一种高通量制备均匀单乳液滴的装置的制作方法

1.本实用新型涉及单乳液滴制备技术领域，尤其是涉及一种高通量制备均匀单乳液滴的装置。


背景技术：

2.微米和亚微米级的单乳液滴在各种科学和工程应用中都具有重要意义。在过去的几十年中，已经开发了新兴的微流体技术来制备单分散液滴，例如，微流控芯片、玻璃微毛细管和流动聚焦技术。
3.在科学研究以及实际应用中，单乳液滴的制备是在滴模式下进行，通量小，且制备效率低。若提高通量，则单乳液滴的制备将由滴模式转换为射流模式，射流模式下的液滴的尺寸分布会变宽，且射流断裂的长度也具有一定的随机性。
4.因此，如何实现高通量生产单乳液滴，且保证单乳液滴的尺寸均匀是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种高通量制备均匀单乳液滴的装置，能够实现高通量生产单乳液滴，且保证单乳液滴的尺寸均匀。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
7.一种高通量制备均匀单乳液滴的装置，包括基座、腔体、毛细结构和致动单元；
8.所述基座上开设有分散相液体通道，所述分散相液体通道的入口端用于分散相液体的输入，且所述基座上还开设有与所述分散相液体通道导通的扰动接口，所述扰动接口封装，所述致动单元通过封装的所述扰动接口输入扰动；
9.所述分散相液体通道的出口端设置在所述基座的底端，所述毛细结构安装在所述基座的底端，且所述毛细结构的顶端与所述分散相液体通道的出口端导通；
10.所述腔体密封安装在所述基座的底端，且所述毛细结构置于所述腔体内；
11.所述腔体上开设有驱动相入口，所述驱动相入口用于输入驱动相液体到所述腔体内，所述驱动相液体和所述分散相液体互不相溶；
12.所述腔体的底端开设有排出孔，所述排出孔与所述毛细结构的出口端同心。
13.在一个具体实施方案中，所述排出孔的直径为待制备单乳液滴的直径的2倍；
14.所述毛细结构的出口端的内径与所述排出孔的直径相当，且所述毛细结构的出口端到所述排出孔的距离与所述毛细结构的出口端的内径相当；
15.和/或
16.所述待制备单乳液滴的直径计算公式为d＝(6q/πf)
1/3
，
17.q为所述分散相液体的流量，
18.f为所述致动单元输入到所述扰动接口的激励频率。
19.在另一个具体实施方案中，所述高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括基板和支
撑柱；
20.所述支撑柱安装在所述基座的顶端，所述基板安装在所述支撑柱的顶端，所述致动单元安装在所述基板上，且所述致动单元的致动端向所述扰动接口输入扰动。
21.在另一个具体实施方案中，所述致动单元包括信号发生器、功率放大器和致动器；
22.所述信号发生器与所述功率放大器信号连接，所述功率放大器与所述致动器信号连接；
23.所述信号发生器发出的扰动信号经过所述功率放大器放大后，通过所述致动器输出到所述扰动接口处。
24.在另一个具体实施方案中，所述扰动接口处通过薄膜封装。
25.在另一个具体实施方案中，所述高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括第一注射泵，所述第一注射泵与所述分散相入口导通连接，用于将所述分散相液体注入所述分散相入口内；
26.所述高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括第二注射泵，所述第二注射泵与所述驱动相入口导通连接，用于将所述驱动相液体注入所述驱动相入口内，
27.或者
28.所述高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括动力泵和缓冲器，
29.所述动力泵与所述缓冲器导通连接，所述缓冲器与所述驱动相入口导通连接，
30.所述动力泵用于将所述驱动相液体输送到所述缓冲器内，所述缓冲器用于缓冲所述驱动相液体，并将所述驱动相液体输送到所述腔体内。
31.在另一个具体实施方案中，所述高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括储液池；
32.所述储液池用于所述驱动相液体的储备；
33.所述动力泵为蠕动泵，所述缓冲器为缓冲瓶。
34.在另一个具体实施方案中，所述高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括图像采集模块，
35.所述图像采集模块用于采集所述排出孔滴出的单乳液滴的图像信号；
36.和/或
37.所述高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括液滴收集模块，
38.所述液滴收集模块置于所述基座的底端，用于收集所述排出孔滴出的单乳液滴。
39.根据本实用新型的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本实用新型范围内，是本实用新型具体实施方式的一部分。
40.不限于任何理论，从以上公开内容可以看出，本实用新型公开的高通量制备均匀单乳液滴的装置，使用时，先向腔体内持续通入驱动相液体，以形成稳定驱动相流场，接着，向分散相液体通道的入口端持续通入分散相液体，致动单元通过扰动接口输入扰动给分散相液体通道内的分散相液体，实现对分散相液体射流破碎的控制，分散相液体从毛细结构的出口端排出，经过驱动相液体包裹，从排出孔排出，形成单乳液滴。通过致动单元发出的扰动信号的频率，实现对射流破碎的控制，实现了高通量生产单乳液滴，且保证了单乳液滴的尺寸均匀。
附图说明
41.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出新颖性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本实用新型提供的高通量制备均匀单乳液滴的装置的结构示意图；
43.图2为图1的局部放大结构示意图；
44.图3为本实用新型提供的扰动接口的局部放大示意图；
45.图4是本实用新型提供的典型液滴显微图；
46.图5是本实用新型提供的粒径与频率关系图；
47.图6是本实用新型提供的高通量制备均匀单乳液滴的装置原理图；
48.图7为本实用新型提供的动力泵、缓冲器和储液池的连接结构示意图。
49.其中，图1-7中：
50.基座1、腔体2、毛细结构3、致动单元4、分散相液体通道101、扰动接口102、驱动相入口201、排出孔202、基板5、支撑柱6、信号发生器401、功率放大器402、致动器403、动力泵7、缓冲器8、储液池9、图像采集模块10、照相机1001、电脑1002、液滴收集模块11、密封圈12、第一注射泵13、第二注射泵14、频闪灯15。
具体实施方式
51.为了使本领域的技术人员更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图1-7和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
52.如图1所示，本实用新型公开了一种高通量制备均匀单乳液滴的装置，其中，高通量制备均匀单乳液滴的装置包括基座1、腔体2、毛细结构3和致动单元4。
53.基座1上开设有分散相液体通道101，分散相液体通道101的入口端用于分散相液体的输入，且基座1上还开设有与分散相液体通道101导通的扰动接口102，扰动接口102封装，具体地，扰动接口102通过薄膜封装，以便于向扰动接口102处输入扰动。
54.分散相液体通道101包括第一通道和第二通道，第二通道竖直设置，第一通道水平或者与水平方向呈一定倾斜角度设置，扰动接口102设置在分散相液体通道101的上游，具体地，位于第一通道和第二通道导通位置处，扰动接口102的底端呈横截面逐渐减小的锥形，便于第一通道输送的分散相液体的缓冲。
55.致动单元4通过封装的扰动接口102输入扰动。致动单元4的结构不限，可以为任意能够实现输出扰动的结构。
56.分散相液体通道101的出口端设置在基座1的底端，毛细结构3密封安装在基座1的底端，且毛细结构3的顶端与分散相液体通道101的出口端导通。具体地，毛细结构3为毛细管，毛细管呈倒锥形，且毛细管内腔顶端尺寸大于分散相液体通道101出口端的直径尺寸，即毛细管的内腔环绕分散相液体通道101的出口端。
57.腔体2密封安装在基座1的底端，且毛细结构3置于腔体2内。具体地，腔体2的顶壁沿着从外到内的方向依次设置有第一限位台阶和第二限位台阶，对应地，基座1的底端沿着由外到内依次设置有与第一限位台阶配合的第三限位台阶，及与第二限位台阶配合的第四
限位台阶，及第五限位台阶。第一限位台阶的顶壁与第三限位台阶具有一定的间隙，第一限位台阶的侧壁与第四限位台阶的侧壁紧密贴合，以限位腔体2及基座1。第二限位台阶的底端开设有凹槽，凹槽内设置有密封圈12，密封第二限位台阶与第四限位台阶的水平面，第二限位台阶的侧壁与第五限位台阶的侧壁密封连接。
58.腔体2上开设有驱动相入口201，驱动相入口201用于输入驱动相液体到腔体2内，驱动相液体和分散相液体互不相溶，例如，驱动相液体和分散相液体中，一者为油，一者为水等。
59.腔体2的底端开设有排出孔202，排出孔202与毛细结构3的出口端同心，保证单乳液滴的顺利排出。
60.本实用新型公开的高通量制备均匀单乳液滴的装置，使用时，先向腔体2内持续通入驱动相液体，形成稳定驱动相流场，接着，向分散相液体通道101的入口端持续通入分散相液体，致动单元4通过扰动接口102输入扰动信号给分散相液体通道101内的分散相液体，实现对分散相液体射流破碎的控制，分散相液体从毛细结构3的出口端排出，经过驱动相液体包裹，从排出孔202排出，形成单乳液滴。通过致动单元4发出的扰动信号的频率，实现不同单乳液滴的制备，实现了对单乳液滴的调节控制。此外，通过致动单元4控制射流的破碎频率，可以有效克服现有微流控为制备均匀液滴而依靠滴模式不可兼顾通量的缺点。
61.在其中一些实施例中，高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括基板5和支撑柱6，支撑柱6安装在基座1的顶端，基板5安装在支撑柱6的顶端，致动单元4安装在基板5上，且致动单元4的致动端向扰动接口102输入扰动。具体地，支撑柱6焊接在基座1上，也可以通过螺钉等可拆卸连接在基座1上。基板5可以直接焊接在支撑柱6上，也可以通过螺钉等可拆卸连接在支撑柱6上。
62.在其中一些实施例中，本实用新型公开了排出孔202的直径为待制备单乳液滴的直径的2倍，毛细结构3的出口端的内径di与排出孔202的直径d相当，且毛细结构3的出口端到排出孔202的距离h与毛细结构3的出口端的内径di相当。在满足上述条件下，制备出的单乳液滴均匀。如图2所示。需要说明的是，这里的相当可以是相等、略大于或者略小于。
63.进一步地，本实用新型公开了单乳液滴的直径计算公式为d＝(6q/πf)
1/3
，其中，q为分散相液体的流量，f为致动单元4输入到扰动接口102的激励频率。即通过控制分散相液体的流量及致动单元4输入扰动接口102的激励频率，实现单乳液滴体积的控制。
64.在其中一些实施例中，具体公开了致动单元4包括信号发生器401、功率放大器402和致动器403，信号发生器401与功率放大器402信号连接，功率放大器402与致动器403信号连接；信号发生器401发出的扰动信号经过功率放大器402放大后，通过致动器403输出到扰动接口102处。
65.信号发生器401输出的扰动信号可以是多种不同的扰动信号，例如，正弦波、锯齿波、方波等。制动器可以有多种形式，例如，压电陶瓷、电磁振荡器等可提供振动的单元。
66.在其中一些实施例中，高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括动力泵7和缓冲器8，动力泵7与缓冲器8导通连接，缓冲器8与驱动相入口201导通连接，动力泵7用于将驱动相液体输送到缓冲器8内，缓冲器8用于缓冲驱动相液体，并将驱动相液体输送到腔体2内。动力泵7的脉冲流动经过缓冲器8后会发生衰减，在上述单乳液滴粒径影响参数中，一定范围内不受驱动相液体流量影响。具体地，本实用新型公开了动力泵7为蠕动泵，缓冲器8为缓冲
瓶。需要说明的是，动力泵7不限于为上述蠕动泵，也可以是其它类型的泵。缓冲瓶不限于为瓶体结构，也可以是其它结构。
67.需要说明的是，也可以直接使用注射泵分别实现分散相液体和驱动相液体的输入，如图6所示，令注射分散相的注射泵为第一注射泵13，注射驱动相的注射泵为第二注射泵14。
68.进一步地，高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括储液池9，储液池9用于驱动相液体的储备。在需要大量驱动相液体的情况下只需在储液池9加入驱动相液体即可，在连续大批量制备单乳液滴时具有重要的实用价值。
69.在其中一些实施例中，高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括图像采集模块10，图像采集模块10用于采集排出孔202滴出的单乳液滴的图像信号。
70.具体地，图像采集模块10包括图像采集器和控制器，控制器与图像采集器信号连接，图像采集器位于腔体2下方，用于采集图像信息，并将采集到的信息传递给控制器。图像采集器为照相机1001或者摄像机等，控制器为电脑1002等。
71.为了便于采集到单乳液滴的信号，本实用新型公开了高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括频闪灯15，频闪灯15设置在腔体2的下方，位于单乳液滴流的一侧。
72.进一步地，本实用新型公开了高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括液滴收集模块11，液滴收集模块11置于基座1的底端，用于收集排出孔202滴出的单乳液滴。具体地，液滴收集模块11包括盛放器皿，盛放器皿内盛放有收集液，收集液与驱动相液体不互溶。
73.本实用新型通过致动单元4主动控制射流的初始扰动(包括频率和振幅)，从上游流出的流体被外加扰动所主导，扰动可以控制射流的破碎频率。本实用新型可以精准控制射流的破碎过程，可以控制液滴的粒径及射流的长度，此外，通过调整自然破碎频率调整施加扰动的频率区间，使用更加广泛。本实用新型还可以适用于不同属性的流体(粘度、界面张力)，特别符合各种实际应用中针对不同流体的情况。
74.本实用新型中高通量制备均匀单乳液滴的装置，由于采用致动单元4控制初始扰动，可以实现射流破碎过程的精准控制，特别是控制射流的破碎频率，而且广泛应用在各种液滴微流控技术中，且可以有效克服现有微流控为制备均匀液滴而依靠滴模式不可兼顾通量的缺点，特别适合用于需要利用射流模式而大量制备的微液滴的场景。
75.在本实用新型中的“第一”、“第二”等均为描述上进行区别，没有其他的特殊含义。
76.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种高通量制备均匀单乳液滴的装置，其特征在于，包括基座、腔体、毛细结构和致动单元；所述基座上开设有分散相液体通道，所述分散相液体通道的入口端用于分散相液体的输入，且所述基座上还开设有与所述分散相液体通道导通的扰动接口，所述扰动接口封装，所述致动单元通过封装的所述扰动接口输入扰动；所述分散相液体通道的出口端设置在所述基座的底端，所述毛细结构密封安装在所述基座的底端，且所述毛细结构的顶端与所述分散相液体通道的出口端导通；所述腔体密封安装在所述基座的底端，且所述毛细结构置于所述腔体内；所述腔体上开设有驱动相入口，所述驱动相入口用于输入驱动相液体到所述腔体内，所述驱动相液体和所述分散相液体互不相溶；所述腔体的底端开设有排出孔，所述排出孔与所述毛细结构的出口端同心。2.根据权利要求1所述的高通量制备均匀单乳液滴的装置，其特征在于，所述排出孔的直径为待制备单乳液滴的直径的2倍；所述毛细结构的出口端的内径与所述排出孔的直径相当，且所述毛细结构的出口端到所述排出孔的距离与所述毛细结构的出口端的内径相当；和/或所述单乳液滴的直径计算公式为d＝(6q/πf)
1/3
，q为所述分散相液体的流量，f为所述致动单元输入到所述扰动接口的激励频率。3.根据权利要求1所述的高通量制备均匀单乳液滴的装置，其特征在于，还包括基板和支撑柱；所述支撑柱安装在所述基座的顶端，所述基板安装在所述支撑柱的顶端，所述致动单元安装在所述基板上，且所述致动单元的致动端向所述扰动接口输入扰动。4.根据权利要求1所述的高通量制备均匀单乳液滴的装置，其特征在于，所述致动单元包括信号发生器、功率放大器和致动器；所述信号发生器与所述功率放大器信号连接，所述功率放大器与所述致动器信号连接；所述信号发生器发出的扰动信号经过所述功率放大器放大后，通过所述致动器输出到所述扰动接口处。5.根据权利要求4所述的高通量制备均匀单乳液滴的装置，其特征在于，所述扰动接口处通过薄膜封装。6.根据权利要求1所述的高通量制备均匀单乳液滴的装置，其特征在于，还包括第一注射泵，所述第一注射泵与所述分散相入口导通连接，用于将所述分散相液体注入所述分散相入口内；所述高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括第二注射泵，所述第二注射泵与所述驱动相入口导通连接，用于将所述驱动相液体注入所述驱动相入口内，或者所述高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括动力泵和缓冲器，所述动力泵与所述缓冲器导通连接，所述缓冲器与所述驱动相入口导通连接，
所述动力泵用于将所述驱动相液体输送到所述缓冲器内，所述缓冲器用于缓冲所述驱动相液体，并将所述驱动相液体输送到所述腔体内。7.根据权利要求6所述的高通量制备均匀单乳液滴的装置，其特征在于，还包括储液池；所述储液池用于所述驱动相液体的储备；所述动力泵为蠕动泵，所述缓冲器为缓冲瓶。8.根据权利要求1-7中任意一项所述的高通量制备均匀单乳液滴的装置，其特征在于，还包括图像采集模块，所述图像采集模块用于采集所述排出孔滴出的单乳液滴的图像信号；和/或所述高通量制备均匀单乳液滴的装置还包括液滴收集模块，所述液滴收集模块置于所述基座的底端，用于收集所述排出孔滴出的单乳液滴。
技术总结
本实用新型公开了一种高通量制备均匀单乳液滴的装置，包括基座、腔体、毛细结构和致动单元；基座上开设有分散相液体通道，且基座上还开设有与分散相液体通道导通的扰动接口，扰动接口封装，致动单元通过扰动接口输入扰动；毛细结构安装在基座的底端，且毛细结构的顶端与分散相液体通道的出口端导通；腔体密封安装在基座的底端，且毛细结构置于腔体内；腔体上开设有驱动相入口，驱动相入口用于输入驱动相液体到腔体内，驱动相液体和分散相液体互不相溶；腔体的底端开设有与毛细结构的出口端同心的排出孔。通过致动单元发出的扰动信号的频率，实现对射流破碎的控制，实现了高通量生产单乳液滴，且保证了单乳液滴的尺寸均匀。且保证了单乳液滴的尺寸均匀。且保证了单乳液滴的尺寸均匀。


技术研发人员：司廷 杨超宇 乔然
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2020.08.19
技术公布日：2021/3/9