一种基于微管道的液滴生成方法与流程

1.本发明属于微液滴生成技术领域，具体涉及一种基于微管道的液滴生成方法。


背景技术：

2.液体微滴可控性生产对于生物化学反应、分离、乳化和喷墨打印等应用非常重要。已有的方法表明，管道几何形状和尺寸、流体粘度和界面张力是影响液滴生成的关键因素。挤压、滴落、喷射和流体互相穿线是目前液滴形成的主要四种方式。在生物化学反应中，微流控是应用最多的生产尺寸可控液滴的主要方法。微流控方法主要通过设计微流体通道的几何形状和两种液体的流速比，改变液滴形成的大小和速率。流动聚焦、t形或y形接头、同流入口等方法可以在高频下实现生产均匀的液滴尺寸。上述这些方式尽管可实现稳定、高效制备微液滴，但是还需要依赖于较为复杂的流体驱动装置和成本较高的微流控加工耗材，因此在试剂商业应用中，成本较高，且微流控耗材的加工稳定性很难保障。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提供了一种基于微管道的液滴的生成方法，通过传统的机械运动提高两种液体之间的剪切力，形成大小可控的液滴，实现批量生产微液滴，为基于微液滴的复杂生物化学反应提供坚实的基础。
4.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
5.一种基于微管道的液滴生成方法，包括：
6.1)将微管道加样装置的出液端与第二液体的液面相接触或插入到第二液体中；
7.其中，微管道加样装置为加样流速可控的液体添加装置，其出液端为微管道结构，装置内装有第一液体，具体可通过流体驱动设备如蠕动泵、注射泵等连接一端具有开口的微管道进行第一液体的添加，所述第一液体和第二液体为两种互不相容的液体。
8.2)控制微管道加样装置向第二液体注入第一液体，同时使第二液体与微管道加样装置的出液端产生相对运动。第一液体注入第二液体中时，确保盛有第二液体的容器处于运动状态。
9.上述，第二液体承装于开口容器中，其中开口容器可为单个储液容器或一维或二维排列的多个储液容器。
10.进一步的，步骤2)中微管道加样装置的出液端处于静止状态，通过带动第二液体运动使第二液体与微管道加样装置的出液端产生相对运动，由此产生剪切力使位于微管道开口处流出的第一液体脱离微管道，在第二液体中形成液滴；第二液体的运动方式包括上下或水平的往复运动、旋转运动、摇动等。上下或水平的往复运动、旋转运动、摇动为独立或联合地采用手动操作、手动移动平台操作或自动上下或水平移动平台操作的控制方式。
11.优选的，所述微管道加样装置的出液端选用开口大小为0.01微米至0.1毫米之间的单芯毛细管、多芯毛细管或阵列毛细管。
12.优选的，所述第一液体为水溶液，所述第二液体为与水不互溶的极性或非极性液
体，第一液体的密度大于第二液体；由于第一液体密度大于第二液体的密度，因此产生的液滴会逐渐沉降至第二液体承装容器的底部。
13.优选的，第二液体的运动幅度在10微米至5厘米之间，运动的频率在0.1赫兹至10000赫兹之间。
14.优选的，单一微管道出液端中第一液体的流速为0.01微升/秒到10微升/秒。
15.本发明具有以下优点：
16.本发明通过承装第二液体的容器运动，实现固定不动的微管道出液端流出的第一液体与容器中运动的第二液体相互剪切，克服第一液体在微通道出口的表面张力和对原有液体的附着力，使第一液体在微管道的开口处脱离原有流体进入第二液体，并在第二液体中形成大小可控的液滴。
17.本发明通过固定微管道出液端并使承装第二液体的容器运动，能够使微管道端生成的微液滴在第二液体底部平铺开来，降低了微液滴发生堆叠融合的概率。
18.本发明可以通过改变第一液体的流速、提高两种液体相对运动的速度增加两种不同液体的剪切效率及控制微管道的尺寸，快速生成大批量体积可控的微液滴。
19.本发明简单易行、易于实施，可以采用现行较容易实现的机械装置和加工简单、成本较低的微管道生成所需液滴。此外，本发明也可满足其他行业所需的微体积高通量筛选，如可以实现多步骤的超微量生化反应和检测，具有广阔的应用前景。
附图说明
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.图1为实施例1使用旋转式摇床生成液滴的示意图；(图1中标号名称：1、注射泵；2、第一液体；3、毛细管；4、第二储液器；5、第二液体；6：旋转摇床)
22.图2为实施例1不同第一液体流速下生成液滴大小的显微镜图；(旋转式摇床转速固定50rpm)
23.图3为实施例1旋转式摇床不同转速下生成液滴大小的显微镜图；(第一液体固定流速0.1μl/s)
24.图4为实施例2往复式摇床生成液滴的示意图；(图4中标号名称：1、注射泵；2、第一液体；3、毛细管；4、第二储液器；5、第二液体；6：往复式摇床)
25.图5为实施例2不同第一液体流速下生成液滴大小的显微镜图；(往复式摇床转速固定50rpm)
26.图6为实施例2往复式摇床不同转速下生成液滴大小的显微镜图；(第一液体固定流速0.1μl/s)
27.图7为实施例3采用旋转平台制备微液滴的示意图；(图7中标号名称：1、注射泵；2、第一液体；3、毛细管；4、第二储液器；5、第二液体；6：旋转平台)
28.图8为实施例3不同第一液体流速下生成液滴大小的显微镜图；(旋转平台转速固定200rpm)
29.图9为实施例3旋转平台不同转速下生成液滴大小的显微镜图；(第一液体固定流速0.1μl/s)
30.图10为液滴生成示意图。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.参照附图10所示，本发明提供了一种基于微管道的液滴生成方法，包括：
33.1)将微管道加样装置的出液端与第二液体的液面相接触或插入到第二液体中；
34.其中，微管道加样装置为加样流速可控的液体添加装置，其出液端为微管道结构；微管道加样装置的出液端选用开口大小为0.01微米至0.1毫米之间的单芯毛细管、多芯毛细管或阵列毛细管。
35.装置内装有第一液体，具体可通过流体驱动设备如蠕动泵、注射泵等连接一端具有开口的微管道进行第一液体的添加，第一液体和第二液体为两种互不相容的液体。第一液体为水溶液，第二液体为与水不互溶的极性或非极性液体，第一液体的密度大于第二液体；由于第一液体密度大于第二液体的密度，因此产生的液滴会逐渐沉降至第二液体承装容器的底部。
36.控制微管道加样装置向第二液体注入第一液体，同时使第二液体与微管道加样装置的出液端产生相对运动；微管道加样装置的出液端处于静止状态，通过带动第二液体运动使第二液体与微管道加样装置的出液端产生相对运动，由此产生剪切力使位于微管道开口处流出的第一液体脱离微管道，在第二液体中形成液滴，第一液体注入第二液体中时，确保盛有第二液体的容器处于运动状态。其中，第二液体的运动幅度在10微米至5厘米之间，运动的频率在0.1赫兹至10000赫兹之间。单一微管道出液端中第一液体的流速为0.01微升/秒到10微升/秒。
37.第二液体的运动方式包括上下或水平的往复运动、旋转运动、摇动等。上下或水平的往复运动、旋转运动、摇动为独立或联合地采用手动操作、手动移动平台操作或自动上下或水平移动平台操作的控制方式。
38.上述，第二液体承装于开口容器中，其中开口容器可为单个储液容器或一维或二维排列的多个储液容器。
39.实施例1
40.参照附图1所示，本实施例中液滴生成方法，包括如下步骤：
41.1)通过注射泵吸取10微升的第一液体，然后置于盛有第二液体容器的上方，毛细管出口处悬于第二液体上方；
42.2)启动摇床，摇床带动置于上面的盛有第二液体的容器同步运动；
43.3)将盛有第二液体的容器上方的吸有第一液体的毛细管垂直下降，使其出口端处于运动中的第二液体的界面或伸入液面下，同时至少离第二储液器4的底部5毫米以上；
44.4)启动注射泵，向第二容器内持续注射第一液体，当毛细管出口端流出第一液体
时，由于与第二液体不互溶，在表面张力的作用下在出口段形成液滴，与运动的第二液体产生剪切力，当达到一定体积后，在剪切力的作用下脱离毛细管出口端，进入第二液体，由于第一液体密度大于第二液体，脱离后的液体逐渐沉降于第二储液器4底部；如此循环，生成的液体逐渐在第二储液器4的底部排列；
45.5)当产生了所需量的液滴后，结束时先关闭注射泵，确保注射器中无第一液体流出后再把注射泵的毛细管端移出第二储液器4中的第二液体，然后再停止摇床摇动，取出第二容器，获得所需的液滴。
46.参照附图2所示，以上过程中，当摇床速度不变时(摇床速度为50rpm)，获得液滴的大小随毛细管内的第一液体的流速大小的变化成正比，流速越快，颗粒越大。
47.参照附图3所示，以上操作中当毛细管中第一液体的流速不变时(流速为0.1μl/s)，获得液滴的大小随摇床带动的第二液体的运动速度大小的变化密切相关，第二液体的运动速度越快，颗粒越小。
48.实施例2
49.参照附图4所示，本实施例中液滴生成方法与实施例1基本相同，区别之处仅在于，带动盛有第二液体容器运动的摇床为往复式摇床。
50.参照附图5所示，以上过程中，往复式摇床速度不变时(往复式摇床速度为50rpm)，获得液滴的大小随毛细管内的第一液体的流速大小的变化成正比，流速越快，颗粒越大。
51.参照附图6所示，以上操作中当毛细管中第一液体的流速不变时(流速为0.1μl/s)，获得液滴的大小随摇床带动的第二液体的运动速度大小的变化密切相关，第二液体的运动速度越快，颗粒越小。
52.实施例3
53.参照附图7所示，本实施例中液滴生成方法与实施例1基本相同，区别之处仅在于，带动盛有第二液体容器运动的平台为旋转平台，第二液体随着平台做圆周运动。
54.参照附图8所示，以上过程中，旋转平台速度不变时(旋转平台速度为200rpm)，获得液滴的大小随毛细管内的第一液体的流速大小的变化成正比，流速越快，颗粒越大。
55.参照附图9所示，以上操作中当毛细管中第一液体的流速不变时(流速为0.1μl/s)，获得液滴的大小随摇床带动的第二液体的运动速度大小的变化密切相关，第二液体的转动速度越快，颗粒越小。
56.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。