一种微通道内产生超小液滴的方法

摘要

本发明公开了一种微通道内产生超小液滴的方法，包括以下步骤：a、在第一片聚二甲基硅氧烷的表面形成微通道；b、将第一片聚二甲基硅氧烷与平整的第二片聚二甲基硅氧烷贴合在一起；c、将激光器垂直置于第二片聚二甲基硅氧烷一侧，激光器的激光发射端对准汽化核心；d、从油相和水相进流孔分别注入油液和水液，液体流入到汽化通道中；e、启动激光器，使激光器对汽化核心处加热形成气泡；f、持续注入水液和油液，气泡被液体推向冷凝通道；g、从冷凝通道右端设置的出液孔接取冷凝后的超小液滴。本发明采用激光器对汽化核心加热，由液体产生气泡，然后冷凝成超小液滴，这种方法对流体的物性没有特别要求，同时基于激光点热源加热还具有温控特性优越、气泡产生速率和大小可调、加工简单等特点。

权利要求

1.一种微通道内产生超小液滴的方法，其特征是包括以下步骤：

a、在硅片上制作出微流通道模具，同时在一块很薄的钢片上加工一个圆孔，该圆孔的直径小于微流通道的直径，将钢片盖在硅片模具表面，透过圆孔在微流通道模具上喷涂SiO2溶液，然后将配好的聚二甲基硅氧烷溶液倾倒在硅片上，再放在加热板上烘烤，烘烤完毕后，将烤硬的第一片聚二甲基硅氧烷(5)从硅片上撕下来，则在第一片聚二甲基硅氧烷(5)的表面形成微通道，该微通道包括两个油路进口通道(8a)、一个水路进口通道(8b)和一个汽化通道(8c)，该油路进口通道(8a)和水路进口通道(8b)的左端均设有进流孔(1a)与微流控芯片(1)外部相通，且该油路通道(8a)的右端和液滴进口通道(8b)的右端交汇在汽化通道(8c)的左端，两个所述油路进口通道(8a)对称设置在水路进口通道(8b)两侧，该水路进口通道(8b)的中心线与汽化通道(8c)的中心线在同一条直线上,通过加热烘烤后SiO2颗粒转贴到汽化通道(8c)内壁形成汽化核心(9)，该汽化通道(8c)的右端连接有冷凝通道(10)，且该冷凝通道(10)右端设有的出液孔(1b)与微流控芯片(1)外部相通；

b、将第一片聚二甲基硅氧烷(5)与平整的第二片聚二甲基硅氧烷(6)贴合在一起，使第一片聚二甲基硅氧烷(5)上的微通道朝向第二片聚二甲基硅氧烷(6)；

c、将激光器(2)垂直置于第二片聚二甲基硅氧烷(5)一侧，激光器(2)的激光发射端对准汽化核心(9)；

d、从水路进口通道(8b)左端设置的进流孔(1a)内注入需要形成超小液滴的液体，同时从油路进口通道(8a)左端设置的进流孔(1a)内注入油液；

e、启动激光器(2)，使激光器(2)对汽化核心(9)处加热形成气泡；

f、持续注入液体和油液，气泡被液体推动流向冷凝通道；

g、从冷凝通道(10)右端设置的出液孔(1b)接取冷凝后的超小液滴。

2.如权利要求1所述的一种微通道内产生超小液滴的方法，其特征是：所述冷凝通道(10)为蛇形通道。

3.如权利要求1所述的一种微通道内产生超小液滴的方法，其特征是：所述油路进口通道(8a)的中心线与液滴进口通道(8b)的中心线的夹角小于45°。

4.如权利要求1所述的一种微通道内产生超小液滴的方法，其特征是：在步骤b和步骤c之间插入步骤b1，在第一片聚二甲基硅氧烷(5)一侧设置高速摄影仪(3)和信号采集系统(4)，将高速摄影仪(3)对准微流控芯片，该高速摄影仪(3)与信号采集系统(4)相连，且该高速摄影仪(3)和激光器(2)分别位于微流控芯片两侧。

5.如权利要求1所述的一种微通道内产生超小液滴的方法，其特征是：在步骤c中，所述激光器(2)的激光发射端还连接有物镜(11)。

说明书

一种微通道内产生超小液滴的方法

技术领域

[0001] 本发明特别涉及一种微通道内产生超小液滴的方法。

背景技术

[0002] 近年来，微电子机械系统、生命科学和分析科学等学科相交叉所产生的新兴学科——生物微电子机械系统，又称微流控芯片、芯片实验室或微全分析系统发展迅速。其市场空间巨大，可广泛应用于生命科学、医学、化学、新药开发、食品和环境卫生监督等领域。微流控芯片是把一个传统的分析实验室功能微缩到一个小芯片上构建成化学或生物实验室，与传统分析方法相比，微流控芯片具有响应速度快；样品和试剂消耗量少；系统外部连接少；污染少，实行一次性使用；可以实时、原位、连续检测，并可在微环境下工作；可实现批量制造、降低成本等优点。因此，微流控芯片技术已引起人们的广发关注，成为了生物医学、化学分析等领域的研究热点。

[0003] 液滴式微流控芯片是微流控系统中的一个重要分支。以单个液滴为单位，在微通道内可以完成不同物质的生化反应以及医疗药物的配置等。与通常的连续相流动相比，采用单个分散液滴的形式具有反应所需试剂量更小，反应无污染，反应迅速，高通量，反应条件精确控制，可以同时开展多种试验的并行研究，成本更低等优势，是微米甚至纳米尺度下理想的微反应器。同时，基于液滴的微流控系统能够大大减小试验设备的尺寸，使整个设备系统更加紧凑。液滴研究已经在生物、化学、医学等领域得到了广泛的应用。目前液滴主要有四个研究方向，液滴形成、液滴合并、液滴分离和液滴融合。其中基于液滴的微流控系统最基本也最重要的功能就是产生大小一致、分散性好的液滴。

[0004] 因此本领域技术人员致力于开发一种能够产生超小液滴的方法。

发明内容

[0005] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够产生超小液滴的方法。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种微通道内产生超小液滴的方法，其特征是包括以下步骤：

[0007] a、在硅片上制作出微流通道模具，同时在一块很薄的钢片上加工一个圆孔，该圆孔的直径小于微流通道的直径，将钢片盖在硅片模具表面，透过圆孔在微流通道模具上喷涂SiO2溶液，然后将配好的聚二甲基硅氧烷溶液或倾倒在硅片上，再放在加热板上烘烤，烘烤完毕后，将烤硬的第一片聚二甲基硅氧烷从硅片上撕下来，则在第一片聚二甲基硅氧烷的表面形成微通道，该微通道包括两个油路进口通道、一个水路进口通道和一个汽化通道，该油路进口通道和水路进口通道的左端均设有进流孔与微流控芯片外部相通，且该油路通道的右端和水路进口通道的右端交汇在汽化通道的左端，两个所述油路进口通道对称设置在水路进口通道两侧，该水路进口通道的中心线与汽化通道的中心线在同一条直线上,通过加热烘烤的方式SiO2颗粒转贴到汽化通道内壁形成汽化核心，该汽化通道的右端连接有冷凝通道，且该冷凝通道右端设有的出液孔与微流控芯片外部相通；

[0008] b、将第一片聚二甲基硅氧烷与平整的第二片聚二甲基硅氧烷贴合在一起，使第一片聚二甲基硅氧烷上的微通道朝向第二片聚二甲基硅氧烷；

[0009] c、将激光器垂直置于第二片聚二甲基硅氧烷一侧，激光器的激光发射端对准汽化核心；

[0010] d、从水路进口通道左端设置的进流孔内注入需要形成超小液滴的液体，同时从油路进口通道左端设置的进流孔内注入油液；

[0011] e、启动激光器，使激光器对汽化核心处加热形成气泡；

[0012] f、持续注入液体和油液，气泡被液体推动流向冷凝通道；

[0013] g、从冷凝通道右端设置的出液孔接取冷凝后的超小液滴。

[0014] 采用本发明方法制备的超小液滴，微流控芯片材质具有为透明、不导热、无毒、不易燃等性质，在微通道内通过精细的加工创造局部粗糙表面，形成汽化核心，即人为创造汽化沸腾所需要的狭缝、空穴和凹坑等，将需要形成超小液滴的液体从水路进口通道左端设置的进流孔注入，同时从油路进口通道左端设置的进流孔内注入油液，通过调节油相和水相的流速，使三者在汽化通道内形成三道平行的液路。当表面经过处理形成一定的粗糙度以后，与平整的光滑表面相比，根据气泡动力学和成核理论，粗糙表面内的狭缝中的液体所受到的加热的影响比位在平直光滑面上同样数量的液体要多得多，其狭缝中的液体汽化所需要的能量更小。流体经过汽化核心时，用激光器照射汽化核心，汽化核心上的流体比光滑的壁面上的流体更容易沸腾汽化逃离形成气泡并进一步吸热长大。

[0015] 由于在气泡的两边，即水相的两边是同时并行流动的油相，那么当气泡长大发生膨胀的过程中会挤压两边的油相；反过来，与此同时，两边的油相也会对长大的气泡有一个剪切力的作用将气泡与前后的水相剪段并隔离开来；气泡表面由油相包裹着，在继续流动过程中热量散发会逐渐冷凝。由于微流控芯片微通道的宽度尺寸为微米级别，因此气泡直径也在微米量级。例如对于一个直径为100微米的气泡，根据公式V＝4πr3/3，其体积约为5.24×10-10L，本发明的微流控芯片环境为一个大气压，根据在一个大气压下，等质量的水蒸气冷凝成液体之后的体积比约为1800:1，因此直径为100微米的气泡冷凝成液体以后其体积约为2.91×10-13L，直径约为4微米左右。传统方法产生的液滴直径通常在十微米以上，本发明所提出的方法不仅可以产生几微米的液滴，当我们通过调节激光功率和两相流速控制产生气泡的大小甚至可以达到产生纳升级别的液滴。持续用激光加热，在该处连续形成气泡，长大，被两边的油相剪断。对单个气泡而言，当气泡长大以后，按照流体流动的方向，气泡前端的流体继续流动，速度大小不变，压力不变，而气泡后端的流体受到气泡的阻碍流速减小，压力增大，即单个气泡前后存在压力差，且由于流体是连续流动，因此气泡受到压力差驱动，上游来的流体会带走产生的气泡离开汽化核心进入到冷凝通道中，在冷凝通道的流动过程中冷凝，直至成超小液滴。

[0016] 只要激光持续加热，该过程将持续进行。该方法只有在具有汽化核心的地方才产生气泡，通过激光点热源加热的方法，可以灵活地控制欲产生气泡的位置，而没有激光点热源加热的地方不会产生气泡。通过改变激光功率和两相流速可以调节产生气泡的速率和大小也即是分别调控最后冷凝下来液滴的分散性和大小，调节过程简单方便、迅速灵敏。

[0017] 作为优选的，所述冷凝通道为蛇形通道。蛇形的冷凝通道能够在最小的空间内布置出最长的冷凝通道，提高气泡的冷凝时间，使气泡的冷凝过程更为彻底。

[0018] 作为优选的，所述油路进口通道的中心线与水路进口通道的中心线的夹角小于45°。当油路进口通道的中心线与液滴进口通道的中心线的夹角大于45°时，水路进口通道进入的液体会在油路进口通道进入的油液的剪切作用下形成一滴一滴的液滴，这个在汽化核心处形成气泡后由于没有后续的液体推动，将会在汽化核心处停留直至下个液滴来到形成气泡，从而导致无法调节两个气泡之间的距离。

[0019] 作为优选的，在步骤b和步骤c之间插入步骤b1，在第一片聚二甲基硅氧烷一侧设置高速摄影仪和信号采集系统，将高摄对准微流控芯片，该高摄与信号采集系统相连，通过信号采集系统对采集的微通道内的流动过程进行处理，且该高摄和激光器分别位于微流控芯片两侧。由于微通道尺寸较小，通过高摄能够更好的采集气泡长大直至冷凝成超小液滴过程的影像。

[0020] 作为优选的，在步骤c中，所述激光器的激光发射端还设置有物镜，能够更好的聚集激光光斑。

[0021] 本发明的有益效果是：本发明采用激光器对汽化核心加热，由液体产生气泡，然后冷凝成超小液滴，这种方法对流体的物性没有特别要求，同时基于激光点热源加热的方式还具有温控特性优越、气泡产生速率和大小可调、加工简单等特点。

附图说明

[0022] 图1是发明一具体实施方式的结构示意图。

[0023] 图2是图1中第一片聚二甲基硅氧烷微通道的结构示意图。

[0024] 图3是气泡核心处的剪切示意图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

[0026] 如图1所示，本实施例包括以下步骤：

[0027] a、在硅片上制作出微通道模具，同时在一块很薄的钢片上加工一个圆孔，该圆孔的直径小于微流通道的直径，将钢片盖在硅片模具表面，透过圆孔在微流通道模具上喷涂SiO2溶液，然后将配好的聚二甲基硅氧烷溶液倾倒在硅片上，再放在加热板上烘烤，烘烤完毕后，将烤硬的第一片聚二甲基硅氧烷5从硅片上撕下来，则在第一片聚二甲基硅氧烷5的表面形成微通道，该微通道包括两个油路进口通道8a、一个水路进口通道8b和一个汽化通道8c，该油路进口通道8a和水路进口通道8b的左端均设有进流孔1a与微流控芯片1外部相通，且该油路汽化通道8c的右端和水路进口通道8b的右端交汇在汽化通道8c的左端，两个所述油路进口通道8a对称设置在水路进口通道8b两侧，该油路进口通道8a的中心线与水路进口通道8b的中心线的夹角小于45°，该水路进口通道8b的中心线与汽化通道8c的中心线在同一条直线上,通过加热烘烤的方式SiO2颗粒转贴到汽化通道8c内壁形成汽化核心9，该汽化通道8c的右端连接有蛇形的冷凝通道10，且该冷凝通道10右端设有的出液孔1b与微流控芯片1外部相通；

[0028] b、将第一片聚二甲基硅氧烷5与平整的第二片聚二甲基硅氧烷6贴合在一起，使第一片聚二甲基硅氧烷5上的微通道朝向第二片聚二甲基硅氧烷6；

[0029] b1、在第一片聚二甲基硅氧烷5一侧设置高速摄影仪3和信号采集系统4，将高速摄影仪3对准微流控芯片，该高速摄影仪3与信号采集系统4相连，且该高速摄影仪3和激光器2分别位于微流控芯片1两侧；

[0030] c、将激光器2垂直置于第一片聚二甲基硅氧烷5一侧，该激光器2的激光发射端连接有物镜11，且该激光器2的激光发射端对准汽化核心9；

[0031] d、通过注射泵7从水路进口通道8b左端设置的进流孔1a内注入需要形成超小液滴的液体，同时从油路进口通道8a左端设置的进流孔1a内注入油液；

[0032] e、启动激光器2，使激光器2对汽化核心9处加热形成气泡；

[0033] f、持续注入液体和油液，气泡被液体推动流向冷凝通道；

[0034] g、从冷凝通道10右端设置的出液孔1b接取冷凝后的超小液滴。

[0035] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。