阅读说明：本技术 一种微阵列型乳液制备微流控芯片 (Micro-fluidic chip prepared from micro-array type emulsion ) 是由 赵远锦 高崴 王月桐 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种微阵列型乳液制备微流控芯片,包括上盖板和微通道阵列底板,上盖板具有连通至微通道阵列底板的两个进液孔,分别为离散相进口和连续相进口；微通道阵列底板内包含蛇形微通道阵列,蛇形微通道阵列为蛇形闭合结构,蛇形闭合结构内侧围成区域为梯度离散相微通道；所述微通道阵列底板在蛇形微通道阵列周围设有凸台,所述凸台与蛇形微通道阵列之间具有间隔区域,为梯度连续相微通道。蛇形微通道阵列由微通道阵列组成,离散相从梯度离散相微通道通过微通道阵列向梯度连续相微通道乳化,高通量生成单乳液；梯度连续相微通道的另一端为单乳液出口。本发明可优化流体分布,实现在单位时间对单乳液生成数量的控制,获得不同尺寸的单乳液。(The invention relates to a micro-fluidic chip for preparing micro-array type emulsion, which comprises an upper cover plate and a micro-channel array bottom plate, wherein the upper cover plate is provided with two liquid inlet holes communicated to the micro-channel array bottom plate, and the two liquid inlet holes are a discrete phase inlet and a continuous phase inlet respectively; the micro-channel array bottom plate comprises a snake-shaped micro-channel array which is a snake-shaped closed structure, and the inner side of the snake-shaped closed structure is enclosed into a region which is a gradient discrete phase micro-channel; the micro-channel array bottom plate is provided with bosses around the snake-shaped micro-channel array, and a spacing area is arranged between the bosses and the snake-shaped micro-channel array and is a gradient continuous phase micro-channel. The snake-shaped micro-channel array consists of a micro-channel array, the discrete phase is emulsified from the gradient discrete phase micro-channel to the gradient continuous phase micro-channel through the micro-channel array, and single emulsion is generated at high flux; the other end of the gradient continuous phase micro-channel is a single emulsion outlet. The invention can optimize the fluid distribution, realize the control of the generation amount of the single emulsion in unit time and obtain the single emulsions with different sizes.)

一种微阵列型乳液制备微流控芯片

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，具体涉及一种微阵列型乳液制备微流控芯片。

背景技术

传统的单相连续流微通道中，流体输运存在着不可避免的问题：(1)流体抛物线流动引起试剂泰勒分散，导致溶质在通道中不均匀分布；(2)溶质不独立，存在轴向及径向扩散问题；(3)溶质吸附在通道壁面，产生试剂损失和交叉污染。单乳液是离散相以小液滴形式分布在连续相中的两相流体体系，其单乳液微液滴占据空间小，反应体积少，可有效减小试剂消耗；液滴大小可控，反应时间可调，能加速物质之间的混合与反应速度；反应物质封装在微液滴内部，形成独立的微反应器，可减少试剂间的交叉污染以及试剂对通道壁面的污染。正由于这些优势，单乳液两相流可以解决传统单相连续流中存在的固有问题，受到了越来越多的关注，被广泛应用于生物医学、能源环境、化学材料等领域中，其应用场景越来越丰富并处于高速发展阶段。

传统的单乳液大批量制备方式有机械搅拌法和膜乳化法，但是，由于工艺技术的限制，制备的单乳液单分散性较差，试剂消耗大。为提高单乳液的单分散性，同时减少试剂消耗，可实现流体精确操控的微流控技术被引入单乳液制备工艺中。尽管微流控方法解决了单分散性的问题，但由于微通道中的流体流量小，流体每小时的注射量仅几毫升到几十毫升，导致液滴乳化过程较慢(一次一滴)，严重制约了单乳液的大批量制备。因此，基于微流控技术的乳液高通量制备方法受到了广泛的关注及研究。

受喇叭状渐括结构产生连续梯度压力以及高度梯度结构产生突变压力的启发，本发明设计了一种具有以喇叭状微通道为基本单元构造的蛇形微通道阵列以及梯度连续相和离散相微通道特征的乳液制备微流控芯片。喇叭状微通道单元以及梯度连续相和离散相微通道可产生压力梯度，在雷诺-瑞利不稳定性作用下促进微通道处单乳液的均匀乳化。此外，将喇叭状微通道单元通过连续分布构建蛇形微通道阵列，该蛇形微通道阵列可优化流体分布，并且提高分布在梯度离散相微通道和梯度连续相微通道间的喇叭状微通道单元数量，使得单乳液在多个微通道中并行乳化，以此提高单乳液的产量，达到乳液高通量制备的目的。

发明内容

本发明的目的是针对单乳液制备过程中存在的乳液单分散性低、制备效率低下的问题，而提供了一种以喇叭状微通道为基本单元构造的蛇形微通道阵列以及梯度连续相和离散相微通道特征的乳液制备微流控芯片。

喇叭状微通道单元以及梯度连续相和离散相微通道可产生压力梯度，在雷诺-瑞利不稳定性作用下促进微通道处单乳液的均匀乳化。蛇形微通道阵列可优化流体分布，并且提高分布在梯度离散相微通道和梯度连续相微通道间的喇叭状微通道单元数量，使得单乳液在多个微通道中并行乳化，以此提高单乳液的产量，达到乳液高通量制备的目的。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种微阵列型乳液制备微流控芯片，包括上盖板和微通道阵列底板，所述的上盖板具有连通至微通道阵列底板的两个进液孔，分别为离散相进口和连续相进口；所述的微通道阵列底板内包含蛇形微通道阵列，所述的蛇形微通道阵列为蛇形闭合结构，蛇形闭合结构内侧围成区域为梯度离散相微通道；所述微通道阵列底板在蛇形微通道阵列周围设有凸台，所述凸台与蛇形微通道阵列之间具有间隔区域，为梯度连续相微通道；所述梯度离散相微通道的一端具有离散相进液通道，所述的离散相进液通道的端部与上盖板离散相进口的位置相应；所述的梯度连续相微通道一端具有连续相进液通道，所述的连续相进液通道的端部与上盖板连续相进口的位置相应；所述的蛇形微通道阵列由微通道阵列组成，离散相从梯度离散相微通道通过微通道阵列向梯度连续相微通道乳化，高通量生成单乳液；所述的梯度连续相微通道的另一端为单乳液出口，所述的单乳液出口穿过微通道阵列底板凸台，用于导出生成的单乳液。

所述的蛇形微通道阵列以微通道阵列为基本单元，通过连续分布构建；所述的微通道阵列的组成结构包括相邻排列的楔形凸起及楔形凸起之间的喇叭状微通道，所述的喇叭状微通道连通梯度离散相微通道和梯度连续相微通道。

所述的喇叭状微通道两端为喇叭状结构，包括上端正置喇叭口和下端倒置喇叭口，所述正置喇叭口和倒置喇叭口之间通过连接微通道相连。

所述的梯度离散相微通道和所述的梯度连续相微通道的深度H相同，其中，150μm≤H≤300μm。

所述的梯度离散相微通道和所述的梯度连续相微通道的深度H大于所述微通道阵列中喇叭状微通道的深度。

所述喇叭状微通道的喇叭状结构的扩散角度为30°≤θ≤90°。

所述喇叭状微通道的深度20μm≤h≤60μm，宽度20μm≤w≤60μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明公开了一种微阵列型乳液制备微流控芯片，该微流控芯片在运行过程中，离散相流体进入并充满离散相微通道，受喇叭状微通道中的连续梯度压力和梯度连续相微流控通道中的高度梯度突变压力作用，在喇叭状微通道与梯度连续相微通道相接处乳化成单乳液，最后在连续相流体作用下自微流控芯片出口(单乳液出口)流出。通过连续周期性分布喇叭状微通道，构建蛇形微通道阵列，可优化流体分布；通过调整分布在所述梯度离散相微通道和梯度连续相微通道间的喇叭状微通道数量，可实现在单位时间对单乳液生成数量的控制。此外，制备的单乳液尺寸仅与通道尺寸参数相关，因此，仅需调控通道尺寸便可获得不同尺寸的单乳液，其单分散性取决于喇叭状微通道单元的尺寸。

附图说明

图1一种微阵列型乳液制备微流控芯片结构图。

图2微阵列型乳液制备微流控芯片上盖板结构图。

图3微阵列型乳液制备微流控芯片微通道阵列底板结构图。

图4微阵列型乳液制备微流控芯片微通道阵列底板平面图。

图5微通道阵列局部结构图。

图6喇叭状微通道阵列局部结构图。

图7喇叭状微通道平面图。

图中：1-上盖板；2-离散相进口；3-连续相进口；4-微通道阵列底板；5-梯度连续相微通道；6-梯度离散相微通道；7-蛇形微通道阵列；8-单乳液出口；9-楔形凸起；10-喇叭状微通道；11-正置喇叭口；12-连接微通道；13-倒置喇叭口；14-凸台，15-连续相进液通道，16-离散相进液通道。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种微阵列型乳液制备微流控芯片，包括上盖板1和微通道阵列底板4，所述的上盖板1具有连通至微通道阵列底板4的两个进液孔，分别为离散相进口2和连续相进口3；所述的微通道阵列底板4内包含蛇形微通道阵列7，所述的蛇形微通道阵列7为蛇形闭合结构，蛇形闭合结构内侧围成区域为梯度离散相微通道6；所述微通道阵列底板4在蛇形微通道阵列7周围设有凸台14，所述凸台14与蛇形微通道阵列7之间具有间隔区域，为梯度连续相微通道5；所述梯度离散相微通道6的一端具有离散相进液通道16，所述的离散相进液通道16的端部与上盖板1离散相进口2的位置相应；所述的梯度连续相微通道5一端具有连续相进液通道15，所述的连续相进液通道15的端部与上盖板1连续相进口3的位置相应；所述的蛇形微通道阵列7由微通道阵列组成，离散相从梯度离散相微通道6通过微通道阵列向梯度连续相微通道5乳化，高通量生成单乳液；所述的梯度连续相微通道5的另一端为单乳液出口8，所述的单乳液出口8穿过微通道阵列底板凸台14，用于导出生成的单乳液。

所述的蛇形微通道阵列7以微通道阵列为基本单元，通过连续分布构建；所述的微通道阵列的组成结构包括相邻排列的楔形凸起9及楔形凸起9之间的喇叭状微通道10，所述的喇叭状微通道10连通梯度离散相微通道6和梯度连续相微通道5。

所述的喇叭状微通道10两端为喇叭状结构，包括上端正置喇叭口11和下端倒置喇叭口13，所述正置喇叭口11和倒置喇叭口13之间通过连接微通道12相连。

所述的梯度离散相微通道6和所述的梯度连续相微通道5的深度H相同，其中，150μm≤H≤300μm。

所述的梯度离散相微通道6和所述的梯度连续相微通道5的深度H大于所述微通道阵列中喇叭状微通道10的深度。

所述喇叭状微通道10的喇叭状结构的扩散角度为30°≤θ≤90°。

所述喇叭状微通道10的深度20μm≤h≤60μm，宽度20μm≤w≤60μm。

通过连续周期性分布所述的喇叭状微通道10，构建出所述的蛇形微通道阵列7。所述的蛇形微通道阵列7分布在所述的梯度离散相微通道6和所述的梯度连续相之间，通过高度梯度构建突变压力梯度。所述的蛇形微通道阵列7可优化流体分布，并且提高分布在所述梯度离散相微通道6和梯度连续相微通道5间的喇叭状微通道10数量，实现在单位时间对单乳液生成数量的控制。

单乳液生成过程中，当液滴处于稳定状态时，其内部压力分布满足P_i＝P₀+γC，其中，P_i为离散相压力，P₀为连续相压力，γ为界面张力系数，C为曲率。在准稳态条件下，流动引起的压力变化是可以忽略的，此时，P_i，P₀以及γ均为常量。那么，对液滴尺寸产生影响的只有曲率C，其中，C＝f(α,w,h,H)。由此可以看出，只需控制并保持通道参数的一致性，就能制备出大小均一的单乳液。所述的微阵列型乳液制备微流控芯片所制备的单乳液尺寸仅与通道尺寸参数相关，因此，仅需调控通道尺寸便可获得不同尺寸的单乳液，其单分散性取决于喇叭状微通道10单元的尺寸。

所述的微阵列型乳液制备微流控芯片可通过对微通道浸润性进行修饰后制备油包水单乳液和水包油单乳液。其中，制备油包水单乳液需对喇叭状微通道10阵列和梯度离散相微通道6和梯度连续相微通道5疏水处理；制备水包油单乳液需对喇叭状微通道10阵列和梯度离散相微通道6和梯度连续相微通道5亲水处理。其中，可用氨基硅烷、羧基硅烷对微通道进行亲水处理，可用氟硅烷对通道进行疏水处理。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。