内有唯一的最大速度位置或最大切割力位置，加样针的不对称加工缺陷不会影响到液滴的生成，因而具有很强的耗材加工缺陷兼容性，保证了液滴制备的可靠性和均一性；

4)本实用新型提供的驱动控制器通过预先设定的不对称振动控制程序，借助位置传感器的实时位置反馈信号实现闭环反馈控制，实现振动安装座精密的不对称往复运动，实现了高精密度均一纳升液滴生成。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本实用新型的优选实施方式的详细说明，本实用新型的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本实用新型的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1为本实用新型提供的做沿所述振动输出杆的中心轴线方向的不对称往复振动的微液滴生成机构的立体结构示意图。

图2为本实用新型提供的做沿所述振动输出杆的中心轴线方向的不对称往复振动的微液滴生成机构的剖面结构示意图。

图3为本实用新型提供的做不对称摆动的微液滴生成机构的立体结构示意图。

图4为本实用新型提供的做不对称摆动的微液滴生成机构的正视图。

图5为本实用新型提供的做不对称摆动的微液滴生成机构的剖面示意图。

图6为本实用新型提供的做不对称摆动的微液滴生成机构的结构及控制逻辑图。

图7为本实用新型提供的微液滴生成机构适配的加样针的吐液部构型， (a)加样针的3D立体视图；(b)加样针的剖面视图；(c)加样针吐液部平整、壁厚均一的理想结构；(d)加样针吐液部平整，壁厚不均一，导致加样针呈现左右不对称的结构；(e)加样针吐液部吐液开口外侧处存在飞边加工缺陷；(f)加样针吐液部吐液开口内侧处存在飞边加工缺陷。

图8为本实用新型提供的一个具体实施例的微液滴生成机构采用的正弦波和锯齿波组合不对称振动的曲线。(a)振动位置-时间曲线；(b)振动速度-时间曲线。

图9为本实用新型提供的一个具体实施例的微液滴生成机构采用的不对称锯齿波组合不对称振动的曲线。(a)振动位置-时间曲线；(b)振动速度 -时间曲线。

图10为本实用新型提供的一个具体实施例的微液滴生成机构采用的锯齿波和方波组合不对称振动的曲线。(a)振动位置-时间曲线；(b)振动速度-时间曲线。

图11为本实用新型对比实施例采用的对称振动位置-时间曲线。(a)正弦波；(b)方波。

图12为本实用新型一个实施例1中，微液滴生成机构生成微液滴的结果图。

图13为本实用新型一个实施例2中，微液滴生成机构生成微液滴的结果图。

图14为本实用新型一个对比例1中，微液滴生成机构采用对称振动波形生成微液滴的结果图。

图15为本实用新型一个对比例2中，微液滴生成机构采用对称振动波形生成微液滴的结果图。

图16为本实用新型提供的做不对称往复振动的微液滴生成机构振动位置示意图。

图17为本实用新型提供的做不对称摆动的微液滴生成机构摆动位置示意图。

图18为本实用新型提供的做不对称往复振动的微液滴生成机构振动位置示意图。

图19为本实用新型提供的做不对称摆动的微液滴生成机构振动位置示意图。

附图标记列表

100-振动组件；101-壳体；102-振子；103-位置传感器；104-振动输出杆； 105-连接导向结构件；1051-花键套筒；1052-花键轴；1053-第一轴承；1054- 第二轴承；106-连接件；120-支撑固定座；300-振动安装座；301-加样针适配器；302-管接头；303-泵管夹座；304-连接接口；400-加样针；401-加样针供液开口；402-加样针吐液部；403-加样针吐液开口；404-加样针储液部； 501-供液导管；600-驱动控制器；601-振动驱动电路；602-不对称振动控制程序；603-位置校正模块；604-位置信号采集模块；605-供电控制连接线缆； 700-油相；800-样品液体；EP-振动的平衡位置；RP1与RP2-位于平衡位置两侧的反射位置。

具体实施方式

体现本实用新型特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本实用新型。

在对本实用新型的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本实用新型的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本实用新型的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本实用新型范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“上端部”、“下端部”、“之间”、“侧”等来描述本实用新型的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本实用新型的范围内。

如图1-图6所示，本实用新型提供的微液滴生成机构包括振动组件100、连接导向结构件105、振动安装座300，加样针400以及驱动控制器600；

所述振动组件100包括壳体101、振子102和振动输出杆104；

所述振动输出杆104通过连接导向结构件105与所述振动安装座300连接，为所述振动安装座300提供动力；

所述振动安装座300上具有连接接口304，所述连接接口304的一端通过管接头302与供液导管501连接，另一端通过加样针适配器301与所述加样针400连接；

所述加样针400的中心轴线与所述振动输出杆104的轴线垂直。

所述驱动控制器600包括振动驱动电路601，不对称往复运动控制程序 602，位置校正模块603，位置信号采集模块604和供电控制连接线缆605。驱动控制器600电性连接所述振动组件100，并驱动振动安装座300按照不对称往复运动控制程序602进行不对称往复运动。

在一个优选的实施方式中，所述所述振动组件100还包括位置传感器 103，所述驱动控制器600通过位置信号采集模块604，采集振动组件100 的位置传感器103的实时位置反馈信号，通过与不对称往复运动控制程序实时比较反馈到位置校正模块603，调节振动驱动电路601的控制参数，实现不对称往复运动的闭环控制。

本实用新型的振动组件100做周期性不对称往复运动，具有一个平衡点 EP(equilibrium point)及在平衡点两端的两个反射点(reflecting-point)：RP1和 RP2。所谓的不对称往复运动，定义一个振动周期为从反射点RP1经过平衡点EP到达反射点RP2，然后由反射点RP2返回经过平衡点EP到达反射点 RP1。图16为本实用新型提供的做不对称往复振动的微液滴生成机构振动位置示意图，其中EP位于RP1和RP2的中心位置，即EP与RP1和RP2的距离相等。图17为本实用新型提供的做不对称摆动的微液滴生成机构振动位置示意图，其中EP位于RP1和RP2的中心位置，即EP与RP1和RP2的距离相等。图18为本实用新型提供的做不对称往复振动的微液滴生成机构振动位置示意图，其中EP与RP1和RP2的距离不相等。图19为本实用新型提供的做不对称摆动的微液滴生成机构振动位置示意图，其中EP与RP1和 RP2的距离不相等。

在本实用新型的一种具体实施方式中，本实用新型所述的不对称往复运动振动组件，其特征在于，EP位于RP1和RP2的中心位置，以平衡点EP 处的位置为0做时间横轴、以振动的位置为纵轴做曲线，振动位置对时间的波形曲线在任意反射点(RP1或RP2)的两侧不对称(图8，图9和图10)。这种周期性不对称往复运动使加样针的吐液开口在运动的两个半周期内，仅有一个时间点或一个时间段达到最大运动速度，吐液开口处受到的油相作用的剪切力不相同，也即吐液开口在周期性运动过程中，吐液开口在一个周期内仅有一个最大剪切力受力点。在本实用新型的另一种具体实施方式中，本实用新型所述的不对称往复运动振动组件，其特征在于，EP与RP1和RP2 的距离不相等，周期性不对称往复运动使加样针的吐液开口在运动的两个半周期内，仅有一个时间点或一个时间段达到最大运动速度(图18，图19) 也即吐液开口在周期性运动过程中，吐液开口在一个周期内仅有一个最大剪切力受力区间。与本实用新型的不对称往复运动相比，液面下左右对称往复振动也可生成液滴，但是振动组件在一个全周期有两个最大受力点，也即振动组件在两个半周期内均有可能生成液滴，即可能半周期生成一个小液滴或全周期生成一个两倍体积的大液滴，因而液滴的大小存在较大的不确定性，且通过注塑等加工的微管道的开口实际上无法做到完全对称(如图7d,图7e, 图7f所示)，导致两个半周期生成液滴大小也存在差异。因此，本实用新型通过不对称往复振动解决了前述对称往复振动生成液滴不均一的问题，以及对吐液开口加工对称性、精度、及瑕疵的过高的要求，可以实现高度可控的均一液滴生成。

不对称往复运动可以采取多种形式，在本实用新型的一个具体实施方式中，所述不对称往复运动为沿所述振动输出杆的中心轴线方向的不对称往复振动，即振动组件100只能在沿所述振动输出杆的中心轴线方向做往复振动。在本实用新型的另一个具体实施方式中，所述不对称往复运动为以所述振动输出杆104的中心轴线为轴心的不对称摆动。图1和图2示出了做沿所述振动输出杆的中心轴线方向方向的不对称往复振动的微液滴生成机构示意图。振动组件100包括壳体101、振子102、位置传感器103和振动输出杆104。所述振动组件100的振动输出杆104通过连接导向装置105与所述振动安装座300连接，为所述振动安装座300提供动力；所述加样针400的中心轴线与所述振动输出杆104的轴线垂直。

其中，连接导向结构件105为滚珠花键105(包括花键轴1051和花键套筒1052)，所述花键轴1051的两端分别与所述振动输出杆104和所述振动安装座300固定连接。花键轴1051与所述振动输出杆104的连接是通过连接件106完成的。在一个具体的实施方式中，连接件106为螺钉。

其中所述振动组件为所述振动安装座300提供不对称往复运动的动力，为能够产生连续或间歇性振动的振动组件，选自电磁铁式振动设备、压电陶瓷式振动设备、偏心轮式振动设备、伺服电机、音圈电机、振镜电机中的一种。在微液滴的制备中，具体使用的振动装置的振动频率和振动幅度可以根据实际需要选择。在一个具体的实施方式中，所述振动频率为10-1000Hz，优选为50-200Hz。在一个具体的实施方式中，所述振动装置的振动幅度为0.1-5mm，优选为0.5-2mm。

所述连接导向结构件105(滚珠花键)可以约束振动安装座300的运动，使得振动安装座300只能在花键轴1051的轴线方向做往复运动，具体到本实用新型的的微液滴生成机构在实际应用时，所述振动输出杆104在承受其负载的振动安装座300和加样针400的重量所产生的垂直于其轴向的径向作用力以及振动安装座300两端不平衡的重量所产生的扭矩作用力时，不会产生所述振动输出杆104或花键轴1051的轴线方向以外的振动，使得振动安装座300只能在花键轴1051的轴线方向做往复运动，从而保证了微液滴生成的稳定性和均一性。

所述连接导向结构件105的另一端与所述振动安装座300连接，具体的，为花键轴1051的一端与所述振动安装座300连接。

图3-6示出了以所述振动输出杆104的中心轴线为轴心的不对称摆动的微液滴生成机构示意图。振动组件100包括壳体101、振子102、位置传感器103和振动输出杆104。所述振动组件100的振动输出杆104通过，以及连接导向结构件105和连接件106与所述振动安装座300连接，为手术振动安装座300提供往复运动的动力。所述加样针400的中心轴线与所述振动输出杆104的轴线垂直。

连接导向结构件105可以约束振动安装座300的运动，使得固定在振动输出杆上的振动安装座300只能以所述振动输出杆104的中心轴线为轴心做不对称摆动。所述连接导向结构件105包括第一轴承1053和第二轴承1054，所述振动安装座300的一端穿过所述第一轴承1053与所述连接导向结构件 105连接，所述振动安装座300的另一端与所述第二轴承1054连接，其中所述第一轴承1053是带轴向止定边的轴承。在一个具体的实施方式中，所述连接件106为联轴器。带轴向止定边的第一轴承1053使得振动安装座300 不会在振动输出杆104的轴线方向上发生位移，而第一轴承1053与第二轴承1054的结合使用，保证了振动组件的结构稳定性和微液滴生成的稳定性和均一性。

其中所述振动组件100为所述振动安装座300提供不对称往复运动的动力，为能够产生连续或间歇性运动的机构，选自电磁铁式振动设备、压电陶瓷式振动设备、偏心轮式振动设备、伺服电机、音圈电机、振镜电机中的一种。在微液滴的制备中，具体使用的振动装置的振动频率和振动幅度，或摆动幅度和摆动可以根据实际需要选择。在一个具体的实施方式中，所述振动频率为10-1000Hz，优选为50-200Hz。在一个具体的实施方式中，所述振动装置的振动幅度为0.1-5mm，优选为0.5-2mm。在一个具体的实施方式中，所述摆动频率为10-1000Hz，优选为50-200Hz。在一个具体的实施方式中，所述加样针的吐液开口与振动输出杆轴线的距离为10～100mm，优选为 30～80mm；所述振动安装座的摆动角度幅度为0.05～10°，优选为0.2～2°。

本实用新型的振动安装座300为加样针400的固定装置，并将振动组件 100的驱动力传递到加样针300中加载的液体，从而实现微液滴的生成。其中，所述加样针400的中心轴线与所述振动输出杆104的轴线垂直。

具体的，所述振动安装座300上具有连接接口304，所述连接接口304 的一端通过管接头302与供液导管501连接，另一端通过加样针适配器301 与所述加样针400连接。

连接接口304为贯穿的槽，起到连接供液导管501和加样针400的作用。根据实际应用需要，所述连接接口304为为1个或多个，例如1-96个。多个所述连接接口304等间距间隔设置于所述振动安装座300的内部。优选的，所述连接接口304优选为2个，4个，8个或12个。

如图7a和图7b所示，所述加样针400为两端开口的锥管状结构，一端开口为供液开口401，用于与所述加样针适配器301紧密插接，使得加样针400与所述加样针适配器301保持气密连接。另一端开口为加样针吐液部402，包括一个加样针吐液开口403，用于微液滴生成，所述加样针吐液开口403 的内径为50-150μm，外径为200-600μm。加样针中间为储液腔体404，用于储存样品液体800，所述加样针400的储液腔体403体积范围为5-500μL，优选为20-60μL。图7c-f为本实用新型提供的用于微液滴生成的不对称往复运动机构适配的加样针的吐液部402构型。其中，图7c为理想情况下，加工得到的没有飞边毛刺，左右对称的吐液部构型。利用本实用新型的微液滴生成机构的不对称往复振动，可以兼容加样针吐液部402构型的缺陷，包括左右不对称(图7d)，存在吐液开口外侧飞边(图7e)，存在吐液开口内侧飞边(图7f)。加工缺陷的尺寸在十微米至百微米量级，在现有的加工工艺条件下，无法完全避免，对液滴制备的均一性存在不利影响。

如图8-10所示，所述加样针400的吐液开口的位置在振动中心位置左右摆动，吐液开口403位置随时间变化曲线可以呈现多种形式，如呈正弦波、锯齿波、梯形波、三角波、方波中的一种或上述多种波形的叠加组合。在一具体实施方式中，所述加样针400的吐液开口的位置随时间变化曲线为正弦波和锯齿波的组合(如图8a所示)，其周期性速度-时间曲线如图8b所示；在在一具体实施方式中，所述加样针400的吐液开口的位置随时间变化曲线为短周期锯齿波和长周期锯齿波的组合，如图9a所示，其周期性速度-时间曲线如图9b所示；在在一具体实施方式中，所述加样针400的吐液开口的位置随时间变化曲线为方波和锯齿波的组合(如图10a所示)，其周期性速度-时间曲线如图10b所示。

上述波形的特点在于，所述加样针400的吐液开口在从左到右的半行程和从右到左的半行程的速度变化曲线不对称，且在一个振动循环中，存在一个大于平均速度的最大瞬时速度或最大速度区间。加样针的吐液部在所述不对称往复运动作用下，在一个往复振动周期内生成一个液滴，该液滴的生成受往复振动循环周期内最大瞬时速度或最大速度区间的控制，因而具有极高的稳定性和可靠性。

在一具体实施方式中，本实用新型的微液滴生成机构还包括支撑固定座 120，用于固定所述振动组件100，实现自动化的加样针加载，移动，液滴制备等操作。

在一具体的实施方式中，本实用新型的所述微液滴生成机构还包括泵管夹座303(参见图2，图3，图4，图5)，用于夹持所述供液导管501。具体的，在使用时泵管夹座303可以使得供液导管501保持竖直，从而保证供液稳定，使得生成的微液滴稳定均一。

为了进一步说明本实用新型，下面结合实施例对本实用新型提供的微液滴生成机构及微液滴生成方法进行具体地描述(相关振动组件结构及振动液滴生成参数详见表1)，但不能将它们理解为对本申请保护范围的限定。

实施例1

如图6所示，微液滴生成机构包括振动组件100、连接导向结构件105、振动安装座300，加样针400以及驱动控制器600。

如图1和图2所示，本实施例中的微液滴生成机构做沿所述振动输出杆的中心轴线方向的不对称往复振动。微液滴生成机构包括振动组件、连接导向结构件105、支撑固定座120、振动安装座300、加样针400、以及泵管夹座303。振动组件100包括壳体101、振子102、位置传感器103、振动输出杆104。所述振动输出杆104的一端与所述壳体101连接，另一端通过连接件106与所述连接导向结构件105的一端连接，所述连接导向结构件105的另一端与所述振动安装座300连接。所述加样针400的中心轴线与所述振动输出杆104的轴线垂直。支撑固定座120，用于固定所述振动组件100。

其中，连接导向结构件105为包括花键轴1051和花键套筒1052的滚珠花键，所述花键轴1051的两端分别与所述振动输出杆104和所述振动安装座300固定连接。花键轴1051与所述振动输出杆104的连接是通过连接件 106完成的。连接件106为螺钉。位置传感器103一部分与振子连接，随振子或振动输出杆运动，另外一部分固定在花键套筒1051上，可精密检测振动过程中的位移。

所述振动组件100为振动电机，所述振子102的振动频率为100～200Hz 振动幅度范围为0.1-5mm，实际应用时，幅度范围在0.5～1.5mm。

所述振动安装座300上具有连接接口304，所述连接接口304的一端通过管接头302与供液导管501连接，另一端通过加样针适配器301与所述加样针400连接。所述连接接口304为8个，8个所述连接接口304等间距间隔设置于所述振动安装座300内部。泵管夹座303，用于夹持所述供液导管 501使得供液导管501保持竖直。

所述驱动控制器600包括振动驱动电路601，不对称往复运动控制程序 602，位置校正模块603，位置信号采集模块604和供电控制连接线缆605。驱动控制器600电性连接所述振动组件100，并驱动振动安装座300按照不对称往复运动控制程序602进行不对称往复运动；所述驱动控制器600通过位置信号采集模块604，采集振动组件100的位置传感器103的实时位置反馈信号，通过与不对称往复运动控制程序实时比较反馈到位置校正模块603，调节振动驱动电路601的控制参数，实现不对称往复运动的闭环控制。

使用上述本实施例中的微液滴生成机构制备微液滴，具体的操作步骤如下：

加样针的储液体积为60μL，制备加样针400的材料为聚丙烯(PP，纯水溶液接触角为88°)，加样针400的吐液开口内径为120μm，外径为400μm，加样针400的上端开口与加样针适配器301的一端紧密插接，加样针适配器 301的另一端通过管接头302、供液导管501和三通阀门与一支50μL的微量进样器连通，微量进样器设置于微量注射泵(HarvardApparatus,Pico Elite) 上。加样针适配器301与加样针400上端开口可以直接插接匹配，方便加样针的拆卸与更换。在微液滴制备前，吸液导管、供液导管501、三通阀、加样针适配器301和加样针内充满矿物油，并检查液路无泄漏，无气泡。利用微量进样器的抽吸，使加样针从盛有样品溶液的第一开口容器中吸取20μL 纯水溶液，并移动加样针至盛有含3％wtABIL EM90(德固赛高施密特)的矿物油的第二开口容器上方。利用波形发生器作为加样针在矿物油液面下或跨液面进行不对称周期性往复运动的驱动信号发生器，使排出吐液开口的样品溶液与油性液体进行相对运动。在一个具体实施例中，加样针吐液开口在振动电机的驱动下，做不对称往复运动，运动的位置-时间波形为正弦波和锯齿波的组合，如图8所示，振动幅度为1.2mm，振动频率为100Hz，微量进样器的流速100nL/s，注射体积20μL。采用上述参数条件，制备得到1nL 的微液滴，微液滴显微成像如图12所示，液滴体积大小的CV为1.8％。

实施例2

如图6所示，微液滴生成机构包括振动组件100、连接导向结构件105、振动安装座300，加样针400以及驱动控制器600。

如图3-6所示，本实施例中的微液滴生成机构驱动振动安装座300以所述振动输出杆104的中心轴线为轴心的不对称摆动。微液滴生成机构包括振动组件100、连接导向结构件105、支撑固定座120、振动安装座300、加样针400、支撑固定座120、以及泵管夹座303。振动组件100包括壳体101、振子102、位置传感器103和振动输出杆104。所述振动输出杆104的一端与所述壳体101连接，另一端通过连接导向结构件105和连接件106与振动安装座300连接。所述加样针400的中心轴线与所述振动输出杆104的轴线垂直。

所述连接导向结构件105包括第一轴承1053和第二轴承1054，所述振动安装座300的一端穿过所述第一轴承1053与所述安装件103连接，所述振动安装座300的另一端与所述第二轴承1054连接，其中所述第一轴承1053 是带轴向止定边的轴承。所述连接件106为联轴器。

所述振动组件101为振镜电机，所述振子102的振动频率为100-500Hz 振动幅度范围为0.1-5mm，实际应用时，振动频率为100-200Hz，幅度范围在0.5～1.5mm。

所述振动安装座300上具有连接接口304，所述连接接口304的一端通过管接头302与供液导管501连接，另一端通过加样针适配器301与所述加样针400连接。所述连接接口304为4个，4个所述连接接口304等间距间隔设置于所述振动安装座300内部。泵管夹座303，用于夹持所述供液导管 501使得供液导管501保持竖直。

所述驱动控制器600包含振动驱动电路601，不对称往复运动控制程序 602，位置校正模块603，位置信号采集模块604和供电控制连接线缆605。驱动控制器600电性连接所述振动组件100，并驱动振动安装座300按照不对称往复运动控制程序602进行不对称往复运动；所述驱动控制器600通过位置信号采集模块604，采集振动组件100的位置传感器103的实时位置反馈信号，通过与不对称往复运动控制程序实时比较反馈到位置校正模块603，调节振动驱动电路601的控制参数，实现不对称往复运动的闭环控制。

使用上述本实施例中的微液滴生成机构制备微液滴，具体的操作步骤如下：

加样针的储液体积为60μL，制备加样针400的材料为聚丙烯(PP，纯水溶液接触角为88°)，加样针400的吐液开口内径为120μm，外径为400μm，加样针400的上端开口与加样针适配器301的一端紧密插接，加样针适配器 301的另一端通过管接头302、供液导管501和三通阀门与一支50μL的微量进样器连通，微量进样器设置于微量注射泵(HarvardApparatus,Pico Elite) 上。加样针适配器301与加样针400上端开口可以直接插接匹配，方便加样针的拆卸与更换。在微液滴制备前，吸液导管、供液导管501、三通阀、加样针适配器301和加样针内充满矿物油，并检查液路无泄漏，无气泡。利用微量进样器的抽吸，使加样针从盛有样品溶液的第一开口容器中吸取20μL 纯水溶液，并移动加样针至盛有含3％wtABIL EM90(德固赛高施密特)的矿物油的第二开口容器上方。利用波形发生器作为加样针在矿物油液面下或跨液面进行不对称周期性往复运动的驱动信号发生器，使排出吐液开口的样品溶液与油性液体进行不对称往复运动。其中，加样针吐液开口的不对称往复运动采用如图10所示的位置-时间波形，振动的频率为100Hz，振幅为1.2 mm，微量进样器的流速100nL/s，注射体积20μL。制备得到1nL的微液滴，微液滴显微成像如图13所示，液滴体积为1nL，体积的CV值为2.1％。

对比例1

对比例1与实施例1的不同在于微液滴生成机构做沿所述振动输出杆的中心轴线方向的对称往复振动，振动波形为正弦波(如图11a所示)，振动的幅度为1.2mm，振动的频率为100Hz，微量进样器的流速为100nL/s，注射体积20μL。其他的包括微液滴生成机构的结构和微液滴制备方法的条件与实施例1均相同。制备得到的微液滴如图14所示，液滴体积大小不均一，体积的CV值为35％。进一步的显微高速成像观察发现，由于振动的两个半周期均有液滴切割，且由于加样针的加工的毛刺等缺陷，部分情况下，一个周期加样针吐液开口处的液滴无法被油相剪切力切断，导致易生成1nL，1.5nL或2nL液滴。

对比例2

对比例2与实施例1的不同在于微液滴生成机构做沿所述振动输出杆的中心轴线方向的对称往复振动，振动波形为方波(如图11b所示)，振幅为 1.2mm，振动的频率为200Hz，微量进样器的流速为200nL/s，注射体积20μL。其他的包括微液滴生成机构的结构和微液滴制备方法的条件与实施例1均相同。制备得到的微液滴如图15所示，液滴大大小的CV值为15％，通过进一步的显微高速成像观察发现，在一个振动周期内，加样针吐液开口在上半周期和下半周期均生成一个液滴，但是由于加样针加工的不同轴等缺陷，导致上半周期生成的液滴与下半周期生成的液滴的体积大小不一致，引入了较大的体积误差。

对比例3

对比例3与实施例1的不同在于微液滴生成机构不包括连接导向结构件 105。即针对输出杆102直接通过连接件106与振动安装座300连接。其他的结构与实施例1相同。采用与实施例1相同的微液滴制备方法制备微液滴。该振动机构振动噪音大，谐振明显；制备得到的微液滴体积的CV值为7.5％，微液滴的体积较实施例1相比，均一性较差，引入了较大的体积误差。安装加样针时，由于缺乏连接导向结构件，振动组件无法抵抗抵抗扭矩作用力和径向作用力，在使用34次以后，振镜振动输出杆与振动电机连接处发生弯曲，无法实现正常的加样针插装。

对比例4

对比例4与实施例2的不同在于微液滴生成机构以所述振动输出杆104 的中心轴线为轴心做对称摆动，其他的包括微液滴生成机构的结构和微液滴制备方法的条件与实施例2均相同。具体的对称往复运动的参数为振动波形为方波(图7b)，振动的幅度为1.2mm，振动的频率为100Hz，微量进样器的流速为100nL/s，注射体积20μL。制备得到的微液滴均一性较差，微液滴体积的CV值为8.5％，引入了较大的体积误差。

对比例5

对比例5与实施例2的不同在于微液滴生成机构不包括连接导向结构件 105。即针对输出杆102直接通过连接件106与振动安装座300连接。其他的结构与实施例2相同。采用与实施例2相同的微液滴制备方法制备微液滴。制备得到的微液滴如图所示。具体的对称往复运动的参数为振动波形为正弦波，振动的幅度为1.2mm，振动的频率为100Hz，微量进样器的流速为 100nL/s，注射体积20μL。制备得到的微液滴均一性较差，微液滴体积的CV 值为7.4％，引入了较大的体积误差。该振动机构振动噪音大，谐振明显；安装加样针时，由于缺乏连接导向结构件，振动组件无法抵抗扭矩作用力和径向作用力，在使用25次以后，振镜振动输出杆发生弯曲，无法实现正常的加样针插装。

对比例6

对比例3与实施例2的不同在于微液滴生成机构不包括加样针适配器 301。即供液导管501穿过振动安装座300与加样针401直接连接。其他的结构与实施例2相同。采用与实施例2相同的微液滴制备方法制备微液滴。制备得到的微液滴如图所示。具体的对称往复运动的参数为振动波形为正弦波，振动的幅度为1.2mm，振动的频率为100Hz，微量进样器的流速为 100nL/s，注射体积20μL。制备得到的微液滴均一性较差，微液滴体积的CV 值为30％，引入了较大的体积误差。安装加样针时，由于没有加样针适配器，密闭性不佳，容易因为泄漏导致液滴生成体积不精确。

其中，上述各实施例和对比例的振动组件参数与液滴生成结果如表1所示。

表1各实施例振动组件参数及液滴生成结果

上述实施例表明，采用本实用新型所提出的不对称往复运动，可有效避免因为加样针的加工缺陷及开口处注塑误差造成的不对称带来的液滴大小不均一。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的微液滴生成机构仅仅是能够采用本实用新型原理的许多种微液滴生成机构的一个示例。应当清楚地理解，本实用新型的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的微液滴生成机构的任何细节或微液滴生成机构的任何部件。

以上详细地描述和/或图示了本实用新型提出的微液滴生成机构的示例性实施方式。但本实用新型的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和 /或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/ 或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。

Claims (17)

1.一种不对称振动微液滴生成机构，包括振动组件、连接导向结构件、振动安装座、加样针、以及驱动控制器，其特征在于：

所述振动组件包括壳体、振子和振动输出杆；

所述振动组件的振动输出杆通过连接导向结构件与所述振动安装座连接，为所述振动安装座提供动力；

所述振动安装座上具有连接接口、管接头和加样针适配器；

所述连接接口的一端通过管接头与供液导管连接，另一端通过加样针适配器与所述加样针适配部连接；

所述加样针的中心轴线与所述振动输出杆的轴线垂直；

所述驱动控制器电性连接所述振动组件，所述振动组件在所述驱动控制器的控制下驱动所述振动安装座，按照所述驱动控制器内的不对称往复运动控制程序进行不对称往复运动。

2.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述连接导向结构件为包括花键轴和花键套筒的滚珠花键，所述花键轴的两端分别与所述振动输出杆和所述振动安装座固定连接。

3.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述连接导向结构件包括第一轴承和第二轴承，所述振动安装座的一端穿过所述第一轴承与所述振动输出杆连接，所述振动安装座的另一端与所述第二轴承连接，其中所述第一轴承是带轴向止定边的轴承。

4.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述加样针的吐液开口与振动输出杆轴线的距离为10～100mm。

5.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述振动安装座与所述振动输出杆通过联轴器连接。

6.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于所述振动组件还包括位置传感器，所述驱动控制器通过采集所述位置传感器的实时位置反馈信号实现运动的闭环控制。

7.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述振动组件的位置传感器为光栅尺传感器、电容式位置传感器、电阻式传感器、电流式传感器或差动变压器式传感器中的一种。

8.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述微液滴生成机构还包括支撑固定座，用于固定所述振动组件。

9.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述微液滴生成机构还包括泵管夹座，用于夹持所述供液导管。

10.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述连接接口为多个，多个所述连接接口等间距间隔设置于所述振动安装座内部。

11.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述连接接口为1-96个。

12.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述加样针为两端开口的锥管状结构，一端开口为供液开口，用于与所述加样针适配器紧密插接；另一端开口为吐液开口，用于微液滴生成，所述吐液开口的内径为20-150μm，外径为150-600μm。

13.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述加样针的储液体积范围为5-500μL。

14.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述振动组件为能够产生连续或间歇性运动的机构，选自电磁铁式振动设备、压电陶瓷式振动设备、偏心轮式振动设备、伺服电机、音圈电机、振镜电机中的一种。

15.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述加样针的吐液开口与振动输出杆轴线的距离为30～80mm。

16.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述连接接口为2个、4个、8个或12个。

17.根据权利要求1所述的微液滴生成机构，其特征在于，所述加样针的储液体积范围为20-60μL。

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