一种产生微液滴的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种生成液滴的方法，特别涉及一种高通量(可以多达1000通道)，快速生成IpL-1OOnL,的单分散液滴的方法。
【背景技术】
[0002]液滴技术是一种重要的技术手段。它可以将生物、化学反应分割成数量众多的微小体系，每个小体系中进行不同的反应，从而获得宏观大的反应体系所不能的优势。
[0003]现有的液滴产生技术主要分为三种，一种是利用微流控芯片类装置产生液滴，其主要是在微小的流体管路中，将互不相容的液体分散成均匀的液滴，但是其装置比较复杂需要不同的压力源同时驱动油相和水相；并且需要特殊训练的人员才能操作。第二种是喷雾类装置，其主要是利用高压压迫流体经过喷头分散成大量的液滴，但是其产生液滴的速率过快，不能有效控制液滴的分散程度，并且对于形成液滴的液体要求比较严格，会损害液体中的生物样品，不利于生物化学实验。第三类是毛细管类液体控制装置，其主要是在一定的流速下，在毛细管的头部产生液滴，并且通过一定的步骤转移到需要的位置或液体，但是其并不能有效控制液滴的直径和产生速率，不能产生比较小的，比如IpL-1OOnL的均匀液滴。现有技术一般操作复杂，不能够高通量生产或者不能够产生IpL-1OOnL的均匀液滴。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术的不足，提出了一种简单的液滴产生方法，利用压力驱动一种液体通过一个比较小的孔或者接口进入另一种液体，同时化学修饰孔或者接口的部分，并且使其产生相对运动。
[0005]本发明提供一种液滴的产生装置，其特征在于:包括第一液相，第二液相，驱动装置，喷射装置，压力装置；其中，第一液相和第二液相互不相容；压力装置使得第一液相通过喷射装置的出口进入第二液相，喷射装置的出口与第二液相接触；所述喷射装置的出口的内径为1-200 μπι;所述第一液相在所述喷射装置的出口部分表面的接触角大于等于90度，所述第二液相在喷射装置的出口部门材料表面的接触角小于90度；驱动装置使得喷头和第二液相产生相对运动，产生液滴；所述液滴体积为lpL-100nL。
[0006]本发明提供一种产生微液滴的方法，其特征在于:包括第一液相，第二液相，驱动装置，喷射装置，压力装置；其中，第一液相和第二液相互不相容；压力装置使得第一液相通过喷头进入第二液相；所述喷射装置的出口的内径为1-200 μm ;所述第一液相在所述喷射装置的出口部分材料表面的接触角大于等于90度，所述第二液相在喷射装置的出口部门材料表面的接触角小于90度；驱动装置使得喷头和第二液相产生相对运动，产生液滴；所述液滴体积为lpL-100nL。
[0007]根据本发明的优选实施例，所述喷射装置为前端有开口的管状物或锥状物；优选出口处内径为1-200 μ m的毛细管，所述喷射装置的出口优选为圆孔或者多边形孔。常见的比如毛细管也被称之为毛细针或针。
[0008]根据本发明的另一优选实施例，所述喷射装置的材料为无机材料、有机材料或复合材料。无机材料为玻璃，石英，陶瓷，金属中的一种。有机材料为聚苯乙烯，聚醚醚酮，聚醋高分子材料中的一种。复合材料是一种或多种所述有机材料和/或无机材料的混合物。
[0009]根据本发明的另一优选实施例，所述喷射装置的全部或者仅出口部分经过疏水和/或亲水修饰；表面处理的方法有:直接覆涂，化学反应修饰，化学沉积等。
[0010]根据本发明的另一优选实施例，所述喷射装置为一个，或者为2-1000个。
[0011]根据本发明的另一优选实施例，所述第一液相为水、C1-C5的醇，C1-C5的烷烃，C1-C5的酮，C1-C5的有机羧酸，C1-C5取代的烷基胺，或其中两种或多种互溶物质组成的互溶液。
[0012]根据本发明的另一优选实施例，所述第一液相为混合物，优选细胞培养液、水包油乳液。
[0013]根据本发明的另一优选实施例，所述相对运动是匀速运动或者非匀速运动。
[0014]根据本发明的另一优选实施例，所述喷射装置的出口的内径为5-100 μπι，优选10-50 μ m ;所述液滴体积为 10PL-10nL，优选 100PL_lnL。
[0015]根据本发明的另一优选实施例，压力装置为能提供压力的装置，所述压力装置为可以为气压控制装置、注射泵控制装置或者注射器控制装置。
[0016]更进一步，本发明所述的液滴产生方法还可以包括第三液相，将已经产生液滴的第二液相作为新的原料液，将其通过喷头再次喷入第三液相，就可以产生内部为第一液相，外层为第二液相的有“核”的液滴。例如将水包油形式的含有液滴的乳液作为第一液相，可以产生多层核结构的液滴。
[0017]喷射装置的表面处理，依据喷射装置材料的选取和收集介质(第二液相)的选取可以选择不处理或处理成与收集介质相亲和的表面，可为疏水或亲水。表面处理的方法有:直接覆涂，化学反应修饰，化学沉积等。
[0018]驱动装置的作用是使得形成于喷射装置出口位置的液滴和第二液相产生相对运动，其可以直接用手作为驱动装置，摇动喷射装置，或者可以为偏心转子的振动器(如电动牙刷)，偏心轴原理的混勾仪(如eppendorf混勾仪)，电磁驱动的震荡装置(如var1mag混匀器)。
[0019]喷射装置的作用是使得第一液相进入第二液相，并产生微小的液滴，在相对运动的作用下，微小液滴从喷射装置的出口位置脱离，形成液滴。只要能够将第一液相转移到第二液滴的装置都可以作为喷射装置。喷射装置的出口的内径为1-200 μπι;内径太小会使得流体的阻力比较大，内径太大则不能形成小体积，IpL-1OOnL的液滴。
[0020]压力装置使得第一液相通过喷射装置的出口部分进入第二液相；压力装置的压力是根据液体的种类和喷射装置的流体阻力控制的，其并无特殊的要求；具体工作的时候，只需要使得第一液相进入第二液相即可。
[0021]喷射装置的数目可以根据具体的需要设定，例如可以将一根或者多根毛细管作为喷射装置，多个喷射装置的排列可以是四方或六方，并在多个收集容器中运动可使液滴收集在分立的容器里。多跟针也可以捆成一束，在同一个收集容器里收集。
[0022]喷射装置的运动轨迹在水平面上的投影可以为圆形，形成均匀的投影使得喷射装置具有比较均匀的角速度，从而使得产生的液滴比较均匀。圆形的半径小于收集容器的半径，喷射装置的运动方式可以为螺旋上升或螺旋下降，上升运动和旋转运动的相对速度可根据液滴产生大小、速度选择。喷射装置运动方向可以为顺时针或逆时针，运动速度可以为每秒10转到500转，运动速度可根据所需液滴产生大小、速度做出选择。
[0023]液滴化介质(第一液相)和收集介质(第二液相)中可分别加入适用的表面活性剂。液滴化介质和收集介质介质的温度可调，二者混合前为液态，液滴化介质可在进入收集介质后变为固态。液滴化介质可以为水、醇类如异丙醇、非极性溶剂如己烷、极性溶剂如乙腈、含氟溶剂如氟油或多种溶剂的混合物。液滴化介质的表面活性剂可以为非离子型表面活性剂或离子型表面活性剂。收集介质可以为水、醇类如异丙醇、非极性溶剂如己烷、极性溶剂如乙腈、含氟溶剂如氟油或多种互溶溶剂的混合物，滴化介质的表面活性剂可以为非离子型表面活性剂或离子型表面活性剂；如tween，span或EA活性剂。
[0024]液滴化介质的输出可由定压驱动或定体积驱动，以保持匀速输出喷射装置内的液体，定压力驱动是指管内保持恒定压力，压力可由压缩气体提供；定体积驱动是指利用物理体积的置换排出液体，如使用注射器泵，或电动液体操作装置(移液工作站等)进行驱动。
[0025]本发明的方法利用相界面的阻力和剪切力产生液滴，在收集介质相和喷射装置相对运动时，收集介质和液滴化介质相接触面高速挤压，产生阻力和剪切力。当液滴化介质被输出到一定大小，其表面张力不能抵抗剪切阻力时，即与针尖内部液滴化介质主体迅速断离，产生一个液滴，如图1所示。当运动为匀速时，每个液滴断离时的临界条件均相同，所以液滴大小可做到高度一致，如图2所示。由于匀速运动的原理，可将多跟针排列在同一个驱动装置之上，使得全部喷射装置的运动轨迹一致，可实现高速并且高通量的液滴生成，可实现可控的单分布，即液滴直径可控，并且直径分布较小，使得每个液滴内溶液体积相同，如图3所示。
[0026]在试验中，我们惊奇的发现，在一定的范围内，第一液相的流速和液滴的直径并没有直接的关系；当增加驱动装置速度的时候，液滴直径变小；出口越小的喷射装置受到驱动装置速度的影响越小。这些特点使得系统具有很好的稳定性。
【附图说明】
[0027]以下结合附图及【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。
[0028]图1为本发明方法的原理图。
[0029]图2匀速运动产生均匀液滴。
[0030]图3多个喷射装置并行排列。
[0031]图4产生微液滴的照片
[0032]图5驱动装置的运动速度和液滴直径的关系
[0033]图6，不同流速下液滴直径的关系
【具体实施方式】
[0034]本发明【具体实施方式】中的具体实施例，仅仅是对于