一种振动管路控制T型微流控芯片生成微气泡的方法与流程

本发明涉及一种单分散微气泡的生成方法，属于流体机械领域。

背景技术：

近年来，微流控技术凭借其在科研领域的重要影响和工程领域的特殊应用，得到了广泛关注。现实的生产和生活中也形成了很多获得近似单分散微气泡的方法，例如电解法、激光激发、超声波雾化等。而在现有技术之中，应用最为普遍的是基于相关特定结构的芯片来制备，其可以广泛用于食物传递、药品输送、化学反应、健康监测等其他生物、医疗分析领域。

关于现阶段可以用于产生微气泡的典型微通道结构主要可分为三种：ｔ型管道、流动聚焦管道和同轴流动管道。其中t型管道能够实现单分散微气泡序列的形成，其优点在于结构简单、操作简便。

一种典型的t型管道微流体设备如图１所示，它包括两个入口端和一个出口端，水平入口注入连续相，底端入口注入连续相。两种不混溶的流体在通道内由于表面张力和剪切力间的相互作用，分散相在界面交界处破裂成单分散的微气泡。

由于微气泡在不同场合下应用时所需的尺寸大小要求不同，针对t型微流控芯片生成可控尺寸大小的微气泡也提出了更高的要求。目前t型微流控芯片能生成尺寸可控的微气泡的方法有如下几种：一是通过重新设计微流控芯片的通道几何结构。但此方法对加工精度提出了更高的要求，且制作成本也会大幅提升；二是通过改变两相流的粘度和表面张力来实现对不同尺寸的微气泡产生的控制。但对于给定的流体性质，这种方法难以实现上述功能，因此被限制了应用范围；三是通过精确分配两相流的压力来控制生成不同尺寸的微气泡。而因为这种方法事先需要进行大量的实验记录相关数据，费时费力，造成了人力和资源的极大浪费，因此这种方法在实际过程同样不适用。上述所列的方法在操作过程中或多或少均存在一定的难点和局限性，而如果仅通过在外部管路中施加一个稳定的机械扰动，就能实现控制t型微流控芯片生成微气泡的效果，这将避开现阶段技术上的难点，为控制微气泡的生成开辟了新的角度。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的微流控芯片生成微气泡技术中，微气泡尺寸控制难度大、实验重复性差、气泡生成不稳定等不足，提出了一种振动进液管路控制t型微流控芯片生成微气泡的方法。

为了实现上述发明目的，本发明是在t型微流控芯片微气泡生成系统中，通过振动器对液体输入管路施加连续振动，产生规律的压力波来驱动t型微芯片内微气泡的按需生成，实现微气泡产生速率和微气泡尺度的控制。本发明的原理是根据泊肃叶定律，外部扰动会导致管内的压力波动，造成管内所输送流体的流量发生改变，通过振动器施加的振动来控制连续相流体的脉冲流量，从而控制微气泡生成的速率和气泡尺度。

所述的t型通道宽、高度分别为100和38μm，但不仅限于该尺寸。

所述的t型通道在pdms上制作而成，但不仅限于该材料。

所述的振动器可以为机械式也可以为电磁式。

所述的进液和进气管路为聚乙烯材质的软管，但不仅限于该材料，内径为1mm，但不仅限于该直径。

所述的进气压力范围为0~200kpa。

所述的进液流量范围为0~100μl/min。

所述的振动频率范围为0~1khz，振幅范围为0~10mm。

进一步地说，在控制微气泡时必须将外加振动施加在连续相（液相）管路上，因为控制过程是通过外加振动引起管内流体的压力波动，进而影响输入流体的流量来实现的；对于密度极小的气体，外加振动对其压力影响非常小，所以无法通过在气相（分散相）管路上施加机械振动来控制微气泡生成的速率和气泡尺度。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

1、现有t型微流控芯片生成微气泡的过程，只能通过改变微通道的几何结构、流体压力及粘度等被动因素来控制微气泡的生成速率和尺度，而非主动方式。通过仅在外部连续相管路中施加一个振幅、频率可控的振动器即可控制微气泡按需生成。

2、在连续相管路施加一定频率和振幅条件下，可以加速微气泡从不稳定的射流（jetting）模式转变为稳定的滴落（dripping）模式，从而提高了微气泡生成的稳定性和单分散性。

3、本发明在连续相管路中施加一个振幅、频率均可控的机械振动，通过改变振动器的振幅和频率来控制t型微流控芯片中微气泡的生成，使得微气泡的生成过程具有高单分散性、高通量以及尺寸可控等诸多优点，显著提高了微气泡生产的效率，扩大了该技术的适用范围。

4、本发明不仅可以控制微气泡的生成，同样也可以应用于控制微液滴的按需生成。

5、对于使用外加机械振动控制流动聚焦型微流控芯片生成微液滴的方法，本发明与其相比的差异和优点在于：a.使用外加机械振动控制流动聚焦型微流控芯片生成微液滴的方法，由于流动聚焦型微流控芯片本身结构的限制（双侧挤压产生微气泡/液滴的“十”字结构导致施加振动在连续相管路上产生的压力脉动会相互影响），故只能将振动施加在分散相管路上，而本发明消除了这一局限性，在控制液滴的生成过程中，外加的振动可以任意施加在连续、分散相管路上；b.由于同样的原因，使用外加机械振动控制流动聚焦型微流控芯片生成微液滴的方法只能实现对微液滴的控制，而本发明不仅适用于液滴，且同样可以适用于产生微气泡，在其基础上拓宽了应用范围。

附图说明

图1和图2是t型微流控芯片示意图；

图中：1、连续相进口端，2、分散相进口端，3、出口端。

图3是振动进液管路控制t型微流控芯片生成单分散微气泡的装置图；

图中：4、收集器，5、出口管路，6、连续相管路，7、振动器，8、连续相微量进样器，9、连续相注射泵，10、分散相注射泵，11、分散相微量进样器，12、分散相管路，13、t型微流控芯片。

具体实施方式

如图2所示，本发明的具体实施方案为：通过连续相注射泵9推动连续相微量进样器8使流体进入连续相管路6，并穿过振动器7，使流体进入t型微流控芯片13中的连续相进口端1。分散相注射泵10分散相推动微量进样器11使流体经过分散相管路12并进入t型微流控芯片13中的分散相进口端2。气液两相流在通道内由于表面张力和剪切力间的相互作用，在界面交界处破裂成单分散的微气泡。由于管内压力梯度驱动流体流动，微气泡经出口端3和出口管路5进入收集器4中，此过程中若不加振动，则生成的单分散微气泡直径和频率均唯一。

当启动振动器7时，改变振动器7的振幅和频率，便可以精确控制微气泡生成的尺寸和频率。由于当振动器的振动频率大于微气泡在无振动条件下的自然生成频率时，微气泡的生成速率与振动器的振动频率一致，即可实现通过外加振动对微气泡生成速率的控制。

具体的，当t型微流控芯片13生成微气泡的频率为45hz时，通过在外部连续相管路6中施加的机械振动，保持振动器7的振幅为3mm，改变振动器7的振动频率，当振动频率大于45hz、小于1khz时，可加快微气泡的生成速率，并且此时气泡生成速率与振动频率保持一致。

保持振动器7的频率为100hz，改变振动器7的振幅（0mm~10mm）可控制微气泡生成的尺寸大小（0.3d~d，d为未加振动时生成气泡的直径）。且当微气泡生成状态为不稳定射流状态时，通过控制振动器7振幅的增加使得射流转变成滴落状态，提高了微气泡生成的稳定性和单分散性。

综上，本发明通过控制t型微流控芯片管路中的机械振动来精确控制微气泡的生成频率和气泡尺度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。