一种旋转式液滴生成器
阅读说明：本技术 一种旋转式液滴生成器 (Rotary liquid drop generator ) 是由 张传闻 朱丽 王蒙 于 2021-09-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种旋转式液滴生成器,主要由步进电机、曲柄连杆结构、连有玻璃毛细管或金属针头的微流控芯片、收集器皿组成；连有玻璃毛细管或金属针头的微流控芯片固定在曲柄连杆结构上,通过步进电机的驱动使玻璃毛细管或金属针头的尖端在外相液体表面做圆周运动,通过对转速的控制来制备不同尺寸的微液滴；通过加装不同的微流控芯片生成不同组分的液滴。本发明区别于传统液滴制备的方式,无外相的流体注入,不仅可以实现油包水,水包油这类单液滴的制备,同时也可用于复杂多组分液滴的制备。(The invention discloses a rotary type liquid drop generator which mainly comprises a stepping motor, a crank connecting rod structure, a micro-fluidic chip connected with a glass capillary or a metal needle head and a collecting vessel, wherein the micro-fluidic chip is connected with the glass capillary or the metal needle head; the micro-fluidic chip connected with the glass capillary or the metal needle is fixed on the crank connecting rod structure, the tip of the glass capillary or the metal needle is driven by the stepping motor to do circular motion on the surface of the external phase liquid, and micro-droplets with different sizes are prepared by controlling the rotating speed; different micro-fluidic chips are additionally arranged to generate liquid drops with different components. The method is different from the traditional droplet preparation mode, has no external phase fluid injection, can realize the preparation of single droplets such as water-in-oil and oil-in-water, and can also be used for the preparation of complex multi-component droplets.)
技术领域
本发明涉及微流控技术，特别是一种旋转式液滴生成器。
背景技术
液滴微流控系统是近年来微流控芯片技术的一个重要分支，是一种新的操控微小体积液体的技术，液滴微流控技术即微流控芯片中具有两种及以上互不相溶的液体，比如水相和油相，通过液滴生成手段，被赋予分散相和连续相的流体，分散相以微小体积单元的液滴形式分散于连续相之中，是一种结构简单、高通量的微纳流体操控方式。
微流控芯片作为一类制备微液滴的平台，生成的液滴尺寸可控、扩散性低、生成速度快、不易交叉污染，适合进行高通量分析。根据是否借助外力驱动，基于微流控芯片的液滴生成方法一般可分为主动法和被动法两类。主动法常用方式包括电湿润法、气动法、热驱动法等，其原理是借助外力作用在液体两端产生压差，并利用液体在微流道交叉口处的剪切力和表面张力差形成液滴。被动法利用流体流动的剪切力和界面张力，通过微管道结构及调节连续相和分散相的流速值及比例来生成液滴，主要包括T型通道法、流动聚焦法和共轴聚焦法等芯片结构形式。其中,T型通道法芯片只有两个入口，是液滴微流控芯片中最简单的结构。流动聚焦法的十字交叉结构可视为是两个T型结构的结合，中间通道为连续相流体，两侧通道为分散相流体。虽然主动法可根据需要对单个液滴进行控制，在液滴的可操控性方面存在很大优势，但主动法系统相对复杂，对芯片加工的要求较高，增加了实验的难度及成本。被动法系统相对简单，操作方便，适合单纯需要大量快速生成液滴的场合，但被动法对液滴的可控性很差，无法对液滴进行主动控制。
当生成复杂多组分微液滴时，外相流量往往要达到内相的几十倍或者上百倍才能生成液滴，且外相只能在固定流量下才能生成合适的液滴尺寸。这也造成了连续相流体的巨大耗损。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本，快速稳定的旋转式液滴生成装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种旋转式液滴生成器，主要由步进电机、曲柄连杆结构、连有玻璃毛细管或金属针头的微流控芯片、收集器皿组成；连有玻璃毛细管或金属针头的微流控芯片固定在曲柄连杆结构上，通过步进电机的驱动使玻璃毛细管或金属针头的尖端在外相液体表面做圆周运动，通过对转速的控制来制备不同尺寸的微液滴；通过加装不同的微流控芯片生成不同组分的液滴。
进一步的，所述的曲柄连杆结构带动微流控芯片整体做匀速圆周运动。
进一步的，所述的步进电机为两个相同规格的步进电机，两个步进电机分别与两个曲柄相连。
进一步的，所述的两个步进电机连接在同一个驱动控制器上，保证两个电机的转动的同步性。
进一步的，连续相流体由玻璃毛细管或金属针头中流出，外相液体盛放在收集器皿中，玻璃毛细管或金属针头在连杆结构的带动下在外相液体中做圆周运动，在外相液体的剪切作用下生成液滴。
进一步的，所述的微流控芯片采用PDMS材料。
进一步的，所述的曲柄连杆结构采用铝合金材料加工而成。
进一步的，玻璃毛细管尖端刚好浸入收集器皿表面油相。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
(1)本发明旋转式液滴生成器设计合理、结构简单、成本低廉。
(2)本发明利用两个相同规格的步进电机与同一个步进电机驱动控制器相连，一方面能够很好的控制电机的转速，另一方面能够很高的保证圆周运动的平稳性，同时也能很好的解决曲柄连杆结构死点问题。
(3)与传统微流芯片制备液滴相比，旋转式液滴生成器无外相注入，一定程度上降低了生成液滴要求，节约了成本。
(4)与传统微流控芯片相比，旋转式液滴生成器直接将连续相液体通入开放式的外相液体中，省去了外相液体通道，在一定程度上减小了微流控芯片的复杂程度，降低了微流控芯片发生堵塞的情况。
(5)旋转式液滴生成器不仅可以实现油包水，水包油型液滴的生成，通过加装不同的微流控芯片，可以制备不同的多组分液滴。
附图说明
图1是本发明实施例中的曲柄示意图。
图2是本发明实施例中的连杆示意图。
图3是本发明实施例中的整体装配示意图。
图4是本发明实施例中的液滴生成过程示意图。
图5是本发明实施例中的微通道示意图。
图6是本发明实施例中的微流控芯片意图。
具体实施方式
本发明提出一种旋转式液滴生成装置，在传统微流控芯片的基础上，通过连杆结构让整个微流控芯片做圆周运动，尖端在外相液体的剪切作用下生成液滴。由于这种液滴生成方式无外相的注入，在很大程度上也降低了生成液滴的要求。
如图1～图3所示，旋转式液滴生成器主要由两个步进电机1、曲柄连杆结构5、6、带有玻璃毛细管4或金属针头的微流控芯片2、收集器皿3组成；将连有玻璃毛细管4或金属针头的微流控芯片2固定在连杆结构5、6、上，通过步进电机1的驱动使玻璃毛细管或金属针头的尖端在外相液体表面做圆周运动，通过对转速的控制来制备不同尺寸的微液滴,转速越快，生成液滴尺寸越小，反之生成液滴尺寸越大；通过加装不同的微流控芯片生成不同组分的液滴。
所述的连杆结构5、6可以带动微流控芯片整体做匀速圆周运动，有效的避免了注射管的缠绕。
所述的步进电机1为两个相同规格的步进电机，首先步进电机转动稳定，能够很好的控制转速，其次两个步进电机分别与两个曲柄相连，两个曲柄都是主动件，无从动件，能够很好的渡过连杆结构的死点位置，最后这两个步进电机连接在同一个驱动控制器上，可以保证两个电机的转动的同步性。
将微流控芯片固定在连杆结构上，这样整个微流控芯片就可以做匀速的圆周运动。
所述的旋转式液滴生成器与传统微流控芯片相比，连续相流体由玻璃毛细管或金属针头中流出，外相液体盛放在收集器皿中，玻璃毛细管或金属针头在连杆结构的带动下在外相液体中做圆周运动，在外相液体的剪切作用下生成液滴，省去了相流体注入，通过加装不同的微流控芯片生成不同组分的液滴。
本发明提出的新型旋转式的液滴生成方式，相较于现有旋转式的液滴生成方式，解决了旋转式液滴生成过程中连续相无法连续注入的问题。这种液滴生成方式无外相的注入，通过控制电机的转速来控制液滴的生成，同时这种液滴生成方式也一定程度上降低了生成液滴要求。本发明不仅可以实现油包水(W/O)，水包油(O/W)型液滴的生成，而且可以制备一些复杂的多组分液滴。
通过连杆结构带动玻璃毛细管或金属针头的尖端在外相液体表面做圆周运动，在外相液体的剪切作用下生成液滴。
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
实施例1
一种旋转式液滴生成装置，其结构主要由步进电机1、步进电机驱动控制器、曲柄连杆结构5、6、带有玻璃毛细管4或金属针头的微流控芯片2组成。
将内相液体通入到微流控芯片2中，再由玻璃毛细管4或金属针头流出，玻璃毛细管或金属针头的尖端与外相液体表面接触，通过曲柄连杆结构5、6使带有玻璃毛细管4或金属针头的微流控芯片2做圆周运动，在外相液体的剪切作用下，生成均匀液滴。通过调节步进电机1的转速来控制生成液滴的大小。
结合图1，本发明设计并制作出曲柄的具体模型。要充分考虑曲柄与步进电机和图2连杆结构的连接问题，设计出合适的孔径和孔距。图2是连杆结构的具体模型，要充分考虑连杆与图1曲柄的连接问题，同时也要设计一个平面，便于微流控芯片的安装。
结合图3，第一步对玻璃毛细管进行拉针处理。拉针仪将玻璃毛细管拉成微针，用陶瓷片割去尖端多余的部分，再用陶瓷片将断口磨平至平整，将玻璃毛细管进行锻针处理，其目的是将断口锻至合适的大小。第二步对玻璃毛细管进行亲水或疏水处理。第三步将经过亲水或疏水化处理的玻璃毛细管或金属针头连接到微通道上，然后将整个微流控芯片固定在栏杆结构上，调节收集器皿的高度或者增减收集器皿3中的油液使针尖刚好没过油液表面。
结合图4，当液体到达玻璃毛细管4或金属针头时，打开开关，连杆结构5带动整个微流控芯片做匀速圆周运动，此时玻璃毛细管流出的液体在外相液体的剪切作用下生成液滴，且这些液滴在收集器皿3中成环形排布。在制备复杂多组分液滴时，可以通过对电机转速的控制来实现对复杂多组分液滴的精确包裹。
实施例2
本实施例提出一种旋转式液滴生成器，以制作油包水型液滴制备芯片为例。
(1)结合图1、2，整个曲柄连杆结构采用铝合金材料加工而成，轻量化的同时也保证曲柄连杆结构的刚性。首先将曲柄和连杆结构用螺母固定在一起，再用螺栓将曲柄固定再步进电机的上。
(2)将外径为1.3mm，内径为1mm玻璃毛细管固定拉针仪上，得到微针，用陶瓷割片截取部分，再利用陶瓷片的平面将断口磨平，用清水洗去多余的白色粉末，然后放在显微镜下观察断口处是否平整，若不平整则需要继续磨平处理，下一步锻针处理。利用锻针仪将玻璃毛细管将断口锻至300μm。然后对玻璃毛细管尖端进行疏水处理。
(3)微流控芯片采用的是PDMS材料，利用浇筑的方法制备一个1.3mm的圆形微通道。然后将经过疏水化处理的玻璃毛细管插入微流控芯片中，另一端与特氟龙管连接。最后将整个微流控芯片固定到连杆结构上。
(4)在收集器皿中加入适量的油，调节收集器皿的高度或者增减收集器皿中的油相，使插入微流控芯片的玻璃毛细管尖端刚好浸入表面油相。
(5)超纯水作为分散相，由注射泵通入微流控芯片中，打开电机转动开关，此时玻璃毛细管尖端就会在油相表面做匀速圆周运动，分散相在油的粘性力作用用下发生扭曲，当粘性力大于界面张力是发生断裂，生成微液滴。
实施例3
本实施例提出一种旋转式液滴生成器，以制作双核液滴为例。
(1)步骤1、2同实施例1。
(2)利用PDMS浇筑出一个十字形微通道，其中有一个通道直径为1.3mm，其余均为1mm，如图5。然后将经过疏水化处理的玻璃毛细管插入1.3mm通道中，与之垂直的两个通道中插入特氟龙管，最后一个通道插入两根外径为0.45mm内径为0.24的针头，如图6。然后将整个微流控芯片固定在连杆结构上。
(3)分别将油染成红、蓝两种颜色作为内相，水溶液(加入适量的增稠剂)作为中间相，没有染色的油作为外相。调节收集器皿，使油液刚好没过尖端。
用注射泵将液体通入微流控芯片中，调节注射泵流量，稳定生成红蓝相间的液滴，再调节转速稳定生成双核液滴。
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