DE112021006094B4 - Mikrofluidischer Chip mit koaxial angeordneten fein abstimmbaren Kapillaren - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des mikrofluidischen Chips und stellt einen mikrofluidischen Chip mit koaxial angeordneten fein abstimmbaren Kapillaren zur Verfügung. Der mikrofluidische Chip umfasst ein einteiliges Chipsubstrat aus Glas, eine Flüssigkeitseinlassöffnung für die kontinuierliche Phase, eine Flüssigkeitseinlassöffnung für die Zwischenphase, eine Flüssigkeitseinlassöffnung für die dispergierte Phase, eine Zuführungskapillare, eine Sammelkapillare, eine Sammelöffnung, eine Kapillarverschachtelungskomponente und eine koaxiale Feinabstimmungskomponente der Kapillaren. Das Chipsubstrat ist mit einem Gewindeloch, einem Dichtungsloch, einem koaxial angeordneten Kapillarloch, einem Regelloch und einem Positionierloch versehen. Dabei stellen die Zuführungskapillare und die Sammelkapillare unter kombinierter Abstimmung des Regellochs und der koaxialen Feinabstimmungskomponente der Kapillaren eine dreidimensionale koaxiale Positionsbeziehung dar, die Kapillarverschachtelungskomponente kann die Befestigung und die Abdichtung der Kapillare im Chipsubstrat realisieren. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine präzise dreidimensionale koaxiale Anordnung der Kapillaren und ein nicht klebendes Verfahren zur Versiegelung der Mikrokanäle, zur Fixierung der Kapillaren und zur Zuführung der Flüssigkeit ohne Verwendung von Klebstoff, so dass die Chips gegen verschiedene organische Lösungsmittel beständig, abnehmbar, waschbar und wiederverwendbar sind.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der mikrofluidischen Chips, insbesondere einen mikrofluidischen Chip mit koaxial angeordneten fein abstimmbaren Kapillaren.
  • STAND DER TECHNIK
  • Die Mikrofluidik ist eine Technik zur Manipulation winziger Flüssigkeitsvolumina in mikrometergroßen Chipkanälen, die die Herstellung von Mikrotröpfchen mit einem hohen Grad an Monodispersion und hochgradig kontrollierbarer Größe und Struktur ermöglicht. Diese Mikrotröpfchen sind eine hervorragende Vorlage für die Herstellung hochgradig monodisperser Mikropartikel mit unterschiedlichen Strukturen und finden breite Anwendung in den Bereich wie Arzneimitteltransport, biologischen Vorlagen, Zellkultur und Mikroreaktoren.
  • Bei der überwiegenden Mehrheit der Geräte zur Erzeugung von Mikrotröpfchen handelt es sich um planare (plattenförmige) mikrofluidische Chips, die meist aus Polymeren bestehen. Die Herstellungsmethoden für diese Chips umfassen in der Regel Photolithographie, Formeinspritzung, Thermokompressionspolymerguss, Lasergravur, Ätzen usw. Bei all diesen Techniken handelt es sich um flache Verarbeitungsmethoden, die hauptsächlich zu flachen T-förmigen Mikrokanälen und konfokalen Mikrokanalstrukturen führen, und es ist schwierig, dreidimensionale Mikrokanalstrukturen herzustellen. Der komplexe Herstellungsprozess, die hohen Verarbeitungskosten, die rauen Bedingungen für die Kopplung der Verpackung, die Unbeständigkeit gegen die hohe Temperatur und die Korrosion der organischen Lösung sowie die Unfähigkeit der Methode der Chipzuführung, die Dichtheit zu garantieren, schränken die Entwicklung der mikrofluidischen Mikrotröpfchentechnologie ein.
  • Die Glas-Kapillar-Mikrofluidik-Chips verwenden Kapillaren als funktionelle Einheit für die Tröpfchenerzeugung und -sammlung. Aufgrund der ausgezeichneten Lichtdurchlässigkeit des Glases, der hohen Druckbeständigkeit, der Biokompatibilität, der stabilen Oberflächeneigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln werden diese Chips zunehmend als Mikrotröpfchenherstellungsgeräte eingesetzt. Bei dem Glas-Kapillar-Mikrofluidik-Chipgerät werden in der Regel zwei kreisförmige Kapillaren mit kegelförmigen Anschlüssen in eine quadratische Kapillare eingesteckt, wobei die kegelförmigen Anschlüsse in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind, unter der Bedingung, dass der Außendurchmesser der kreisförmigen Kapillaren auf die Länge der Innenkante der quadratischen Kapillare abgestimmt ist, wird die koaxiale Befestigung der Glaskapillaren realisiert. Diese koaxialsymmetrische Fokussierung der Mikrokanalstruktur ermöglicht die Herstellung von Einfachemulsionsmikrotröpfchhen oder Doppelemulsionsmikrotröpfchen mit einer Kern-Schale-Struktur. Die Offenlegungsschrift CN1 06 622 407 A stellt einen mikrofluidischen Chip zur Verfügung, bei dem ein Glasträger mit einer Glaskapillare zusammengesetzt wird und ein Klebstoff verwendet wird, um die Glaskapillare mit Hilfe einer Dosiernadel zu verbinden und zu fixieren. Dieser zusammengesetzte mikrofluidische Chip kann von Hand gebaut werden. Eine weitere Offenlegungsschrift für den koaxialen Aufbau von Kapillaren ist CN 1 02 580 799 A , das eine Technik offenbart, bei der ein Mikrokanal aus dem Glasträger ausgeschnitten wird, die Glaskapillare in den Mikrokanal eingeführt wird und der Glasträger und die Schnittstelle mit einem Klebstoff verbunden und versiegelt werden. Die Offenlegungsschrift CN 1 12 517 096 A zeigt ein Verfahren zur Verwendung der 3D-Drucktechnologie, um ein Chipsubstrat aus Kunststoff, Metall, Polymer und anderen Materialien herzustellen und einen Kapillar-Mikrofluidik-Chip unter Verwendung einer Ausrichtungsplattform, einer Ausrichtungsvorrichtung und eines Fixierers zu konstruieren.
  • Die oben genannten technischen Lösungen bieten Methoden für die koaxiale Anordnung und Fixierung von Kapillaren, deren Gemeinsamkeit in dem modularen Aufbau von Chips besteht. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die Montage der Chips manuell erfolgt und das Problem besteht, dass die Kapillare nicht präzise in drei Dimensionen ausgerichtet werden können. Zweitens werden für die Befestigung der Kapillare und/oder die Versiegelung der Mikrokanäle im Chip Klebstoffe verwendet, die nicht gegen organische Lösungsmittel beständig sind und leicht auslaufen. Wenn der Chip teilweise verstopft oder anderweitig beschädigt ist, kann die Flüssigkeit nicht mehr richtig fließen und der Chip wird verschrottet, was die Effizienz und Qualität der Chip-Produktion erheblich beeinträchtigt.
  • In dem technischen Inhalt der derzeit offengelegten Kapillar-Mikrofluidik-Chip-Technologie wird der Chip meistens durch die Glaskapillare, die Mikrokanalstruktur, die Zuführungsstruktur, die Befestigungsstruktur, die Dichtungsstruktur auf eine Modulare Verbindungsweise aufgebaut. Diese Bauweise erfordert mehrere Dichtungsverbindungen, stellt hohe Anforderungen an die Verbindungen und kann die Verwendung der Klebstoffe vermeiden, während die Dichtigkeit des Chips nur schwer zu gewährleisten ist. Neben der koaxialen Positionsbeziehung der Kapillaren stellen auch die Fixierung der Kapillaren und die Abdichtung der Mikrokanäle technische Schwierigkeiten für Kapillar-Mikrofluidik-Chips dar.
  • Auf der Grundlage des oben genannten technischen Hintergrunds möchten die Forscher das Design und den Herstellungsprozess des bestehenden Glas-Kapillar-Mikrofluidik-Chips verbessern, um einen nicht-haftenden Prozess der Versiegelung, Fixierung und Flüssigkeitszufuhrmethode zu erreichen, während die koaxiale und präzise Anordnung der Kapillare sichergestellt wird, und gleichzeitig kann der Chip zerlegt, gereinigt und wiederverwendet werden, was einen wichtigen Anwendungswert für die Förderung von Mikrofluidik-Chips und die Herstellung von Mikrotröpfchen hat.
  • Im Inhalt der vorliegenden Erfindung erreicht das einteilige Chipsubstrat ein integriertes Design der Mikrokanalstruktur, der Zuführungsstruktur, der Befestigungsstruktur und der Abdichtungsstruktur, was die Komplexität der gesamten Chipstruktur verringert, und gleichzeitig kann es mit Standardverbindungsstücken für eine einfache Bedienung verwendet werden, und eine gute Befestigungs- und Abdichtungswirkung kann ohne Verwendung eines Klebeverfahrens erzielt werden.
  • INHALT DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • Um den obigen Zweck zu erreichen, verwendet die vorliegende Erfindung die folgende technische Lösung:
    • einen mikrofluidischen Chip mit koaxial angeordneten fein abstimmbaren Kapillaren, umfassend eine Flüssigkeitseinlassöffnung (2) für die dispergierte Phase, eine Zuführungskapillare (3), eine Sammelkapillare (4) und eine Sammelöffnung (5), dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin ein einteiliges Chipsubstrat (1), eine Kapillarverschachtelungskomponente (6) und eine koaxiale Feinabstimmungskomponente (7) der Kapillaren umfasst;
    • wobei auf beiden Seiten des einteiligen Chipsubstrats (1) ein Gewindeloch (1-1), ein Dichtungsloch (1-2), ein koaxial angeordnetes Kapillarloch (1-3), ein Regelloch (1-4) und ein Positionierungsloch (1-5) vorgesehen sind, und wobei das Gewindeloch (1-1), das Dichtungsloch (1-2) und das koaxial angeordnete Kapillarloch (1-3) sequentiell verbunden sind, und wobei auf dem einteiligen Chipsubstrat (1) weiterhin eine Flüssigkeitseinlassöffnung (1-6) für die kontinuierliche Phase und eine Flüssigkeitseinlassöffnung (1-7) für die Zwischenphase vorgesehen sind;
    • und wobei die Kapillarverschachtelungskomponenten (6) insgesamt in zwei Sätzen bereitgestellt und symmetrisch auf beiden Seiten des mikrofluidischen Chips platziert sind und dazu verwendet werden, die Zuführungskapillare (3) und die Sammelkapillare (4) zu befestigen, und wobei die Kapillarverschachtelungskomponente ein Befestigungselement (6-1), eine erste Trennhülse (6-2), einen O-Dichtring (6-3), eine zweite Trennhülse (6-4) und einen O-Einstellring (6-5) umfasst;
    • und wobei die koaxialen Feinabstimmungskomponenten (7) der Kapillaren insgesamt in 6 Sätzen bereitgestellt sind und einen oberen Draht (7-1) und eine Dichtungsunterlegscheibe (7-2) umfassen, und wobei der obere Draht (7-1), nachdem an dem die Dichtungsunterlegscheibe (7-2) aufgesetzt war, ins Regelloch (1-4) eingesteckt wird;
    • und wobei die Regellöcher (1-4) insgesamt in einer Anzahl von 6 bereitgestellt sind, und wobei sich insgesamt 3 Regellöcher auf beiden Seiten des einteiligen Chipsubstrats (1) befinden und in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind, und wobei die Regellöcher mit dem Dichtungsloch (1-2) verbunden sind und direkt gegenüber dem O-Einstellring (6-5) liegen;
    • und wobei die Zuführungskapillare (3) und die Sammelkapillare (4) unter kombinierter Abstimmung des Regellochs (1-4) und der koaxialen Feinabstimmungskomponente (7) der Kapillaren eine dreidimensionale koaxiale Positionsbeziehung darstellen.
  • Bei der Konstruktion des einteiligen Chipsubstrats (1) der vorliegenden Erfindung sind das Gewindeloch (1-1), das Dichtungsloch (1-2) und das koaxial angeordnete Kapillarloch (1-3) sequenziell verbunden und nach links und rechts symmetrisch, um die Mikrokanalstruktur des Chips zu bilden. Beim Zusammenbau des Chips wird an der Zuführungskapillare (3) nacheinander das Befestigungselement (6-1), die erste Trennhülse (6-2), der O-Dichtring (6-3), die zweite Trennhülse (6-4) und der O-Einstellring (6-5) von der Seite des kegelförmigen Anschlusses aufgesetzt, dann geht die Zuführungskapillare von einer Seite der Mikrokanalstruktur durch das Gewindeloch (1-1) und das Dichtungsloch (1-2) hindurch und erreicht das Mittelteil des koaxial angeordneten Kapillarlochs (1-3), und durch Festdrehen des Befestigungselements (6-1) wird der O-Dichtring (6-3) eng gepresst, um die Befestigung der Zuführungskapillare (3) und die Abdichtung der Mikrokanalstruktur auf einer Seite zu realisieren; ebenfalls wird an der Sammelkapillare (4) nacheinander ein anderer Satz von dem Befestigungselement (6-1), der ersten Trennhülse (6-2), dem O-Dichtring (6-3), der zweiten Trennhülse (6-4) und dem O-Einstellring (6-5) von der Seite des kegelförmigen Anschlusses aufgesetzt, und die Sammelkapillare geht von der anderen Seite der Mikrokanalstruktur durch das auf dieser Seite befindliche Gewindeloch (1-1) und Dichtungsloch (1-2) hindurch und erreicht das Mittelteil des koaxial angeordneten Kapillarlochs (1-3), und durch Festdrehen des Befestigungselements (6-1) wird die relative Entfernung der kegelförmigen Anschlüsse der Sammelkapillare (4) und der Zuführungskapillare (3) eingestellt, und der O-Dichtring (6-3) wird eng gepresst, um die Befestigung der Sammelkapillare (4) und die Abdichtung der Mikrokanalstruktur auf dieser Seite zu realisieren.
  • Es sollte darauf hingewiesen werden, dass, da das Regelloch (1-4) mit dem Dichtungsloch (1-2) verbunden ist, wenn der obere Draht (7-1) in der koaxialen Feinabstimmungskomponente (7) der Kapillaren an der Dichtungsunterlegscheibe (7-2) aufgesetzt ist und ins Regelloch (1-4) eingesteckt wird, der obere Draht (7-1) direkt gegenüber dem an der Kapillare aufgesetzten O-Einstellring (6-5) in dem Dichtungsloch (1-2) liegt und in engem Kontakt mit diesem steht, indem der obere Draht (7-1) angeschraubt wird. Die Anordnung der drei Regellöcher (1-4) in einem Winkel von 120° ermöglicht es, dass die von dem oberen Draht (7-1) auf die Peripherie des O-Einstellrings (6-5) ausgeübte Quetschkraft gleichmäßig verteilt ist, so dass die Kontaktkraft des O-Einstellrings (6-5) auf die Kapillare gleichmäßig verteilt ist, um eine Feinabstimmung der koaxialen Position der Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) durchzuführen, schließlich wird eine genaue dreidimensionale koaxiale Anordnung der Kapillaren realisiert, gleichzeitig wird die Dichtungsunterlegscheibe (7-2) zum Abdichten der Regellöcher (1-4) verwendet, um Leckagen zu verhindern. Als Ganzes kann die koaxiale Feinabstimmungskomponente (7) der Kapillaren irgendeine Position annehmen, an der die Kapillare festgeklemmt werden kann; in der vorliegenden Erfindung befindet sie sich in einem Bereich mit einem kleineren Abstand zu der kegelförmigen Öffnung der Kapillare, um eine Abstimmung der koaxialen Position der Spitze der Kapillare besser zu realisieren.
  • Der mikrofluidische Chip der vorliegenden Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungskapillare (3) und die Sammelkapillare (4) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die zueinander gegenüberliegende Enden von den beiden jeweils ein Ende der kegelförmigen Öffnung sind und das andere Ende ein Ende der flachen Öffnung ist.
  • Sowohl die Zuführungskapillare (3) als auch die Sammelkapillare (4) haben einen Ausgangsrohstoff mit flachen Öffnungen an beiden Enden. Einer der Querschnitte wird durch die übliche Kapillarverstreckung zu einer kegelförmigen Öffnung geformt. Die Kegeligkeit der kegelförmigen Öffnung beträgt im Allgemeinen weniger als 90°, kann aber auch größer als 90° sein. Es ist sichergestellt, dass sich zwischen der Kegeligkeit und der verschachtelten Struktur auf natürliche Weise ein Spalt bilden kann, um einen reibungslosen Zufluss von kontinuierlichen Phasen oder Zwischenphasen zu ermöglichen. Aus Gründen des Preises und der leichten Verfügbarkeit beträgt die Größe der Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) in der vorliegenden Erfindung bevorzugt 1,0*0,58 mm (Außendurchmesser * Innendurchmesser). Bei speziellen Lösungssystemen oder inhomogenen Flüssigkeiten kann der Techniker die Größe der Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) entsprechend ihrer speziellen Eigenschaften vergrößern oder verkleinern.
  • Der mikrofluidische Chip der vorliegenden Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitseinlassöffnung (1-6) für die kontinuierliche Phase und die Flüssigkeitseinlassöffnung (1-7) für die Zwischenphase in direkter Verbindung mit dem koaxial angeordneten Kapillarloch (1-3) auf der Seite der Zuführungskapillare und der Seite der Sammelkapillare stehen; wobei sich die Flüssigkeitseinlassöffnung (2) für die dispergierte Phase an einem Ende der flachen Öffnung der Zuführungskapillare (3) befindet; und wobei sich die Sammelöffnung (5) an einem Ende der flachen Öffnung der Sammelkapillare (4) befindet.
  • Der mikrofluidische Chip der vorliegenden Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der kegelförmig strukturierte Anschluss der Zuführungskapillare (3) einen Innendurchmesser von 50-80 µm und der kegelförmig strukturierte Anschluss der Sammelkapillare (4) einen Innendurchmesser von 100-160 µm aufweist.
  • In der Regel ist der Innendurchmesser des Anschlusses der Sammelkapillare doppelt so groß wie der Innendurchmesser der Zuführungskapillare. Diese Konstruktion ermöglicht es, das Erzeugungsverhalten von Mikrotröpfchen über einen größeren Bereich von Durchflussraten zu regulieren, um Mikrotröpfchen mit einer breiteren Größenverteilung zu erhalten. Bei herkömmlichen Materiallösungssystemen erschwert ein zu kleiner Innendurchmesser (<50 µm) des kegelförmig strukturierten Anschlusses der Zuführungskapillare (3) die Kapillarverarbeitung und ist für den Durchfluss viskoserer Flüssigkeiten nicht förderlich; ein zu großer Innendurchmesser (>80 µm) ist für die Erzeugung von Mikrotröpfchen kleiner Größe nicht förderlich.
  • Der mikrofluidische Chip der vorliegenden Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die kegelförmigen Anschlüsse der Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) einen Abstand von 50-100 µm zueinander haben. Im Rahmen des von der vorliegenden Erfindung ausgewählten Abstandbereichs können die mehrphasigen Flüssigkeiten im Chip unter den kombinierten Kräften von Grenzflächenspannung, viskosen Kräften und Trägheitskräften emulgiert werden, was die Herstellung von Mikrotröpfchen stabiler macht.
  • Der mikrofluidische Chip der vorliegenden Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Gewindelochs (1-1) M8*1,0 beträgt; der Lochdurchmesser des Dichtungslochs (1-2) 4,0 mm und der Lochdurchmesser des koaxial angeordneten Kapillarlochs (1-3) 1,5 mm beträgt.
  • Der mikrofluidische Chip der vorliegenden Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das Regelloch (1-4) eine Abmessung von M6 aufweist.
  • Im erfindungsgemäßen Inhalt dieses Patents sind die Bearbeitungsmaße des Gewindelochs (1-1), des Dichtungslochs (1-2) und des Regellochs (1-4) die üblicherweise verwendeten Standardteile-Durchgangslochmaße in der mechanischen Konstruktion, die alle je nach den spezifischen Implementierungsfällen entsprechend angepasst werden können. Der Lochdurchmesser des koaxial angeordneten Kapillarlochs (1-3) beträgt 1,5 mm, was durch die übliche Kapillargröße von 1,0*0,58 mm (Außendurchmesser*Innendurchmesser) definiert ist. Theoretisch sollte der Lochdurchmesser das koaxial angeordnete Kapillarloch (1-3) nur größer als 1,0 mm sein, aber von der Sicht der Verarbeitung und Abdichtung wird eine Bearbeitungsmaße von 1,5 mm ausgewählt. Wenn die Kapillaren einer anderen Maße und eines anderen Modells ausgewählt werden, kann der Lochdurchmesser des koaxial angeordneten Kapillarlochs (1-3) entsprechend geändert werden.
  • Im Stand der Technik basiert das Verfahren zur koaxialen Anordnung der Zuführungskapillare und der Sammelkapillare auf der Bedingung, dass der Außendurchmesser der kreisförmigen Kapillaren auf die Länge der Innenkante der quadratischen Kapillare oder den Innendurchmesser des Mikrokanals abgestimmt ist, aufgrund des Maßfehlers in der Kapillare und dem Mikrokanal und der manuellen Bedienung kann es häufig nicht sichergestellt werden, dass die Zuführungskapillare und die Sammelkapillare mit einem Installationsverfahren durch einfache Kombination eine genaue dreidimensionale koaxiale Anordnung erreichen. Im erfindungsgemäßen Inhalt dieses Patents hängt die koaxiale Positionsbeziehung zwischen der Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) von der koaxialen Feinabstimmungskomponente (7) der Kapillaren ab, so dass die Lochdurchmesser des oben erwähnten Gewindelochs (1-1) und Dichtungslochs (1-2) nicht durch die Größe der Kapillare begrenzt sind, was den Verarbeitungsbereich der Mikrokanalgröße erheblich vergrößert und die Verarbeitungsschwierigkeiten verringert. In Kombination weist die koaxiale Feinabstimmungskomponente (7) der Kapillaren gemäß der vorliegenden Erfindung gleichzeitig die Funktionen zur Abdichtung, Fixierung und Einstellung auf, da die koaxiale Feinabstimmungskomponente (7) ausgewählt werden, um die Funktionen zu erreichen, kann das Substrat des einteiligen Chips aus Glas bestehen, wobei alle Vorteile von Glas genutzt werden und die Schwierigkeit der hochpräzisen Verarbeitung von Glas reduziert wird.
  • Der mikrofluidische Chip der vorliegenden Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (6-1) ein Außengewinde aufweist, das mit dem Innengewinde des Gewindelochs (1-1) übereinstimmt; wobei die erste Trennhülse1 (6-2) und die zweite Trennhülse (6-4) Abmessungen von 4,0*2,0 mm (Außendurchmesser*Innendurchmesser) aufweisen; und wobei der O-Einstellring (6-3) und der O-Einstellring (6-5) Abmessungen von 4,0* 1,5 mm (Außendurchmesser*Innendurchmesser) aufweisen.
  • Das Befestigungselements (6-1), die erste Trennhülse (6-2), die zweite Trennhülse (6-4) und der obere Draht (6-2), die in dem mikrofluidischen Chip gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl usw. bestehen; wobei der O-Dichtring (6-3), der O-Einstellring (6-5) und die Dichtungsunterlegscheibe (7-2) aus Fluorelastomer, Silikonkautschuk und Nitrilkautschuk besehen können.
  • Der mikrofluidische Chip der vorliegenden Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das einteilige Chipsubstrat (1) aus Glas hergestellt ist und eine zylindrische Form oder eine Form des Hexaprismas, bevorzugt eine Form des Hexaprismas haben kann. Die zylindrische Form oder die Form des Hexaprismas erleichtert die Drehung des Chipsubstrats und die mehrwinklige Einstellung der koaxialen Positionsbeziehung der Kapillare. Die Form des Hexaprismas wird jedoch im Hinblick auf die einfache Verarbeitung, die Fixierung des Chipsubstrats und die Beobachtung unter einem optischen Mikroskop bevorzugt.
  • Das Material des einteiligen Chipsubstrats (1) der vorliegenden Erfindung nimmt Glas an, weil Glas eine hohe Druckbeständigkeit, Biokompatibilität, flexible Oberflächenmodifikation, Korrosionsbeständigkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln usw. aufweist. Insbesondere hat es eine gute Lichtdurchlässigkeit und kann in Verbindung mit einer Hochgeschwindigkeits-Online-Mikroskopie-Experimentierplattform verwendet werden, um die Beobachtung und Manipulation von Mikrotröpfchen in Echtzeit zu erleichtern, was Vorteile darstellt, über die andere Materialien nicht gleichzeitig verfügen können. Nach dem heutigen Stand der Technik ist es ersichtlich, dass, wenn das Chipsubstrat aus Glas besteht, die Rohstoff- und Verarbeitungskosten im Wesentlichen gleich wie die bei der Verwendung von Metallen wie Edelstahl, Messing oder Aluminium sind. Wenn die Kosten für einen einteiligen Chip gesenkt werden müssen, besteht eine einfache Lösung darin, ein gespleißtes Substrat anstelle eines einteiligen Substrats zu verwenden. Bei der Spleißlösung kann der mittlere Sichtbereich als Glas beibehalten werden, und für die übrigen Bereich können die Materialien wie Glas, Metall, Kunststoff oder Keramik ausgewählt und durch eine mechanische Konstruktion verriegelt oder durch Kleben verbunden werden.
  • Der mikrofluidische Chip der vorliegenden Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitseinlassöffnung (1-6) für die kontinuierliche Phase, die Flüssigkeitseinlassöffnung (1-7) für die Zwischenphase und die Flüssigkeitseinlassöffnung (2) für die dispergierte Phase an dem Chip in Kombination mit einer Schlauchpumpe, einer Spritzenpumpe oder einem Druckregler verwendet werden können, wodurch die Flüssigkeitsdurchflussrate jeder Phase gesteuert wird; wobei die Sammelöffnung (5) mit einer Lichthärtungsvorrichtung, einem Heizer oder einem kryogenen Gefriergerät verbunden werden kann, um die weitere Reaktionsverarbeitung für das Produkt - die Mikrotröpfchen - zu realisieren.
  • Die vorliegende Erfindung hat folgende Vorteile:
    1. (1) die koaxiale Feinabstimmungsstruktur der Kapillaren der vorliegenden Erfindung kann die relativen Positionen der Kapillaren aus mehreren Winkeln einstellen, um eine genaue dreidimensionale koaxiale Anordnung der Kapillaren sicherzustellen;
    2. (2) die Kapillarverschachtelungskomponente der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, die Kapillaren im Mikrokanal ohne Kleben zu fixieren und abzudichten, und der Chip ist herausnehmbar, waschbar und wiederverwendbar;
    3. (3) das einteilige Chipsubstratmaterial der vorliegenden Erfindung ist Glas, das chemisch stabil ist, leicht mit optischen Beobachtungssystemen verwendet werden kann, leicht oberflächenmodifizierbar ist und einen breiten Temperatur- und Drucktoleranzbereich aufweist;
    4. (4) der Chip der vorliegenden Erfindung ist leicht in der Massen- und Industrieproduktion herzustellen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung wird die vorliegende Erfindung gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert, insbesondere unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen zeigt:
    • 1 ein schematisches Diagramm der gesamten Montage eines mikrofluidischen Chips mit koaxial angeordneten fein abstimmbaren Kapillaren gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 2 eine schematische Strukturansicht eines einteiligen Chipsubstrats;
    • 3 ein schematisches Diagramm der Montage de Kapillare und der Kapillarverschachtelungskomponente;
    • 4 eine Seitenansicht der koaxialen Feinabstimmungskomponente der Kapillaren nach Einbau ins einteilige Chipsubstrat;
  • Die Bezugszeichen in den beigefügten Zeichnungen stehen für Folgendes:
    • 1
    Einteiliges Chipsubstrat
    1-1
    Gewindeloch
    1-2
    Dichtungsloch
    1-3
    Koaxial angeordnetes Kapillarloch
    1-4
    Regelloch
    1-5
    Positionierloch
    1-6
    Flüssigkeitseinlassöffnung für die kontinuierliche Phase
    1-7
    Flüssigkeitseinlassöffnung für die Zwischenphase
    2
    Flüssigkeitseinlassöffnung für die dispergierte Phase
    3
    Zuführungskapillare
    4
    Sammelkapillare
    5
    Sammelöffnung
    6
    Kapillarverschachtelungskomponente
    6-1
    Befestigungselement
    6-2
    Erste Trennhülse
    6-3
    O-Dichtring
    6-4
    Zweite Trennhülse
    6-5
    O-Einstellring
    7
    Koaxiale Feinabstimmungskomponente der Kapillaren
    7-1
    Oberer Draht
    7-2
    Dichtungsunterlegscheibe
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Im Zusammenhang mit Figuren und spezifischen Ausführungsbeispielen wird die vorliegende Erfindung im Folgenden näher erläutert.
  • Ausführungsbeispiel 1: ein mikrofluidischer Chip mit koaxial angeordneten fein abstimmbaren Kapillaren für die Herstellung von Wasser-in-Öl-in-Wasser (W/O/W)-Mikrotröpfchen
  • Spezifische Implementierungsschritte:
  • 1. die Montage des Chips
  • Verwenden eines Capillary-Pullers zur Verarbeitung der runden Kapillare in zwei Kapillaren mit Längen von 5 cm und einem kegelförmigen Anschluss an einem Ende, die kegelförmigen Anschlüsse der Kapillaren werden poliert, bis die Kaliber jeweils 55 µm und 110 µm beträgt, und die Kapillaren werden jeweils als die Zuführungskapillare (3) und die Sammelkapillare (4) verwendet. Die resultierende Glaskapillare wird gereinigt und getrocknet, um restliche Glaspartikel zu entfernen, und die Sammelkapillare (4) wird hydrophob mit Octadecyltrimethoxysilan behandelt und mit Ethanol gereinigt und getrocknet.
  • An der hydrophob behandelten Zuführungskapillare (3) werden nacheinander das Befestigungselement (6-1), die erste Trennhülse (6-2), der O-Dichtring (6-3), die zweite Trennhülse (6-4) und der O-Einstellring (6-5) von der Seite des kegelförmigen Anschlusses aufgesetzt, dann geht die Zuführungskapillare von einer Seite des Chipsubstrats (1) in Form des Hexaprismas durch das Gewindeloch (1-1) und das Dichtungsloch (1-2) hindurch und erreicht das Mittelteil des koaxial angeordneten Kapillarlochs (1-3) mit einem Lochdurchmesser von 1,5 mm, und durch Festdrehen des Befestigungselements (6-1) wird der O-Dichtring (6-3) eng gepresst, um die Befestigung der Zuführungskapillare (3) und die Abdichtung der Mikrokanalstruktur auf einer Seite der flachen Öffnung zu realisieren; an der Sammelkapillare (4) werden nacheinander ein anderer Satz von dem Befestigungselement (6-1), der ersten Trennhülse (6-2), dem O-Dichtring (6-3), der zweiten Trennhülse (6-4) und dem O-Einstellring (6-5) von der Seite des kegelförmigen Anschlusses aufgesetzt, und die Sammelkapillare geht von der anderen Seite des Chipsubstrats (1) durch das auf dieser Seite befindliche Gewindeloch (1-1) und Dichtungsloch (1-2) hindurch und erreicht das Mittelteil des koaxial angeordneten Kapillarlochs (1-3), mit Hilfe eines optischen Mikroskops wird der Abstand zwischen den kegelförmigen Anschlüssen der Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) auf 70 µm eingestellt, und der O-Dichtring (6-3) wird eng gepresst, um die Sammelkapillare (4) festzuziehen und zu befestigen; dabei bestehen der O-Dichtring (6-3) und der O-Einstellring (6-5) aus Silikonkautschuk.
  • Drei obere Drähte (7-1) werden an der Dichtungsunterlegscheibe (7-2) aufgesetzt und jeweils in entsprechende drei Regellöcher (1-4) auf einer Seite des Chipsubstrats (1) in Form eines Hexaprismas eingesteckt und liegen direkt gegenüber dem an der Zuführungskapillare (3) aufgesetzten O-Einstellring (6-5); ebenfalls werden die an der Dichtungsunterlegscheibe (7-2) aufgesetzten oberen Drähte (7-1) jeweils in drei Regellöcher (1-4) auf der anderen Seite eingesteckt und liegen direkt gegenüber dem an der Sammelkapillare (4) aufgesetzten O-Einstellring (6-5); durch Anschrauben der drei in einem Winkel von 120° zueinander angeordneten oberen Drähte (7-1) wird der O-Einstellring (6-5) eng gepresst, mit Hilfe eines optischen Mikroskops werden die relativen Winkel der Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) im Mikrokanal eingestellt, und das Chipsubstrat (1) in Form eines Hexaprismas wird nacheinander gedreht, um die relativen Positionen der Kapillaren in verschiedenen Winkeln einzustellen, schließlich wird es sichergestellt, dass die Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) eine koaxiale Ausrichtung von 360° erreichen.
  • 2. Herstellung von Mikrotröpfchen
  • In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine wässrige Lösung mit 2 Gew.-% PVA als dispergierte Phase, eine flüssige Paraffinlösung mit 1 Gew.-% Span 80 als Zwischenphase und eine wässrige Lösung mit 5 Gew.-% PVA als kontinuierliche Phase ausgewählt. Die Lösungen der dispergierten Phase, der Zwischenphase und der kontinuierlichen Phase werden in drei Einschraubspritzen gefüllt und auf eine Spritzenpumpe montiert.
  • An jedem Ende des PTFE-Katheters mit einem Außendurchmesser von 1/16" ist ein PEEK-Verbinder mit M6-Gewinde und einem Druckring, wobei der Boden des Druckrings bündig mit dem Ende des Katheters abschließt, und wobei ein Ende des Katheters über ein Luer-Taper mit der Einschraubspritze, die die Lösung der dispergierten Phase enthält, und das andere Ende mit dem Befestigungselement (6-1) auf einer Seite der Zuführungskapillare (3) verbunden ist; auf die gleiche Weise werden die Einschraubspritzen, die die Zwischenphasenlösung und die Lösung der kontinuierlichen Phase enthalten, über den PEEK-Verbinder und den PTFE-Katheter jeweils mit der Flüssigkeitseinlassöffnung (1-7) für die Zwischenphase und der Flüssigkeitseinlassöffnung (1-6) für die kontinuierliche Phase des Chips verbunden.
  • An einem Ende des PTFE-Katheters mit einem Außendurchmesser von 1/16" werden ein PEEK-Verbinder mit M6-Gewinde und ein Druckring aufgesetzt, wobei der Katheter mit dem Befestigungselement (6-1) auf einer Seite der Sammelkapillare (4) verbunden ist, so dass die Sammelöffnung (5) mit dem PTFE-Katheter verbunden ist, und wobei sich das andere Ende des PTFE-Katheters in einem Glasbecher befinden kann.
  • Die Durchflussraten der dispergierten Phase, der Zwischenphase und der kontinuierlichen Phase werden auf 0,3-0,4 ml/h, 0,2-0,5 ml/h bzw. 1,6-2,0 ml/h eingestellt. Die Spritzenpumpe wird eingeschaltet und die Durchflussrate jeder Phase eingestellt, um die Bildung von Mikrotröpfchen im Mikrokanal unter einem optischen Mikroskop zu beobachten. Wenn sich in der Sammelkapillare (4) stabile W/O/W-Doppelemulsionsmikrotröpfchen bilden, werden die Mikrotröpfchen mit Hilfe eines Glasbechers, der eine wässrige Lösung mit 5 Gew.-% PVA enthält, gesammelt.
  • Nach der Herstellung der Mikrotröpfchen muss der Chip für den nächsten Einsatz mit Ethanol und entionisiertem Wasser gereinigt werden. Zuerst wird die Injektion der Dreiphasenflüssigkeit gestoppt, und die für die Dreiphasenflüssigkeit verwendete Spritze wird durch eine mit Ethanol gefüllte Spritze ersetzt. Die Antriebsspritzenpumpe für die Dreiphasenflüssigkeit wird gestartet, bis die Ölphasenlösung oder das Öl-Wasser-Gemisch im Inneren des Chips vollständig entfernt ist, dann wird sie durch eine mit entionisiertem Wasser gefüllte Spritze ersetzt und der Reinigungsvorgang wird wiederholt, dann erfolgt die Reinigung mit Ethanol, der Chip ist gereinigt und getrocknet und kann wieder verwendet werden.
  • Wenn die interne Kapillare des Chips verstopft ist, wird die Kapillare durch Drehen der Kapillarverschachtelungskomponente (6) und Lösen des oberen Drahtes (7-1) entfernt, und der Chip kann nach dem Entstopfen und Reinigen weiter zusammengesetzt und verwendet werden.
  • Ausführungsbeispiel 2: ein mikrofluidischer Chip mit koaxial angeordneten fein abstimmbaren Kapillaren für die Herstellung von Wasser Öl-in-Wasser-in-Öl(O/W /O)-Mikrotröpfchen
  • Dieses Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen gleich wie das erste Ausführungsbeispiel, wobei die Hauptunterschiede im Material, in der Größe und in der Struktur einiger Komponenten des Chip-Montageprozesses sowie in der Zusammensetzung des Dreiphasenflüssigkeit bestehen.
  • Spezifische Implementierungsschritte:
  • 1. die Montage des Chips
  • Verwenden eines Capillary-Pullers zur Verarbeitung der runden Kapillare in zwei Kapillaren mit Längen von 5 cm und einem kegelförmigen Anschluss an einem Ende, die kegelförmigen Anschlüsse der Kapillaren werden poliert, bis die Kaliber jeweils 60 µm und 120 µm beträgt, und die Kapillaren werden jeweils als die Zuführungskapillare (3) und die Sammelkapillare (4) verwendet. Die resultierende Glaskapillare wird gereinigt und getrocknet, um restliche Glaspartikel zu entfernen, die Zuführungskapillare (3) wird mit Piranha-Lösung (H2SO4: H2O2 = 7/3, V/V) hydrophil behandelt, und die Sammelkapillare (4) wird hydrophob mit Octadecyltrimethoxysilan behandelt, dann werden sie jeweils mit Ethanol gereinigt und getrocknet.
  • An der hydrophil behandelten Zuführungskapillare (3) werden nacheinander das Befestigungselement (6-1), die erste Trennhülse (6-2), der O-Dichtring (6-3), die zweite Trennhülse (6-4) und der O-Einstellring (6-5) von der Seite des kegelförmigen Anschlusses aufgesetzt, dann geht die Zuführungskapillare von einer Seite der Mikrokanalstruktur des Chipsubstrats (1) in Form des Hexaprismas durch das Gewindeloch (1-1) und das Dichtungsloch (1-2) hindurch und erreicht das Mittelteil des koaxial angeordneten Kapillarlochs (1-3) mit einem Lochdurchmesser von 1,5 mm, und durch Festdrehen des Befestigungselements (6-1) wird der O-Dichtring (6-3) eng gepresst, um die Befestigung der Zuführungskapillare (3) und die Abdichtung der Mikrokanalstruktur auf dieser Seite zu realisieren; an der hydrophob behandelten Sammelkapillare (4) werden nacheinander ein anderer Satz von dem Befestigungselement (6-1), der ersten Trennhülse (6-2), dem O-Dichtring (6-3), der zweiten Trennhülse (6-4) und dem O-Einstellring (6-5) von der Seite des kegelförmigen Anschlusses aufgesetzt, und die Sammelkapillare geht von der anderen Seite der Mikrokanalstruktur durch das auf dieser Seite befindliche Gewindeloch (1-1) und Dichtungsloch (1-2) hindurch und erreicht das Mittelteil des koaxial angeordneten Kapillarlochs (1-3), mit Hilfe eines optischen Mikroskops wird der Abstand zwischen den kegelförmigen Anschlüssen der Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) auf 100 µm eingestellt, und der O-Dichtring (6-3) wird eng gepresst, um die Sammelkapillare (4) festzuziehen und zu befestigen; dabei bestehen der O-Dichtring (6-3) und der O-Einstellring (6-5) aus Fluorelastomer.
  • Drei obere Drähte (7-1) werden an der Dichtungsunterlegscheibe (7-2) aufgesetzt und jeweils in entsprechende drei Regellöcher (1-4) auf einer Seite des Chipsubstrats (1) in Form eines Hexaprismas eingesteckt und liegen direkt gegenüber dem an der Zuführungskapillare (3) aufgesetzten O-Einstellring (6-5); ebenfalls werden die an der Dichtungsunterlegscheibe (7-2) aufgesetzten drei oberen Drähte (7-1) jeweils in drei Regellöcher (1-4) auf der anderen Seite eingesteckt und liegen direkt gegenüber dem an der Sammelkapillare (4) aufgesetzten O-Einstellring (6-5); durch Anschrauben der drei in einem Winkel von 120° zueinander angeordneten oberen Drähte (7-1) wird der O-Einstellring (6-5) eng gepresst, mit Hilfe eines optischen Mikroskops werden die relativen Winkel der Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) im Mikrokanal eingestellt, und das Chipsubstrat (1) in Form eines Hexaprismas wird nacheinander gedreht, um die relativen Positionen der Kapillaren in verschiedenen Winkeln einzustellen, schließlich wird es sichergestellt, dass die Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) eine koaxiale Ausrichtung von 360° erreichen.
  • 2. Herstellung von Mikrotröpfchen
  • In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Dichlormethanlösung mit 8 Gew.-% PLGA als dispergierte Phase, eine wässrige Lösung mit 1 Gew.-% PVA und 0,5 Gew.-% Natriumalginat als Zwischenphase und eine Toluollösung mit 10 Gew.-% Span 80 als kontinuierliche Phase ausgewählt. Die Lösungen der dispergierten Phase, der Zwischenphase und der kontinuierlichen Phase werden in drei Einschraubspritzen gefüllt und auf eine Spritzenpumpe montiert.
  • An jedem Ende des PEEK-Katheters mit einem Außendurchmesser von 1/16" ist ein PEEK-Verbinder mit M6-Gewinde und einem Druckring, wobei der Boden des Druckrings bündig mit dem Ende des Katheters abschließt, und wobei ein Ende des Katheters über ein Luer-Taper mit der Einschraubspritze, die die Lösung der dispergierten Phase enthält, und das andere Ende mit dem Befestigungselement (6-1) auf einer Seite der Zuführungskapillare (3) verbunden ist; auf die gleiche Weise werden die Einschraubspritzen, die die Zwischenphasenlösung und die Lösung der kontinuierlichen Phase enthalten, über den PEEK-Verbinder und den PTFE-Katheter jeweils mit der Flüssigkeitseinlassöffnung (1-7) für die Zwischenphase und der Flüssigkeitseinlassöffnung (1-6) für die kontinuierliche Phase des Chips verbunden.
  • An einem Ende des PEEK-Katheters mit einem Außendurchmesser von 1/16" werden ein PEEK-Verbinder mit M6-Gewinde und ein Druckring aufgesetzt, wobei der Katheter mit dem Befestigungselement (6-1) auf einer Seite der Sammelkapillare (4) verbunden ist, so dass die Sammelöffnung (5) mit dem PTFE-Katheter verbunden ist, und wobei sich das andere Ende des PTFE-Katheters in einem Glasbecher befinden kann.
  • Die Durchflussraten der dispergierten Phase, der Zwischenphase und der kontinuierlichen Phase werden auf 0,4-0,8 ml/h, 0,4-0,85 ml/h bzw. 2,0-6,0 ml/h eingestellt. Die Spritzenpumpe wird eingeschaltet und die Durchflussrate jeder Phase eingestellt, um die Bildung von Mikrotröpfchen im Mikrokanal unter einem optischen Mikroskop zu beobachten. Wenn sich in der Sammelkapillare (4) stabile O/W/O-Doppelemulsionsmikrotröpfchen bilden, werden die Mikrotröpfchen mit Hilfe eines Glasbechers, der 20 mM wässrige Kalziumchloridlösung enthält, gesammelt.
  • Nach der Herstellung der Mikrotröpfchen muss der Chip für den nächsten Einsatz gereinigt werden. Zuerst wird die Injektion der Dreiphasenflüssigkeit gestoppt, und die für die Dreiphasenflüssigkeit verwendete Spritze wird durch eine mit Dichlormethan gefüllte Spritze ersetzt. Die Antriebsspritzenpumpe für die Dreiphasenflüssigkeit wird gestartet, bis die übrigbleibende Lösung im Inneren des Chips vollständig entfernt ist, dann wird sie durch eine mit Ethanol gefüllte Spritze ersetzt und der Reinigungsvorgang wird zweimal wiederholt, der Chip ist gereinigt und getrocknet und kann wieder verwendet werden.
  • Wenn die interne Kapillare des Chips verstopft ist, wird die Kapillare durch Drehen der Kapillarverschachtelungskomponente (6) und Lösen des oberen Drahtes (7-1) entfernt, und der Chip kann nach dem Entstopfen und Reinigen weiter zusammengesetzt und verwendet werden.
  • Ausführungsbeispiel 2: ein mikrofluidischer Chip mit koaxial angeordneten fein abstimmbaren Kapillaren für die Herstellung von Wasser Öl-in-Wasser-in-Öl (W/O/W )-Mikrotröpfchen
  • Das Verfahren des Ausführungsbeispiels ist im Wesentlichen gleich wie das im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, wobei die Hauptunterschiede im Material, in der Form, in der Größe und in der Struktur einiger Komponenten des Chip-Montageprozesses sowie in der Zusammensetzung des Dreiphasenflüssigkeit bestehen.
  • Spezifische Implementierungsschritte:
  • 1. die Montage des Chips
  • Verwenden eines Capillary-Pullers zur Verarbeitung der runden Kapillare in zwei Kapillaren mit Längen von 5 cm und einem kegelförmigen Anschluss an einem Ende, die kegelförmigen Anschlüsse der Kapillaren werden poliert, bis die Kaliber jeweils 75 µm und 150 µm beträgt, und die Kapillaren werden jeweils als die Zuführungskapillare (3) und die Sammelkapillare (4) verwendet. Die resultierende Glaskapillare wird gereinigt und getrocknet, um restliche Glaspartikel zu entfernen, und die Zuführungskapillare (3) wird hydrophob mit Octadecyltrimethoxysilan behandelt und mit Ethanol gereinigt und getrocknet.
  • An der hydrophob behandelten Zuführungskapillare (3) werden nacheinander das Befestigungselement (6-1), die erste Trennhülse (6-2), der O-Dichtring (6-3), die zweite Trennhülse (6-4) und der O-Einstellring (6-5) von der Seite des kegelförmigen Anschlusses aufgesetzt, dann geht die Zuführungskapillare von einer Seite der Mikrokanalstruktur des zylindrischen Chipsubstrats (1) durch das Gewindeloch (1-1) und das Dichtungsloch (1-2) hindurch und erreicht das Mittelteil des koaxial angeordneten Kapillarlochs (1-3) mit einem Lochdurchmesser von 1,5 mm, und durch Festdrehen des Befestigungselements (6-1) wird der O-Dichtring (6-3) eng gepresst, um die Befestigung der Zuführungskapillare (3) und die Abdichtung der Mikrokanalstruktur auf dieser Seite zu realisieren; an der Sammelkapillare (4) werden nacheinander ein anderer Satz von dem Befestigungselement (6-1), der ersten Trennhülse (6-2), dem O-Dichtring (6-3), der zweiten Trennhülse (6-4) und dem O-Einstellring (6-5) aufgesetzt, und die Sammelkapillare geht von der anderen Seite der Mikrokanalstruktur durch das auf dieser Seite befindliche Gewindeloch (1-1) und Dichtungsloch (1-2) hindurch und erreicht das Mittelteil des koaxial angeordneten Kapillarlochs (1-3), mit Hilfe eines optischen Mikroskops wird der Abstand der Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) auf 100 µm eingestellt, und der O-Dichtring (6-3) wird eng gepresst, um die Sammelkapillare (4) festzuziehen und zu befestigen; dabei bestehen der O-Dichtring (6-3) und der O-Einstellring (6-5) aus Nitrilkautschuk.
  • Drei obere Drähte (7-1) werden an der Dichtungsunterlegscheibe (7-2) aufgesetzt und jeweils in entsprechende drei Regellöcher (1-4) auf einer Seite des zylindrischen Chipsubstrats (1) eingesteckt und liegen direkt gegenüber dem an der Zuführungskapillare (3) aufgesetzten O-Einstellring (6-5); ebenfalls werden die an der Dichtungsunterlegscheibe (7-2) aufgesetzten anderen drei oberen Drähte (7-1) jeweils in drei Regellöcher (1-4) auf der anderen Seite eingesteckt und liegen direkt gegenüber dem an der Sammelkapillare (4) aufgesetzten O-Einstellring (6-5); durch Anschrauben der drei in einem Winkel von 120° zueinander angeordneten oberen Drähte (7-1) wird der O-Einstellring (6-5) eng gepresst, mit Hilfe eines optischen Mikroskops werden die relativen Winkel der Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) im Mikrokanal eingestellt, und das zylindrische Chipsubstrat (1) wird nacheinander gedreht, um die relativen Positionen der Kapillaren in verschiedenen Winkeln einzustellen, schließlich wird es sichergestellt, dass die Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) eine koaxiale Ausrichtung von 360° erreichen.
  • 2. Herstellung von Mikrotröpfchen
  • In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine wässrige Lösung mit 1 Gew.-% PVA als dispergierte Phase, 4-Cyano-4'-pentylbiphenyl (ein bei Raumtemperatur flüssigkristallines System, unlöslich in Wasser) als Zwischenphase und eine wässrige Lösung mit 1 Gew.-% PVA und 60 Gew.-% Propantriol als kontinuierliche Phase ausgewählt. Die Lösungen der dispergierten Phase, der Zwischenphase und der kontinuierlichen Phase werden in drei Einschraubspritzen gefüllt und auf eine Spritzenpumpe montiert.
  • An jedem Ende des PEEK-Katheters mit einem Außendurchmesser von 1/16" ist ein PEEK-Verbinder mit M6-Gewinde und einem Druckring, wobei der Boden des Druckrings bündig mit dem Ende des Katheters abschließt, und wobei ein Ende des Katheters über ein Luer-Taper mit der Einschraubspritze, die die Lösung der dispergierten Phase enthält, und das andere Ende mit dem Befestigungselement (6-1) auf einer Seite der Zuführungskapillare (3) verbunden ist; auf die gleiche Weise werden die Einschraubspritzen, die die Zwischenphasenlösung und die Lösung der kontinuierlichen Phase enthalten, über den PEEK-Verbinder und den PTFE-Katheter jeweils mit der Flüssigkeitseinlassöffnung (1-7) für die Zwischenphase und der Flüssigkeitseinlassöffnung (1-6) für die kontinuierliche Phase des Chips verbunden.
  • An einem Ende des PEEK-Katheters mit einem Außendurchmesser von 1/16" werden ein PEEK-Verbinder mit M6-Gewinde und ein Druckring aufgesetzt, wobei der Katheter mit dem Befestigungselement (6-1) auf einer Seite der Sammelkapillare (4) verbunden ist, so dass die Sammelöffnung (5) mit dem PTFE-Katheter verbunden ist, und wobei sich das andere Ende des PTFE-Katheters in einem Glasbecher befinden kann.
  • Die Durchflussraten der dispergierten Phase, der Zwischenphase und der kontinuierlichen Phase werden auf 0,1-0,5 ml/h, 0,25-0,5 ml/h bzw. 1,0-5,0 ml/h eingestellt. Die Spritzenpumpe wird eingeschaltet und die Durchflussrate jeder Phase eingestellt, um die Bildung von Mikrotröpfchen im Mikrokanal unter einem optischen Mikroskop zu beobachten. Wenn sich in der Sammelkapillare (4) stabile W/O/W-Doppelemulsionsmikrotröpfchen bilden, werden die Mikrotröpfchen mit Hilfe eines Glasbechers, der eine wässrige Lösung mit 1 Gew.-% PVA und 60 Gew.-% Propantriol enthält, gesammelt.
  • Nach der Herstellung der Mikrotröpfchen muss der Chip für den nächsten Einsatz gereinigt werden. Zuerst wird die Injektion der Dreiphasenflüssigkeit gestoppt, und die für die Dreiphasenflüssigkeit verwendete Spritze wird durch eine mit Ethanol gefüllte Spritze ersetzt. Die Antriebsspritzenpumpe für die Dreiphasenflüssigkeit wird gestartet, bis das flüssigkristalline System oder anderes Gemisch im Inneren des Chips vollständig entfernt ist, dann wird sie durch eine mit entionisiertem Wasser gefüllte Spritze ersetzt und der Reinigungsvorgang wird wiederholt, dann erfolgt die Reinigung mit Ethanol, der Chip ist gereinigt und getrocknet und kann wieder verwendet werden.
  • Wenn die interne Kapillare des Chips verstopft ist, wird die Kapillare durch Drehen der Kapillarverschachtelungskomponente (6) und Lösen des oberen Drahtes (7-1) entfernt, und der Chip kann nach dem Entstopfen und Reinigen weiter zusammengesetzt und verwendet werden.
  • Die spezifischen Ausführungsformen bilden keine Einschränkung für den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann auf diesem Gebiet sollte verstehen, dass es je nach Konstruktionsanforderungen und anderen Faktoren eine Vielzahl von Modifikationen, Kombinationen, Unterkombinationen und Substitutionen geben kann. Alle unter Gedanken und Grundsätzen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Änderungen, äquivalenten Ersetzungen und Verbesserungen sollten als vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung gedeckt angesehen werden.

Claims (8)

  1. Mikrofluidischer Chip mit koaxial angeordneten fein abstimmbaren Kapillaren, umfassend eine Flüssigkeitseinlassöffnung (2) für die dispergierte Phase, eine Zuführungskapillare (3), eine Sammelkapillare (4) und eine Sammelöffnung (5), dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin ein einteiliges Chipsubstrat (1), eine Kapillarverschachtelungskomponente (6) und eine koaxiale Feinabstimmungskomponente (7) der Kapillaren umfasst; wobei auf beiden Seiten des einteiligen Chipsubstrats (1) ein Gewindeloch (1-1), ein Dichtungsloch (1-2), ein koaxial angeordnetes Kapillarloch (1-3), ein Regelloch (1-4) und ein Positionierungsloch (1-5) vorgesehen sind, und wobei das Gewindeloch (1-1), das Dichtungsloch (1-2) und das koaxial angeordnete Kapillarloch (1-3) sequentiell verbunden sind, und wobei auf dem einteiligen Chipsubstrat (1) weiterhin eine Flüssigkeitseinlassöffnung (1-6) für die kontinuierliche Phase und eine Flüssigkeitseinlassöffnung (1-7) für die Zwischenphase vorgesehen sind; wobei die Flüssigkeitseinlassöffnung (1-6) für die kontinuierliche Phase und die Flüssigkeitseinlassöffnung (1-7) für die Zwischenphase in direkter Verbindung mit dem koaxial angeordneten Kapillarloch (1-3) auf der Seite der Zuführungskapillare und der Seite der Sammelkapillare stehen; wobei sich die Flüssigkeitseinlassöffnung (2) für die dispergierte Phase an einem Ende der flachen Öffnung der Zuführungskapillare (3) befindet; und wobei sich die Sammelöffnung (5) an einem Ende der flachen Öffnung der Sammelkapillare (4) befindet; und wobei das einteilige Chipsubstrat (1) aus Glas hergestellt ist und eine Form des Hexaprismas hat; und wobei die Kapillarverschachtelungskomponenten (6) insgesamt in zwei Sätzen bereitgestellt und jeweils auf beiden Seiten des mikrofluidischen Chips platziert sind und dazu verwendet werden, die Zuführungskapillare (3) und die Sammelkapillare (4) zu befestigen, und wobei die Kapillarverschachtelungskomponente ein Befestigungselement (6-1), eine erste Trennhülse (6-2), einen O-Dichtring (6-3), eine zweite Trennhülse (6-4) und einen O-Einstellring (6-5) umfasst; und wobei die koaxialen Feinabstimmungskomponenten (7) der Kapillaren insgesamt in 6 Sätzen bereitgestellt sind und einen oberen Draht (7-1) und eine Dichtungsunterlegscheibe (7-2) umfassen, und wobei der obere Draht (7-1), nachdem an dem die Dichtungsunterlegscheibe (7-2) aufgesetzt war, ins Regelloch (1-4) eingesteckt wird; und wobei die Regellöcher (1-4) insgesamt in einer Anzahl von 6 bereitgestellt sind, und wobei sich insgesamt 3 Regellöcher auf beiden Seiten des einteiligen Chipsubstrats (1) befinden und in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind, und wobei die Regellöcher mit dem Dichtungsloch (1-2) verbunden sind und direkt gegenüber dem O-Einstellring (6-5) liegen; und wobei die Zuführungskapillare (3) und die Sammelkapillare (4) unter kombinierter Abstimmung des Regellochs (1-4) und der koaxialen Feinabstimmungskomponente (7) der Kapillaren eine dreidimensionale koaxiale Positionsbeziehung darstellen.
  2. Mikrofluidischer Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungskapillare (3) und die Sammelkapillare (4) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die zueinander gegenüberliegende Enden von den beiden jeweils ein Ende der kegelförmigen Öffnung sind und das andere Ende ein Ende der flachen Öffnung ist.
  3. Mikrofluidischer Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit einer kegelförmigen Öffnung versehene Ende der Zuführungskapillare (3) einen Innendurchmesser von 50-80 µm und das mit einer kegelförmigen Öffnung versehene Ende der Sammelkapillare (4) einen Innendurchmesser von 100-160 µm aufweist.
  4. Mikrofluidischer Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zueinander gegenüberliegenden, mit einer kegelförmigen Öffnung versehenen Enden der Zuführungskapillare (3) und der Sammelkapillare (4) einen Abstand von 50-100 µm zueinander haben.
  5. Mikrofluidischer Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Gewindelochs (1-1) M8*1,0 beträgt; wobei der Lochdurchmesser des Dichtungslochs (1-2) 4,0 mm und der Lochdurchmesser des koaxial angeordneten Kapillarlochs (1-3) 1,5 mm beträgt.
  6. Mikrofluidischer Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Größe des Regellochs (1-4) M6 beträgt.
  7. Mikrofluidischer Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (6-1) ein Außengewinde aufweist, das mit dem Innengewinde des Gewindelochs (1-1) übereinstimmt; wobei die erste Trennhülse1 (6-2) und die zweite Trennhülse 2 (6-4) Abmessungen von 4,0×2,0 mm (Außendurchmesser×Innendurchmesser) aufweisen; und wobei der O-Einstellring (6-3) und der O-Einstellring (6-5) Abmessungen von 4,0×1,5 mm (Außendurchmesser×Innendurchmesser) aufweisen.
  8. Mikrofluidischer Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitseinlassöffnung (1-6) für die kontinuierliche Phase, die Flüssigkeitseinlassöffnung (1-7) für die Zwischenphase und die Flüssigkeitseinlassöffnung (2) für die dispergierte Phase an dem Chip in Kombination mit einer Schlauchpumpe, einer Spritzenpumpe oder einem Druckregler verwendet werden können, wodurch die Flüssigkeitsdurchflussrate jeder Phase gesteuert wird; wobei die Sammelöffnung (5) mit einer Lichthärtungsvorrichtung, einem Heizer oder einem kryogenen Gefriergerät verbunden werden kann, um die weitere Reaktionsverarbeitung für das Produkt - die Mikrotröpfchen - zu realisieren.
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