一种基于出口不对称毛细管的液滴生成系统及使用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于出口不对称毛细管的液滴生成系统及使用方法，其中液滴生成系统包括：用于接收液滴的接收容器，所述接收容器内装有连续相溶液；用于生成液滴的毛细管，所述毛细管的进口端用于引入分散相溶液，出口端伸入接收容器的连续相溶液中，所述毛细管的出口端为不对称结构；用于驱动分散相溶液从毛细管进口端流入、出口端流出的驱动装置。本发明专利技术的液滴生成系统结构简单，容易搭建，使用方便，可以简单、快速地在连续相内生成体积可控的纳升级及纳升级以下的分散相液滴。

A Droplet Generation System Based on Outlet Asymmetric Capillary and Its Application

The invention discloses a droplet generation system based on an outlet asymmetric capillary and a method for its use, in which the droplet generation system includes a receiving container for receiving droplets, in which a continuous phase solution is contained, a capillary for generating droplets, an inlet end of the capillary for introducing a dispersed phase solution, and an outlet end for extending into a continuous phase solution of the receiving container. The outlet end of the capillary is an asymmetric structure, and a driving device is used to drive the dispersed phase solution to flow in and out of the inlet end of the capillary. The droplet generation system of the invention has the advantages of simple structure, easy construction and convenient use, and can generate nano-upgrading and dispersed phase droplets with controllable volume in continuous phase simply and quickly.

【技术实现步骤摘要】
一种基于出口不对称毛细管的液滴生成系统及使用方法
本专利技术属于微流控液滴生成领域，尤其是涉及一种基于出口不对称毛细管的液滴生成系统及使用方法。
技术介绍
基于液滴的微流体技术已发展为广泛应用的通用工具，归因于以下的优点：消耗试剂量少，大量生产单分散液滴，具有促进快速反应的高表面积/体积比，以及每种液滴独立存在，可以避免样品间的交叉污染。总体来说，微流体液滴主要有两个方面的应用。其一是在材料科学中，人们利用具有明确组分和结构的液滴作为模板合成相应的材料，例如，药物，化妆品和食品的微胶囊，微粒和微纤维的合成。另一个将液滴作为化学和生物化学反应的微反应器，例如数字PCR，单细胞分析以及其它高通量的生化分析。在大多数这些应用中，通常需要高度均匀的液滴以确保得到稳定准确和可预测的结果，液滴体积从飞升到纳升的范围内可调。传统上，乳液可以通过施加不同的外力使水油两相混合而产生，如振荡，搅拌，或利用超声波等。然而，这些方法产生的液滴具有宽尺寸分布，并强烈影响乳液稳定性，对液滴的生成并没有很好的控制。随后发展的液滴生成方式有膜乳化，微通道乳化，阶梯乳化，离心力，界面振动和压电喷墨等技术。然而，发展单分散液滴的生成和精确控制液滴尺寸的新方法是非常需要的。最新发展的微流控液滴技术可以在微加工的装置中快速产生和操纵单分散液滴。基于此生成液滴的方法主要有采用具有T型、十字聚焦型或同轴共聚焦通道的微流控芯片等。随后，有许多工作致力于通道几何结构的改变，衍生出了更多复杂结构面向更广的应用，如基于通道的基础上，施加其他额外的驱动力，例如加电、施加磁场、压电等。现在微流控芯片的发展方向主要是通过高度集成化多通道并行，实现超高通量。然而，这些方法需要复杂的加工来设计和制造微流体装置。同时，还有一些基于毛细管生成液滴的方法。在采用毛细管生成液滴时，如果不采用外加装置或外力使得液滴脱离毛细管出口，只能靠液滴的重力使其掉落而脱离毛细管出口。这样的条件下形成的液滴的体积较大，通常在微升级。而微流控系统通常需要生成纳升级甚至更小体积的液滴(体积小于100纳升，对应的液滴直径在600微米以下)。因此，依靠重力实现液滴脱离和生成的毛细管系统，生成的液滴的直径通常在毛细管内直径的15-30倍，即液滴体积在数百纳升以上。并不能实现大多数微流控系统的目标。目前，文献报道的基于毛细管的液滴生成系统均采用外加装置或施加外力的方法完成液滴生成操作。例如，以同轴毛细管生成套管结构产生鞘流生成液滴，利用流体动力夹断液滴，通过调整分散相和连续相的流速精确控制液滴。利用单根毛细管在油相界面上下振动产生液滴，利用界面效应分隔流体，通过振动频率与分散相的流速实现对液滴的操纵。基于毛细管发展的另外两种生成液滴的方法，一是通过电动装置带动毛细管在油相中转动产生液滴，利用互不相容的两相的相对运动生成的剪切力夹断液滴，通过转速的改变实现对液滴的控制；另一个就是用玻璃毛细管束拉制微通道阵列，利用离心力快速生成单分散液滴，通过调整离心力的大小来控制液滴。现有的方法均存在装置和操作较为复杂，不易灵活调控生成液滴的体积的问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于出口不对称毛细管的液滴生成系统及使用方法，该系统结构简单，容易搭建，使用方便，可以简单、快速地在连续相内生成体积可控的纳升级及纳升级以下的分散相液滴。本专利技术的技术方案如下：一种基于出口不对称毛细管的液滴生成系统，包括：用于接收液滴的接收容器，所述接收容器内装有连续相溶液；用于生成液滴的毛细管，所述毛细管的进口端用于引入分散相溶液，出口端伸入接收容器的连续相溶液中，所述毛细管的出口设为不对称结构；用于驱动分散相溶液从毛细管进口端流入、出口端流出的驱动装置。本专利技术中，所述毛细管的材质包括无机材料、有机材料、高分子聚合物材料、或上述材料组成的复合材料等；所述毛细管的横截面的形状为圆形、椭圆形、方形、三角形、梯形或其他多边形；所述的毛细管的直径或内边长范围为1纳米至1毫米。本专利技术采用出口不对称毛细管来生成液滴，毛细管出口的不对称结构可以有很多，包括管口倾斜、管口缺损、管口半开放或者管口部分堵塞，以及其它管口不对称的形状等。其中，管口破损，包括在毛细管出口端的侧壁设置不对称缺损，或者将毛细管出口端堵塞后在侧壁上设置缺口。具有不对称出口形状的毛细管的加工方法应该具有以下特点：容易加工，加工成本低，加工的可控性好，加工出的毛细管出口的不对称形状规则且具有可重现性。综合考虑上述因素，作为优选，我们采用了将毛细管的出口加工成管口倾斜的方法。本专利技术中，所述的毛细管出口的不对称结构为管口倾斜，是指毛细管的出口的倾斜面与毛细管通道的轴向方向之间的夹角(按锐角计)小于70°。作为优选，毛细管的出口的倾斜面与毛细管通道的轴向方向之间的夹角(按锐角计)小于45°。对于材料硬度较高的毛细管，如石英、玻璃、或金属毛细管，通常采用研磨的方法加工其斜口出口；对于材质硬度较低的毛细管，如采用高分子聚合物—聚四氟乙烯(PTFE)制成的毛细管，可直接采用切割方法加工毛细管的斜口出口。本专利技术中，所述驱动装置为具有正压注射或负压吸取能力的液体驱动装置，包括机械泵(如注射泵、蠕动泵、真空泵、气压泵等)、电渗泵、电流体动力泵、磁流体动力泵，或基于重力的驱动装置，或其它能够对毛细管内分散相产生正压力或负压力的驱动装置。本专利技术还提供了上述基于出口不对称毛细管的液滴生成系统的使用方法，包括以下步骤：(1)准备分散相和连续相溶液，选择使液滴体积进入阶跃降低区范围的出口不对称毛细管；(2)将毛细管的出口端插入接收容器的连续相溶液中；(3)利用驱动装置，设定使液滴体积进入阶跃降低区范围的流量，使分散相溶液流过毛细管的进口端、通道，从出口端流出，在出口端生成由连续相包裹的分散相液滴。本专利技术的基于出口不对称毛细管的液滴生成系统中，影响毛细管所生成液滴体积的因素有多种，包括毛细管出口形状、毛细管出口内直径或内边长、毛细管出口表面对连续相或分散相的亲和性、毛细管内分散相的流量、连续相或分散相的表面张力等。当这些条件进入优选的条件范围内时，毛细管所生成的液滴的体积会产生阶跃性的降低变化。在这个优选的液滴体积阶跃降低区的范围内，毛细管所生成的液滴的体积小于5倍毛细管内直径或内边长。而在优选的阶跃降低区范围以外，毛细管生成的液滴的直径是毛细管内直径或内边长的15-30倍。两种条件下的液滴的体积差异达到30-3000倍。由此，利用内直径或内边长在100微米以下的毛细管，在优选的阶跃降低区范围内，可生成纳升级(定义为100纳升至0.1纳升)及纳升级体积以下的液滴。作为优选，较为简单易行的改变液滴体积的方法是通过调节毛细管内分散相的流量、管口倾斜的角度和毛细管内直径。在毛细管的液滴体积阶跃降低区，液滴直径与毛细管内直径成正比例线性关系，可以按需求精确控制液滴体积，可实现最大超过1000倍的液滴体积调节。通过更换不同构型的毛细管(如毛细管内径或者毛细管出口的管口倾斜角度)或分散相流量，重复上述步骤，更换液滴接收容器，即可生成不同体积的液滴。步骤(1)中，采用不对称结构为管口倾斜的毛细管来生成液滴，其倾斜角度对于生成液滴的体积能否进入优选的阶跃降低区至关重要。作为优选，选择倾斜面与毛细管通道的轴向夹角小于70°本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于出口不对称毛细管的液滴生成系统，其特征在于，包括：用于接收液滴的接收容器，所述接收容器内装有连续相溶液；用于生成液滴的毛细管，所述毛细管的进口端用于引入分散相溶液，出口端伸入接收容器的连续相溶液中，所述毛细管的出口设为不对称结构；用于驱动分散相溶液从毛细管进口端流入、出口端流出的驱动装置。

【技术特征摘要】
1.一种基于出口不对称毛细管的液滴生成系统，其特征在于，包括：用于接收液滴的接收容器，所述接收容器内装有连续相溶液；用于生成液滴的毛细管，所述毛细管的进口端用于引入分散相溶液，出口端伸入接收容器的连续相溶液中，所述毛细管的出口设为不对称结构；用于驱动分散相溶液从毛细管进口端流入、出口端流出的驱动装置。2.根据权利要求1所述的基于出口不对称毛细管的液滴生成系统，其特征在于，所述不对称结构为管口倾斜、管口缺损、管口半开放或者管口部分堵塞。3.根据权利要求1所述的基于出口不对称毛细管的液滴生成系统，其特征在于，所述不对称结构为管口倾斜，倾斜面与毛细管的轴向夹角小于70度。4.根据权利要求1所述的基于出口不对称毛细管的液滴生成系统，其特征在于，所述不对称结构为管口破损，包括在毛细管出口端的侧壁设置不对称缺损，或者将毛细管出口端堵塞后在侧壁上设置缺口。5.一种如权利要求1-4任一所述的基于出口不对称毛细管的液滴生成系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)准备分散相和连续相溶液，选择使液滴体积进入阶跃降低区范围的出口不对称毛细管；(2)将毛细管的出口端插入接收容器的连续相溶液中；(3)利用驱动装置，设定使液滴体积进入阶跃降低区范围的流量，使分散相溶液流过毛细管的进口端、通道，从出口端流出，在出口端生成由连续相包裹的分散相液滴。6.根据权利要求5所述的基于出口不对称毛细...

【专利技术属性】
技术研发人员：李慧调，方群，王慧峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33