CN216458933U - 一种基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片 - Google Patents
一种基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片，属于微流控技术领域。本实用新型的微通道10采取矩形设计，矩形通道和收集池11交界处的矩形长宽比大于3.5才能形成稳定液滴。液滴在离心力下进入微通道10，狭窄的微通道10将两相的界面限制，直到液滴达到微通道和收集池的交界处的处口，水平方向上的强约束被释放，拉普拉斯压力的平衡状态被打破，导致界面螺纹颈缩，进而形成液滴。这种形成方式产生的液滴体积与流体性质和流速无关。仅由矩形通道的形状决定。本微流控微滴制备芯片除了离心力的多重作用，同时采用了特殊长宽比的微通道，使本实用新型的制备液滴不受流速影响，并可以高密度紧密排列以提高通量、均一性和稳定性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片，属于微流控技术领域。
背景技术
乳化剂是分散相液体以均匀体积液滴分散到另一连续相液体，形成不混溶的混合物，被广泛应用于化学、药学、食品等领域。现在，乳化技术正被扩展于生物技术、基础医学研究、诊断学等生物领域，利用精准尺寸控制的液滴，以提高生物检测的准确性和可预测性。传统的乳化技术包括机械混合、胶体混合、超声乳化器混合、均质器混合法，通过高剪切力，可以简单、快速的产生大量乳化液滴。但是，这些方法生产的液滴相对粗糙、变异系数大、分散性差、且能源利用率低。
液滴生成单元的结构是微流控技术的关键。以往离心微流控微流控设备制备液滴的圆形或方形微通道制备的乳化液滴难以大量制备稳定的液滴，除非对液滴形成单元管口的几何形状进行复杂的形状调整，但是复杂的管道设计给制造增加了难度。
目前的碟片式离心微流控微滴制备芯片通量低，密闭性差。
在乳化过程中，随着液滴的积累，管口处的液滴与新制备的液滴之间存在相互作用，液滴在此处聚积，导致液滴的尺寸分布变宽。
微流控法制备液滴的技术主要有十字交叉、T形交叉、流动聚焦、共轴流动。这些方法生产的液滴尺寸依赖于分散相和连续相液体的性质和流速的精确控制，且往往需要复杂交织的管路，大大限制了微流控技术制备乳化液滴的通量。
实用新型内容
本实用新型为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片。本微流控微滴制备芯片除了离心力的多重作用，同时采用了特殊长宽比的微通道，使本实用新型的制备液滴不受流速影响，并可以高密度紧密排列以提高通量、均一性和稳定性。
本实用新型可以在微米级上实现液体控制，通过储液池和微通道的相互连接网络，精密控制液体的流动，提高液体的利用效率，能制备尺寸均匀、高度分散的乳化微液滴。避免依靠外部驱动液流的繁杂设计，同时离心转台各向受力均匀，支持转盘上多个微流芯片的同时操作。通过一个外接电机提供离心,就可以稳定可控地做到阀门控制、移液、定量、混合、计量和分离。
为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：包括微滴制备芯片和液滴形成单元3；微滴制备芯片形状为碟片形，包括一个固定装置1和芯片本体2；固定装置1位于芯片本体2中心，用于将整个芯片本体2连接并固定于离心设备；芯片本体2在最外层，芯片本体2上均匀排列了数个液滴形成单元3；
液滴生成单元3包括加样孔4；排气孔5；加样池6；第一过滤装置71；流阻通道8；缓冲池9；微通道10；收集池11；第二过滤装置72；废液池12；废液通道13；
其中，加样孔4位于加样池6右上方，在加样池6左上方设置第一过滤装置71，并与阻流通道8相连，阻流通道8下游与缓冲池9相连，缓冲池9与收集池11中间设置紧密排列的多个微通道10，收集池11左下角设置有第二过滤装置72，收集池11的第二过滤装置72通过废池通道13与废液池12相连；
微通道10采取矩形设计，矩形通道和收集池11交界处的矩形长宽比大于3.5。
优选的，微滴制备芯片采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料加工。
优选的，所述的液滴形成单元2-12个。
优选的，所述的微通道几十个高密度排列。
油相为矿物油。
在油相中添加8％质量分数的表面活性剂以增加稳定微滴的稳定性。
表面活性剂为棕榈酸异丙酯，1H,1H,2H,2H-全氟辛醇，Pico-Surf1，Neat008-FluoroSurfactant，EAsurfactant，krytox-PEG二嵌段共聚体等中的一种。
水相的密度大于油相。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
传统的微流控微滴制备芯片，是采用t形交叉、十字交叉等方式，利用油相将水相挤断形成液滴，这样管路设计就相对复杂，占据空间大，通量低，且液滴生成的稳定性受多种条件限制，然而本方案是通过微通道10的设计可以实现多个排布，高通量的同时生成制备乳化液滴.
本实用新型的基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片仅借助离心力和阶梯乳化原理的微滴生成芯片，可以实现对液体流动、分离、收集的控制，克服了离散相流速和液滴聚积造成的通量限制，制备的乳化液滴通量高、稳定性好、尺寸分布均匀、加工成本低、简单易操作。
本实用新型的微流控微滴制备芯片借助离心力，一是与流阻通道结合使液滴形成时间可控，二是可以驱动液体在通道快速流动，三是可以利用密度差实现液滴的快速分离，避免阻塞。国内已存在离心驱动的微流控芯片。但是本实用新型的创新除了上述离心力的多重作用，同时采用了特殊长宽比的微通道，使本实用新型的制备液滴不受流速影响，并可以高密度紧密排列以提高通量、均一性和稳定性。
本实用新型可以在微米级上实现液体控制，通过储液池和微通道的相互连接网络，精密控制液体的流动，提高液体的利用效率，能制备尺寸均匀、高度分散的乳化微液滴。避免依靠外部驱动液流的繁杂设计，同时离心转台各向受力均匀，支持转盘上多个微流芯片的同时操作。通过一个外接电机提供离心,就可以稳定可控地做到阀门控制、移液、定量、混合、计量和分离。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型的结构示意。
图2为本实用新型微滴形成单元结构示意图。
图3为本实用新型一个微通道与收集部连接示意图。
图4为本实用新型的液滴生成原理图(侧视图)。
图中：1-固定结构；2-芯片本体；3-液滴形成单元；4-加样孔；5-排气孔；6-加样池；71-第一过滤装置；8-流阻通道；9-缓冲池；10-微通道；11-收集池；72-第二过滤装置；12-废液池；13-废液通道。
具体实施方式：
实施例1
本实施例的基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片，包括微滴制备芯片和液滴形成单元3；微滴制备芯片形状为碟片形，包括一个固定装置1和芯片本体2。固定装置1位于芯片本体2中心，用于将整个芯片本体连接并固定于离心设备。芯片本体2上有数个液滴形成单元3,其中包括加样孔4；排气孔5；加样池6；第一过滤装置71；流阻通道8；缓冲池9；微通道10；收集池11；第二过滤装置72；废液池12；废液通道13。所述固定结构1在中心位置，将芯片本体2固定。芯片本体2在最外层，芯片本体2均匀排列了数个滴形成单元3。其中，加样孔4位于加样池6右上方，在加样池6左上方设置第一过滤装置71，并与阻流通道8相连，阻流通道8下游与缓冲池9相连，缓冲池9与收集池11中间设置紧密排列的微通道10，收集池11左下角设置有第二过滤装置72，收集池11的第二过滤装置72通过废池通道13与废液池12相连。
图3仅展示了一个微通道10示意图，本实施例的微通道10采取矩形设计，矩形通道和收集池11交界处的矩形长宽比大于3.5才能形成稳定液滴。
图4是水相通过微通道10进入收集池11形成单分散微滴的过程原理。
首先将油相由加样孔4加入到加样池6内，在离心力作用下，油相可以通过第一过滤装置71和流阻通道8进入缓冲池9，气体从排气孔5排出，最终通过微通道10进入收集池11内。油相浸润收集池11.
流阻通道8可以防止液体自发流动，仅在离心下才能通过。
第一过滤装置71可以滤过大体积杂质，以免影响后续过程。
随后将水相由加样孔4加入到加样池6内，在离心力作用下通过第一过滤装置71和流阻通道8流入缓冲池9，然后进入紧密排列的高密度微通道10，在微通道10和收集池11交界的台阶处形成大量液滴。
如图3所示，本实施例的微通道10采取矩形设计，矩形通道和收集池11交界处的矩形长宽比大于3.5才能形成稳定液滴。液滴在离心力下进入微通道10，狭窄的微通道10将两相的界面限制，直到液滴到达微通道和收集池的交界处的出口，水平方向上的强约束被释放，拉普拉斯压力的平衡状态被打破，导致界面螺纹颈缩，进而形成液滴。这种形成方式产生的液滴体积与流体性质和流速无关。仅由矩形通道的形状决定。
随后，在离心下，液滴由于密度差远离液滴生成处，在收集池11外侧被逐渐收集，防止液滴聚集后影响液滴生成。与此同时，溢出的油相通过第二过滤装置72在废液池12中被收集，第二过滤装置72允许油相通过，而限制液滴进入废液池12。
本实用新型的不局限于上述各实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片，其特征在于：包括微滴制备芯片和液滴形成单元（3）；微滴制备芯片形状为碟片形，包括一个固定装置（1）和芯片本体（2）；固定装置（1）位于芯片本体（2）中心，用于将整个芯片本体（2）连接并固定于离心设备；芯片本体（2）在最外层，芯片本体（2）上均匀排列了数个液滴形成单元（3）；
液滴形成单元（3）包括加样孔（4）；排气孔（5）；加样池（6）；第一过滤装置（71）；流阻通道（8）；缓冲池（9）；微通道（10）；收集池（11）；第二过滤装置（72）；废液池（12）；废液通道（13）； 其中，加样孔（4）位于加样池（6）右上方，在加样池（6）左上方设置第一过滤装置（71），并与阻流通道（8）相连，阻流通道（8）下游与缓冲池（9）相连，缓冲池（9）与收集池（11）中间设置紧密排列的多个微通道（10），收集池（11）左下角设置有第二过滤装置（72），收集池（11）的第二过滤装置（72）通过废池通道（13）与废液池（12）相连；微通道（10）采取矩形设计，矩形通道和收集池（11）交界处的矩形长宽比大于3.5。
2.根据权利要求1所述的基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片，其特征在于：微滴制备芯片采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料加工。
3.根据权利要求1所述的基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片，其特征在于：所述的液滴形成单元（3）2-12个。
4.根据权利要求1所述的基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片，其特征在于：所述的微通道（10）几十个高密度排列。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202123137541.3U CN216458933U (zh) | 2021-12-14 | 2021-12-14 | 一种基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片 |
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|---|---|---|---|
| CN202123137541.3U CN216458933U (zh) | 2021-12-14 | 2021-12-14 | 一种基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片 |
Publications (1)
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| CN216458933U true CN216458933U (zh) | 2022-05-10 |
Family
ID=81424386
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| CN202123137541.3U Active CN216458933U (zh) | 2021-12-14 | 2021-12-14 | 一种基于离心力的高通量阶梯乳化微流控微滴制备芯片 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN216458933U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113278494A (zh) * | 2021-05-07 | 2021-08-20 | 深圳市第二人民医院(深圳市转化医学研究院) | 数字pcr微滴生成芯片 |
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2021
- 2021-12-14 CN CN202123137541.3U patent/CN216458933U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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