本发明基于界面张力诱导下的微液滴生成通道结构，设计一种可满足液滴尺寸不依赖于流量的微流控芯片，属于微流控芯片技术领域。
背景技术：
微流控芯片是指使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。与传统的分析平台相比，利用微流控芯片所制备的微液滴能有效的降低实验成本，实验中仅使用较少的量，可大大节约昂贵的生化试剂的使用，具有单分散性好；精确可控、大小均匀；生成频率快(数万赫兹，每秒可生成上百个液滴)；混合充分、反应时间快；通量高、无交叉污染等优势。在dna和聚合酶链反应分析、血液检测、蛋白质结晶、单细胞培养、颗粒合成等领域有广泛的应用。
目前实验中液滴微流控技术依赖于配套驱动设备所提供的精准液体流速，造成微液滴的生成对速度的依赖性尤为突出。这不仅使得微流控技术难以适用于快速简易的手动操作，限制了其在检测和反应等方面的应用，而且，常用驱动设备提供的流动速度具有波动性，容易造成微流控芯片的性能不稳定。因此，需要弱化液滴微流控技术对流速精度的要求，将不稳定的驱动输入条件转化为稳定的输出结果，以扩大微流控芯片适用的流速范围。田口方法是一种低成本、高效益的质量工程方法，它强调产品质量的提高不是通过检验，而是通过设计。田口方法可以分析各个几何参数的敏感性，确定最优参数组合，它是基于l9正交阵列(orthogonalarray)实验实现参数优化，使用l9正交阵列使分析中所需的数量从34581个减至9个，可大大减少实验数量。
液体的流动速度是通过改变两相界面受力来影响液滴微流控芯片的功能。多相流动过程中，弱化与流动速度相关的作用力，突出几何结构和流动介质物性参数决定的界面张力，可降低两相流动速度对液滴生成及流动行为的影响。因此，本发明实现一种可使液滴尺寸对速度依赖性较小的基于界面张力诱导下的微流控芯片，并利用田口方法对通道几何尺寸进行完善，得到最优芯片结构。该芯片有助于突破液滴生成的驱动限制，扩大芯片性能维持稳定的速度范围，使微液滴两相流能够适用于不同的驱动条件。
技术实现要素：
本发明基于界面张力诱导下的微通道结构，通过改变通道结构的几何尺寸，利用田口方法实验得到各个几何参数的敏感性，目的得到一种可实现液滴尺寸不依赖流量的微流控芯片。
本发明采用的技术方案为一种基于界面张力诱导下的微流控芯片，该微流控芯片基于界面张力诱导下的微通道结构通过改变几何参数，得到最优的参数结构。
该微流控芯片包括上层微通道1、中间层薄膜2、下层微通道3；上层微通道1包括离散相通道4、离散相入口5、连续相通道6、连续相入口7、驱动相通道8、驱动相入口9、液滴生成腔10、主通道11、液滴观测腔12、出口13；
下层微通道3包括凹槽14。离散相通道4和连续相通道6一端分别连接离散相入口5和连续相入口7；离散相通道4和连续相通道6另一端共同连接在液滴生成腔10上；液滴生成腔10另一端连接主通道11；驱动相入口9连接驱动相通道8后与主通道11共同连接在液滴观测腔12的一端；液滴观测腔12另一端连接出口13。上层微通道1和中间层薄膜2通过紫外线等离子键合机进行键合连接，再将下层微通道3中的凹槽14对准上层微通道1的液滴生成腔10，将下层微通道3与中间层薄膜2进行键合连接。
在下层微通道3中通入pdms预制试剂，对上层微通道1进行施压，利用热固法将pdms预制试剂进行固定，在液滴生成腔10的底部形成弧形壁面。两相流体流动时，通道弧形壁面使离散相在前后两端的曲率不同，当拉普拉斯压力差无法继续被界面变形平衡时，离散相形成液滴。离散相形成液滴过程中，由于流动阻力相对小，界面张力起主导作用，决定液滴断裂的临界条件。
考虑到该结构中两相流量对液滴影响很小，为保证液滴能顺利通过，不在液滴观测腔12中停留，故在液滴观测腔12处接入驱动相通道8。同时常规微尺度通道未设置液滴观测腔12，但液滴生成腔10的底部形成弧形壁面，对液滴尺寸及运动形态的测量造成一定难度，因此在液滴生成腔10后连接主通道11，在主通道11后连接液滴观测腔12，方便数据测量。
上层微通道1、中间层薄膜2和下层微通道3均由pdms材料制成。
该微流控芯片的制作流程如下：
1)采用pdms浇筑的方式分别制作含通道结构的上层微通道1、下层微通道3和中间层薄膜2是在硅片上利用离心力甩制的pdms薄膜。
2)采用紫外线光等离子键合机将浇铸成型的上层微通道1和中间层薄膜2键合，再将下层微通道3中的凹槽14对准上层微通道1的液滴生成腔10，下层微通道3与上层微通道1进行键合。
3)在凹槽14内通入pdms预制试剂，对上层微通道1进行施压，利用热固法将pdms预制试剂固定，形成弧形壁面，得到界面张力诱导下的微通道结构。
该微流控芯片的具体工作过程如下：离散相液体从离散相入口5流入，连续相液体从连续相入口7流入；离散相液体和连续相液体在液滴生成腔10处交汇，离散相液体破裂生成液滴并随连续相液体一起往下游流动，通过主通道进入液滴观测腔12，最终通过出口13流出芯片。
附图说明
图1是本发明一种可实现液滴尺寸不依赖流量的微流控芯片的三维总体轮廓示意图。
图2是本发明一种可实现液滴尺寸不依赖流量的微流控芯片的横截面示意图。
图3是本发明一种可实现液滴尺寸不依赖流量的微流控芯片的上层微通道工作过程示意图。
图4是本发明一种可实现液滴尺寸不依赖流量的微流控芯片的下层微通道结构示意图。
图5中提供数据为连续相流量为50μl/min的条件下测得的。
图6为三因素对信噪比的影响。
图中：1、上层微通道；2、中间层薄膜；3、下层通道；4.离散相通道；5.离散相入口；6.连续相通道；7.连续相入口；8.驱动相通道；9.驱动相入口；10.液滴生成腔；11.主通道；12.液滴观测腔；13.出口；下层通道结构包括：14.凹槽。
具体实施方式
下面结合结构附图对发明一种可实现液滴尺寸不依赖流量的微流控芯片的工作过程和作用效果进行详细说明。
本芯片的具体工作过程如下：离散相液体从离散相入口5流入，连续相液体从连续相入口7流入，两者在液滴生成腔10交汇，离散相液体破裂生成液滴并随连续相一起往下游流动，通过主通道进入液滴观测腔12，最终通过出口13流出芯片。
图1是本发明一种可实现液滴尺寸不依赖流量的微流控芯片的三维总体轮廓示意图。图2、图3为工作过程示意图，九种不同尺寸的微通道结构，两种流体在外力驱动下通过两个入口流入微流控芯片中，调整两种液体的流动速度，使其生成微液滴，并保持该流速一段时间使流动状态稳定，在驱动相入口通入连续相，当液滴进入液滴观测腔，进行液滴生成记录实验。九组实验液滴大小均匀度如图4所示，第六组结构的液滴大小对两相流量的依赖性较小，可见本发明能够明显地影响液滴的生成。
利用田口方法得到液滴生成腔10的腔体长度l，腔体宽度w，腔体扩张角度θ的最优参数(如图3所示)。设计三种参数因子表如表1所示。田口方法正交矩阵实验方案如表2所示。9组实验所得三因素对信噪比的影响如图6所示，确定最优参数为腔体扩角30°、腔体宽度0.5mm、腔体长度为2.6mm。
表1.参数因子表
表2.正交矩阵实验方案