一种关于软颗粒流变特性的显微可视化实验装置的制作方法

本实用新型涉及一种关于软颗粒流变特性的显微可视化实验装置。

背景技术：

目前，软物质与人们生活密切相关，如橡胶、人造纤维、墨水、洗涤液、饮料、乳液及药品和化妆品等等；在技术上有广泛应用，如液晶、聚合物等；生物体基本上由软物质组成，如细胞、体液、蛋白质、DNA、RNA等。软物质的丰富物理内涵和广泛应用背景引起越来越多物理学家的兴趣，是具有挑战性和迫切性的重要研究方向，已成为凝聚态物理研究重要前沿领域。但是目前对于微米级大小的软物质颗粒的流动和变形性质鲜有研究，因此，对于软颗粒的流变特性的显微可视化研究具有十分重要的工程和学术意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种关于软颗粒流变特性的显微可视化实验装置，实现软颗粒流变特性的显微可视化，观测不同流速条件下软颗粒的运动过程以及变形过程，并获取大量运动和变形过程中的瞬时图像，对此条件下的软颗粒流变特性进行研究。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：一种关于软颗粒流变特性的显微可视化实验装置，包括注射器、精密注射泵、LED冷光源、微流控芯片、废液收集杯、光学显微镜、CMOS高速相机和图像采集计算机；微流控芯片固定于载物台上；微流控芯片的入口孔通过管路与注射器相连，出口孔通过管路与废液收集杯相连；注射器安装在精密注射泵上；光学显微镜设置于微流控芯片下方，CMOS高速相机设置于光学显微镜下方并和图像采集计算机相连；LED冷光源设置于微流控芯片的上方。

进一步地，所述注射器中装载软颗粒悬浮液。

进一步地，所述微流控芯片的材质为聚二甲基硅氧烷。

进一步地，所述光学显微镜中设置有滤光片。

进一步地，所述微流控芯片由四条不同直径的长直通道和一个组合通道组成；所述组合通道包括三个分支，每个分支具有独立的入口孔，所有分支共用一个出口孔，分支上设有网状结构；网状结构包括三级，第1级包含两条直径20-30微米倒Y型分支通道，第2级包含若干条直径5-20微米的不规则排布并相互连接成网状的分支通道，第3级包含两条直径20-30微米Y型分支通道。

相对于现有技术，本实用新型具有以下优点：

本实用新型建立了一种关于软颗粒流变特性的显微可视化实验装置，实现软颗粒在微通道中运动和变形的显微可视化，观测在不同流速以及不同尺寸、形状的微通道条件下软颗粒的运动过程以及变形的过程，并获取大量运动和变形过程中的瞬时图像，对软颗粒的流动和变形性质进行研究；为阐明软颗粒的物理特性和应用领域，确定影响参数等相关研究提供理论基础和参考数据。

本实用新型中，在精密注射泵的推动下，使软颗粒在实验微通道中流过，并在微小尺寸通道中发生挤压变形；利用高速显微成像系统对软颗粒的运动和变形过程进行观测和成像；实验中微通道内软颗粒悬浮液的测量流动速度较高。由于软颗粒的尺寸只有几微米，以及软颗粒的运动速度较高，软颗粒的流动通道选择尺寸为微米级的微通道。在选择微通道的制作材料时，要充分考虑到相容性。微通道由不同直径的长直通道和包含分支的网状微通道两种结构构成。以软颗粒制成的一定浓度下的软颗粒悬浮液作为实验流动溶液，通过微通道。以微量精密注射泵推动注射器作为动力系统，注射器承载实验软颗粒悬浮液，利用微量精密注射泵的定常或者脉动流量推动来实现一定流速下的实验。通过改变微量精密注射泵的流量，实现不同流速下的实验。以光学显微镜和CMOS高速相机以及计算机作为成像系统，利用光学显微镜对软颗粒的运动和变形过程进行放大和观测，利用CMOS高速相机获取过程中的瞬态图像，并在计算机中进行图像输出。此外，为了使高速运动中的成像区域更加明显，同时利用显微镜辅助光源，由数十颗LED灯珠构成的环形光源对视场进行照亮，有效增加视场亮度，改善观测和所获图像效果。

附图说明

图1是实验系统示意图；

图2是微流控芯片结构示意图；

图3是组合通道中网状结构示意图；

图中，包括注射器1、精密注射泵2、LED冷光源3、微流控芯片4、入口孔41、出口孔42、废液收集杯5、光学显微镜6、CMOS高速相机7、图像采集计算机8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的一种关于软颗粒流变特性的显微可视化实验装置，包括注射器1、精密注射泵2、LED冷光源3、微流控芯片4、废液收集杯5、光学显微镜6、CMOS高速相机7和图像采集计算机8；微流控芯片4固定于载物台上；微流控芯片4的入口孔41通过管路与注射器1相连，出口孔42通过管路与废液收集杯5相连；注射器1安装在精密注射泵2上；光学显微镜6设置于微流控芯片4下方，CMOS高速相机7设置于光学显微镜6下方并和图像采集计算机8相连；LED冷光源3设置于微流控芯片4的上方。工作时，软颗粒悬浮液在动力作用下从入口孔41流入，经过微流控芯片4内部，进而从出口孔42流出至废液收集杯5。

如图2所示，所述微流控芯片4由四条不同直径的长直通道和一个组合通道组成；所述组合通道包括三个分支，每个分支具有独立的入口孔，所有分支共用一个出口孔，分支上设有网状结构，如图3所示；网状结构包括三级，第1级包含两条直径20-30微米倒Y型分支通道，第2级包含若干条直径5-20微米的不规则排布并相互连接成网状的分支通道，第3级包含两条直径20-30微米Y型分支通道。通道的尺寸为微米级，可根据需要制作不同尺寸的微通道。在选择微通道的制作材料时，要充分考虑到相容性和化学惰性，可选择与软颗粒相容性较好的材料，优选为PDMS(聚二甲基硅氧烷)。实验中微流控芯片4内红细胞悬浮液具有一定的流动速度范围。

参照图1，实验装置动力系统包括注射器1和精密注射泵2。注射器1装置在精密注射泵2上，并通过管路和微流控芯片4入口孔相连。将配制好的软颗粒悬浮液承载于注射器1中，在精密注射泵2的动力作用下，在微通道内形成软颗粒悬浮液的定常或者脉动流动。在配制软颗粒悬浮液的过程中，使用过滤网对软颗粒悬浮液进行多次过滤，有效防止杂质对实验的干扰。每隔一段时间对注射器1中的软颗粒悬浮液进行均匀化，防止浓度分层对实验产生的影响。通过改变精密注射泵2的流量设置，来实现不同流速下的实验，获得结果进行对比。

参照图1，实验装置成像系统包括光学显微镜6、CMOS高速相机7和图像采集计算机8。光学显微镜6设置于微流控芯片4下方，利用光学显微镜6对微流控芯片4内软颗粒流动及变形过程进行放大和直接观测。CMOS高速相机7和图像采集计算机8相连，CMOS高速相机7设置于光学显微镜6下方，通过CMOS高速相机7对经过光学显微镜6放大后的流动和变形图像进行获取，并利用图像采集计算机8进行图像输出，在一种流速工况下可获取多组图像。光学显微镜6中设有滤光片，采用LED冷光源3的光路对视场进行照亮，有效增加视场亮度，改善图像质量。从而实现关于软颗粒在微通道中的流动和变形过程的显微可视化。

实验装置工作时，开启精密注射泵2，设置流量，推动注射器1，软颗粒悬浮液在微流控芯片4内形成定常流动。光学显微镜对软颗粒运动和变形过程进行放大和观测，CMOS高速相机获取高速运动过程中的瞬态图像，并在图像采集计算机中进行图像输出。通过实验，对软颗粒的运动过程和与变形过程进行观测，通过图像分析与处理获得软颗粒的运动和变化规律，实现了软颗粒在微通道中的流动和变形过程的显微可视化；通过改变流速，对软颗粒在微通道中运动和变形规律进行研究；通过不同结构微通道的实验，对微通道结构特征对软颗粒运动和变形特性的影响进行研究，为软颗粒运动过程中的形态变化研究及应用提供理论基础和参考依据。