一种基于旁路微注射技术的液滴组分调控装置及方法

1.本发明属于微流控液滴制备领域，具体涉及一种基于旁路微注射技术的液滴组分调控装置及方法。


背景技术：

2.近年来，微流控芯片在生化、医学、材料等领域具有越来越广泛的应用，包括治疗学、病理学、药物输送和诊断、组织工程和生物传感器等；通过微流控芯片生成的液滴作为一种微型反应器，具备包括微型化、区块化、并行化等优点，因此广泛应用于3d细胞培养、组织工程、药物筛选和检测、生化分析和材料合成等多种领域中；
3.通过微流控芯片制备液滴技术中，液滴传统制备的方法是采用乳化的原理形成离散的液滴，但是生成的液滴是高度多分散性的以及各液滴之间的体积均匀性较差；目前，液滴微流控技术通过使用两种不相溶相创建离散体积，能够实现对流体的精确控制同时具备较好的操控性，生成的液滴具有较好的单分散性和高度均匀性；
4.在液滴中注射试剂，能够准确地控制和优化液滴的组成，为多步骤反应和筛选提供了显著的优势；为了将试剂加入液滴中，通常借助电场破坏液滴油/水界面的稳定性将试剂从测通道注入液滴中，从而实现配对和融合两个不同组分和体积的液滴；然而外部电源输入使系统更复杂，此外，电场的引入会损害液滴和试剂中生物成分的生物活性。


技术实现要素：

5.本实发明的目的在于提供一种不会破坏反应物生物活性的于旁路微注射技术的液滴组分调控装置及方法。
6.基于上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于旁路微注射技术的液滴组分调控装置，包括多层微流控芯片和控制模块，控制模块与多层微流控芯片相配合；多层微流控芯片包括从上往下依次设置的流体通道层和气动控制层；流体通道层和气动控制层之间设置有弹性薄膜层；流体通道层上设置有输入单元，输入单元连接有液滴生成模块，液滴生成模块的出口连接有液滴输出单元，液滴输出单元的出口连接有混合通道；液滴输出单元上还设置有微注射模块，微注射模块设于液体输出单元的下游。
7.优选的，液滴生成模块包括连续相通道和离散相通道；连续相通道和离散相通道的输入端分别设有连续相输入口和离散相输入口，输入单元与连续相输入口和离散相输入口连通；连续相通道的输出口和离散相通道的输出口相连通形成液滴生成单元。
8.优选的，输入单元包括多个盛有液体的储液瓶，储液瓶通过供液管分别连接到各自对应的连续相输入口和离散相输入口。
9.优选的，连续相通道包括第一通道和第二通道；第一通道和第二通道以离散相通道为对称轴对称分布，第一通道和第二通道的输出口均与离散相通的输出口连通，并且第一通道和第二通道输出口的通道与离散相通道垂直。
10.优选的，微注射模块包括设置在流体通道层上的微注射单元，微注射单元与液滴
输出单元连通；气动控制层上设置有与微注射单元相配合的气动控腔室；所述弹性薄膜层设置于微注射单元与气动控腔室之间。
11.优选的，气动控制腔室包括气腔，气腔为四方形凹槽，气腔设置在微注射单元与液滴输出单元的连接处；气腔通过通气道连接有进气口。
12.优选的，控制模块包括上位机；上位机连接有电磁比例控制阀；连续相输入口、离散相输入口和气动控制腔室分别连接有气泵，气泵与电磁比例控制阀配合连接；上位机上还连接有采集卡，采集卡上连接有光电传感器；光电传感器与液滴输入单元相配合，通过光电传感器监测液滴输入单元内的液滴。
13.优选的，液滴输出单元上连接有蛇形的混合通道。
14.优选的，流体通道层和气动控制层上均设置有相互配合的十字架对齐标志，通过十字架对齐标志可提高流体通道层和气动控制层的对齐精度。
15.优选的，微注射单元为长方形，微注射单元与液滴输出单元连接的一端为锥形，微注射单元远离与液滴输出单元连接的一端为半球形。
16.优选的，利用上述基于旁路微注射技术的液滴组分调控装置进行液滴组分调控的方法，其特征在于，包括如下步骤：
17.(1)：通过上位机、电磁比例控制阀控制和与连续相输入口和离散相输入口相连接的气泵将储液瓶内的液体分别送入连续相输入口和离散相输入口；
18.(2)：储液瓶内的液体分别通过连续相输入口和离散相输入口进入多层微流控芯片后在液滴生成单元汇合，连续相液体和离散相液体在液滴生成单元汇合后进入液滴输送单；
19.(3)：通过光电传感器对液滴输出单元进行监测，当液滴输出单元有液滴经过时，光电传感器将采集到的信号传输至采集卡，由采集卡将信号输送至上位机，通过上位机和电磁比例控制阀控制与气动控制腔室连接的气泵工作，将微注射单元内的液体注入液滴输出单元内。
20.优选的，连续相液体的流速、离散相液体的流速和微注射单元的液体注入量均通过控制气泵输出的气压来控制。
21.优选的，通过控制气泵输出的气压来控制连续相液体的流速、离散相液体的流速和微注射单元的液体注入量具体步骤为：通过上位机将流量信号转换为气压，电磁比例控制阀的电压与气压成线性比例关系，然后通过上位机将气压信号转化为电压信号传输至电磁比例控制阀；
22.由于输入的信号为流量信号，通过公式将流量信号转换为气压信号，驱动压力δp与体积流量q的关系可表示为：
23.δp＝rhq
24.rh为微通道和储液泵的总流体阻力
[0025][0026]
其中：l,h,w,η分别为微通道的长、高、宽和液体的粘度。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0028]
本发明以气泵作为驱动，能避免损害反应物中生物成分的生物活性；通过上位机和电磁比例控制阀控制气泵把连续相液体和离散相液体分别通过连续相输入口和离散相输入口泵送至多层微流控芯片中形成液滴；液滴进入液滴输出单元后，光电传感器监测到液滴输出单元内有液滴通过后，将信号传输至采集卡；由采集卡将信号反馈给上位机，通过上位机和电磁比例控制阀控制气泵，将气充满整个气动控制层的腔室，通过气推动气动控制腔室和微注射单元之间的弹性薄膜挤压微注射单元中的液体，将微注射单元中的液体注入液滴输出单元内的液滴内，从而实现在液滴中添加试剂，通过调节气动控制腔室的气压可以精确控制添加试剂的体积，从而实现液滴组分的精确调控。
附图说明
[0029]
图1为本发明实施例1中微流控装置的结构示意图；
[0030]
图2为本发明实施例1中多层微流控芯片的结构示意图；
[0031]
图3为本发明实施例2中流体通道层的结构示意图。
[0032]
图中：流体通道层1；弹性薄膜层2；气动控制层3；连续相输入口4；离散相输入口5；液滴生成单元6；液滴输出单元7；气动控制腔室8；微注射单元9；十字架对齐标志10；混合通道11。
具体实施方式
[0033]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例结合附图，对本发明作进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034]
实施例1
[0035]
一种基于旁路微注射技术的液滴组分调控装置，包括多层微流控芯片和控制模块，控制模块与多层微流控芯片相配合；多层微流控芯片包括从上往下依次设置的流体通道层1和气动控制层3；流体通道层1和气动控制层3之间设置有弹性薄膜层2；流体通道层1上设置有输入单元，输入单元连接有液滴生成模块，液滴生成模块的出口连接有液滴输出单元7，液滴输出单元7的出口连接有混合通道11；液滴输出单元7上还设置有微注射模块，微注射模块设于液体输出单元的下游；流体通道层1、弹性薄膜层2和气动控制层3依次通过痒等离子处理键合连接。
[0036]
混合通道11为蛇形通道，混合通道11能使合成液滴内的反应物充分混合，能够通过保持注入体积和混合时间来控制反应参数，从而实现单分散性纳米颗粒合成等；流体通道层1 和气动控制层3上均设置有相互配合的十字架对齐标志10；流体通道层1和气动控制层3上的十字架对齐标志10相互对应，通过十字架对齐标志10可提高流体通道层1和气动控制层 3的对齐精度。
[0037]
液滴生成模块包括连续相通道和离散相通道；连续相通道和离散相通道的输入端分别设有连续相输入口4和离散相输入口5，输入单元与连续相输入口4和离散相输入口5连通；连续相通道的输出口和离散相通道的输出口相连通形成液滴生成单元6；输入单元包括多个盛有液体的储液瓶，储液瓶通过供液管分别连接到各自对应的连续相输入口4和离散相输入口5；本实施例中连续相输入口4和离散相输入口5分别通过供液管连接有盛有连续
相液体的储液瓶和盛有离散相液体的储液瓶。
[0038]
连续相通道包括第一通道和第二通道；第一通道和第二通道以离散相通道为对称轴对称分布，第一通道和第二通道的输出口均与离散相通的输出口连通，并且第一通道和第二通道输出口的通道与离散相通道垂直；第一通道和第二通道的输入口相连并且与连续相输入口4 连通。
[0039]
微注射模块包括设置在流体通道层1上的微注射单元9，微注射单元9与液滴输出单元7 连通；微注射单元9为长方形，微注射单元9与液滴输出单元7连接的一端为锥形，微注射单元9远离与液滴输出单元7连接的一端为半球形；气动控制层3上设置有与微注射单元9 相配合的气动控腔室；弹性薄膜层2设置于微注射单元9与气动控腔室之间；微注射单元9 内注入有需要添加的试剂。
[0040]
气动控制腔室8包括气腔，气腔为四方形凹槽，气腔设置在微注射单元9与液滴输出单元7的连接处；气腔通过通气道连接有进气口。
[0041]
控制模块包括上位机；上位机连接有电磁比例控制阀；连续相输入口4、离散相输入口5 和气动控制腔室8分别连接有气泵，气泵与电磁比例控制阀配合连接；上位机上还连接有采集卡，采集卡上连接有光电传感器；光电传感器与液滴输入单元相配合，通过光电传感器监测液滴输入单元内的液滴。
[0042]
与连续相输入口4连接的气泵的连接方式：气泵与与连续相输入口4连接的储液瓶连接，与气泵连接的气路深入储液瓶内，储液瓶通过供液管与连续相输入口4连接；工作时：气泵将气体通过气路送入储液瓶内，储液瓶内的气压增大进而将液体通过供液管输送至连续相输入口4内。
[0043]
与离散相输入口5连接的气泵的连接方式：气泵与与离散相输入口5连接的储液瓶连接，与气泵连接的气路深入储液瓶内，储液瓶通过供液管与离散相输入口5连接；工作时：气泵将气体通过气路送入储液瓶内，储液瓶内的气压增大进而将液体通过供液管输送至离散相输入口5内。
[0044]
与气动控腔室连接的气泵的连接方式：气泵通过气路与气动控制腔室8的进气口连接；工作时：通过气泵将气体送入气动控制腔室8内，气动控制腔室8充满气体后挤压弹性薄膜，进而将注射单元内的试剂注入液滴输出单元7的液滴内。
[0045]
其中：弹性薄膜层2采用pdms弹性薄膜；pdms弹性薄膜的弹性变形具有较好的准确性和稳定性；流体通道层1和气动控制层3由pdms材料制作；连续相输入口4和离散相输入口 5的直径为250μm；连续相通道宽度为67-73μm，本实施例连续相通的道宽度为70μm，深度为100μm；离散相通道宽度为48-52μm，本实施例离散相通道宽度为50μm，深度为 100μm；液滴输出单元7为宽度在48-52μm之间的通道，本实施例液滴输出单元7的宽度为50μm，深度为100μm。
[0046]
控制模块的工作原理:通过上位机控制电磁比例控制阀，通过电磁比例控制阀控制与连续相输入口4和离散相输入口5连接的气泵工作，将分别与连续相输入口4和离散相输入口5 连接的储液瓶内的连续相液体和离散相液体通过供液管送至多层微流控芯片内；连续相液体与离散相液体在液滴生成单元6融合后进入液滴输出单元7；光电传感器发射激光照射液滴输出单元7，当液滴输出单元7内有液滴经过时，激光光斑折射率与波长均会发生变化，光电传感器捕捉到该信号后转为电信号反馈给采集卡，采集卡再将信号传输至上
位机，由上位机对电磁比例控制阀发出信号，使与气动控制腔室8连接的气泵工作，将气充满整个气动控制腔室8，当气冗余时，气推动上层的弹性薄膜从而挤压微注射单元9中的液体，使微注射单元9内的液体注入液滴输出单元7，进而使微注射单元9内的液滴注入流经的液滴内。
[0047]
混合通道11为蛇形通道，混合通道11能使合成液滴内的反应物充分混合，能够通过保持注入体积和混合时间来控制反应参数，从而实现单分散性纳米颗粒合成等；流体通道层1 和气动控制层3上均设置有相互配合的十字架对齐标志10；流体通道层1和气动控制层3上的十字架对齐标志10相互对应，通过十字架对齐标志10可提高流体通道层1和气动控制层 3的对齐精度。
[0048]
利用上述基于旁路微注射技术的液滴组分调控装置进行液滴组分调控的方法，包括如下步骤：
[0049]
(1)：通过上位机、电磁比例控制阀控制和与连续相输入口4和离散相输入口5相连接的气泵将储液瓶内的液体分别送入连续相输入口4和离散相输入口5；
[0050]
连续相液体进入多层微流控芯片的流速、离散相液体进入多层微流控芯片的流速和微注射单元9的液体注入液滴输出单元7的量均通过控制气泵输出的气压来控制；通过控制气泵输出的气压来控制连续相液体的流速、离散相液体的流速和微注射单元9的液体注入量具体步骤为：通过上位机的labview程序将流量信号转换为气压，电磁比例控制阀的电压与气压成线性比例关系，然后通过上位机将气压信号转化为电压信号传输至电磁比例控制阀；
[0051]
由于输入的信号为流量信号，通过公式将流量信号转换为气压信号，驱动压力δp与体积流量q的关系可表示为：
[0052]
δp＝rhq
[0053]
rh为微通道和储液泵的总流体阻力
[0054][0055]
其中：l,h,w,η分别为微通道的长、高、宽和液体的粘度；
[0056]
通过上位机的labview程序控制与连续相输入口4、离散相输入口5和各微注射单元9 的气泵连接的电磁比例控制阀；通过电磁比例控制阀控制与连续相输入口4、离散相输入口5 和微注射单元9连接的气泵的输出气压，进而控制生成液滴的频率和体积；
[0057]
(2)：储液瓶内的连续相液体和离散相液体分别通过连续相输入口4和离散相输入口5 进入多层微流控芯片后在液滴生成单元6汇合，连续相液体和离散相液体在液滴生成单元6 汇合后进入液滴输送单；
[0058]
(3)：通过光电传感器对液滴输出单元7进行监测，当液滴输出单元7有液滴经过时，光电传感器将采集到的信号传输至采集卡，由采集卡将信号输送至上位机，通过上位机和电磁比例控制阀控制与气动控制腔室8连接的气泵工作，将微注射单元9内的液体注入液体输出单元内。
[0059]
实施例2
[0060]
与实施例1是不同之处在于，在实例1的基础上添加多个微注射单元9通道，可按实
际需要调整注射通道的数量，本实施例中的微注射单元9为三个，用于多步骤化学反应而不会交叉污染；多层微流控芯片上设置有与每个微注射单元9相配合的气动控制腔室8，每个气动控制腔室8均连接有与之相配合的气泵；通过上位机控制与气动控制腔室8连接的气泵，进而将试剂按顺序添加在液滴内。
[0061]
通过上位机的labview程序控制的电磁比例控制阀；通过电磁比例控制阀控制与各微注射单元9连接的气泵；光电传感器检测到液滴输出单元7有液滴通过后将信号传递给采集卡，采集卡将信号传输至上位机，由上位机传输信号给电磁比例控制阀，由电磁比例控制阀控制与各微注射单元9相连接的气泵工作，进而可以在液滴中按顺序添加不同试剂，通过调节微注射单元9气压可以精确控制添加试剂的体积，从而实现液滴组分的精确调控。
[0062]
其余零部件与实施例1相同。