一种基于卡门涡街的微液滴生成芯片

1.本发明涉及一种微液滴生成芯片，特别是涉及一种基于卡门涡街的微液滴生成芯片。


背景技术：

2.微液滴在胶体颗粒合成、高分子材料合成、生物学、医学检测和食品科学等领域都有巨大的应用市场。传统微液滴的制备方法通常包括：高速搅拌法、逐层沉积法、膜乳化法和界面聚合法等，这些方法通常需要多级处理和特定的乳液合成配方，并且无法实现对复杂结构微液滴的壳层厚度或内部腔室结构及其组分的精确调控。此外，由于传统合成工艺所用的剪切力可变性高，导致生成微液滴的尺寸差异较大。
3.为了克服传统制备微液滴方法的缺陷与不足，近年来许多领域的学者都在研究如何利用微流控芯片技术来快速精确的制备微液滴，其中有很多方法已经在实验室得到了充分的验证。其中主流的微流控芯片中生成结构包括：t型结构、流动聚焦结构和共聚焦结构。对比于传统微液滴的制备方法，利用微流控芯片制备微液滴具有1、试剂耗量少；2、避免交叉污染；3、生成微液滴尺寸可控以及误差小等特点。但是这些结构仍存在着不足，主要是所生成的微液滴的位置都会在同一水线平方向上(参见图1至图3所示)，这种情况会导致微液滴在后续的流动中会有相互融合形成新的更大尺寸的微液滴的现象，不利于实际工业的生产，所以目前主流的几种方法无法彻底满足工业生产中的需求。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于卡门涡街的微液滴生成芯片，减少生成的微液滴的融合现象，丰富微流控芯片制备微液滴的方法以更加的符合工业生产的需求。
5.本发明技术方案如下：一种基于卡门涡街的微液滴生成芯片，包括本体，所述本体内设有微流道，所述微流道设有流体分隔部和绕流柱，所述流体分隔部设有朝向所述微流道的下游的开口，所述流体分隔部使所述微流道分隔为中部流动区和位于所述中部流动区两侧的侧边流动区，所述本体设有第一进液口和第二进液口，所述第一进液口用于向所述中部流动区注入液体，所述第二进液口用于向所述侧边流动区注入液体，所述绕流柱设置在所述流体分隔部的下游方向并与所述流体分隔部的开口相对，所述绕流柱与所述流体分隔部之间留有足够间隙使所述中部流动区和侧边流动区的混合来流经过所述绕流柱形成卡门涡街。
6.进一步地，所述流体分隔部由所述微流道的底面延伸至顶面，所述绕流柱由所述微流道的底面延伸至顶面。顶天立地的流体分隔部能切实可靠的分隔两个流动区的流体，使两种流体在流体分隔部的开口和绕流柱之间的微流道内形成稳定的环状流，顶天立地的绕流柱能保证环状流完全的流经卡门涡街生成结构的侧面以利于卡门涡街的生成。
7.进一步地，为了更容易地生成卡门涡街，所述绕流柱为圆柱体。
8.进一步地，所述绕流柱的横截面宽度为所述微流道的宽度的1/4～1/2。
9.进一步地，所述微流道的下游端在所述本体的一侧面形成微液滴收集端口。
10.进一步地，所述本体包括上基板和下底板，所述下底板上设有凹槽，所述上基板与所述下底板盖合时，所述凹槽构成所述微流道。
11.进一步地，所述第一进液口和第二进液口设置于所述上基板。
12.本发明所提供的技术方案的优点在于：
13.1、本发明丰富了已有的微流控芯片技术生成微液滴的方法，对比于主流的方法，本发明生成的微液滴会有序的分布在微流道中轴线的两侧，微液滴不会处于同一轴线上，有效避免微液滴在后续流动的过程中会发生相互融合形成尺寸不一的微液滴的情况。
14.2、本发明中微液滴的生成过程都集成在了微流控芯片内没有任何机械可动结构，对比于传统的微液滴制备工艺，本发明具有液滴生成快速、液滴生成尺寸精确可控、避免外界环境污染、可靠性高以及寿命长的特点。
附图说明
15.图1是基于t型结构的微液滴生成结构示意图。
16.图2是基于流动聚焦结构的微液滴生成结构示意图。
17.图3是基于共聚焦结构的微液滴生成结构示意图。
18.图4是本发明实施例基于卡门涡街的微液滴生成芯片的结构示意图。
19.图5是基于卡门涡街的微液滴生成芯片的下底板结构示意图。
20.图6是基于卡门涡街的微液滴生成芯片的微流道的流动区域示意图。
21.图7是实施例的基于卡门涡街的微液滴生成芯片的流体流动数值模拟仿真图。
具体实施方式
22.下面结合实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本说明之后，本领域技术人员对本说明的各种等同形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围内。
23.请结合图4、图5及图6所示，本实施例的基于卡门涡街的微液滴生成芯片包括由上基板1和下底板2构成的本体，在下底板2上开设有横向的凹槽2-3，凹槽2-3一端封闭，另一端延伸至下底板2的侧面形成微液滴收集端口2-4。在凹槽2-3内间隔设有流体分隔部2-1和绕流柱2-2，其中流体分隔部2-1呈c形，开口朝向绕流柱2-2，绕流柱2-2位于流体分隔部2-1的下游一侧，截面为圆形，换句话说绕流柱2-2为圆柱体，一般圆柱体的直径可以是凹槽2-3的宽度的1/4～1/2，流体分隔部2-1和绕流柱2-2的高度与凹槽2-3的深度相同。流体分隔部2-1和绕流柱2-2均处于凹槽2-3的中轴线上，流体分隔部2-1的两侧与凹槽2-3的侧壁间也留有间隙，如此在流体分隔部2-1的内部构成流体的中部流动区a，而在流体分隔部2-1的外部，即中部流动区a的两侧构成了侧边流动区b。上顶板1上设有第一进液口1-1和第二进液口1-2，上顶板1盖合在下底板2上之后，凹槽2-3形成微流道，流体分隔部2-1和绕流柱2-2的顶面与上顶板1的下表面紧密贴合。第一进液口1-1的位置与中部流动区a相对，液体通过第一进液口1-1进入流体分隔部2-1内侧，在中部流动区a形成液流。第二进液口1-2的位置对应于流体分隔部2-1的上游端的凹槽2-3，液体通过第二进液口1-2进入流体分隔部外侧，在
侧边流动区b形成液流。流体分隔部2-1本身应具有足够的长度，使得流体在中部流动区a及侧边流动区b稳定流动，同时流体分隔部2-1与绕流柱2-2之间足够的间隔使得从第一进液口1-1和第二进液口1-2进入的两种液体在此区域c形成稳定的环状流。
24.本实施例中，第一进液口1-1和第二进液口1-2的口径分别为0.35mm，微流道整体宽为5mm，长为45mm；流体分隔部2-1厚度为0.1mm，绕流柱2-2直径为1.6mm。工作时，第一进液口1-1和第二进液口1-2分别与外部的流体泵送机构相连，第一进液口1-1和第二进液口1-2分别通入两种互不相溶的流体，一组常见的配合是第一进液口1-1通入硅油，第二进液口1-2通入水。也可以是在第一进液口1-1通入水，第二进液口1-2通入花生油。从第一进液口1-1和第二进液口1-2通入的流体流入微流道中，由于流体分隔部2-1的作用在微流道的前段部分两种互不相溶的流体被分隔，并在流体分隔部2-1与绕流柱2-2之间的微流道内形成稳定的环状流；当环状流以一个合适的速度流经绕流柱2-2时就会产生卡门涡街现象，卡门涡街的涡旋会周期性的脱落使第一进液口处流入的流体生成微液滴；所生成的微液滴流向微液滴收集端口2-4，此时与微液滴收集端口2-4相连接的外部收集装置可收集所生成的微液滴。请参见图7所示，利用comsol multiphysics商业仿真软件对本实施例进行数值模拟仿真，其中相场图暗部为从第一进液口1-1通入的流体，亮部为从第二进液口1-2通入的流体。可以看出在第0.10秒时在绕流柱处开始产生一个扰动，此时卡门涡街正在生成。当0.15秒时由卡门涡街生成的涡旋会周期性的稳定脱落，对应的此时相场图中暗部的流体会周期性的生成直径约2mm的微液滴，且微液滴会有序的分布在微流道中轴线的两侧，有效避免微液滴在后续流动的过程中会发生相互融合形成尺寸不一的微液滴的情况。