一种实时测量微液滴/气泡在通道中运动时流阻的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种实时测量微液滴/气泡在通道中运动时流阻的装置和方法，本发明专利技术通过改变通道上游侧壁面，增加流通方向与待测主通道平行的对比通道和压力对比接口，通过比较对比接口处两通道液体交界面位移大小和方向来实时指示液滴或气泡在通道中运动时通道的流阻变化。装置上半部分包含微液滴/气泡生成通道、压力对比通道和压力测试口，下半部分为待测通道和对比直通道，出口处连接大气。整个测量装置不需测量仪器，只需测量出微液滴/气泡生成通道连续相流量、对比通道流量以及实时监测微液滴/气泡在通道中运动时交界面变化即可实时测量出其通道流阻的变化，反应的灵敏度高，测量便捷。

A Real-time Measuring Device and Method for Flow Resistance of Micro-droplets/Bubbles Moving in Channels

The invention discloses a device and method for real-time measuring flow resistance of micro-droplets/bubbles when moving in channels. By changing the upstream side wall of channels, adding a comparative channel and a pressure comparative interface parallel to the main channel to be measured, the device and method can real-time indicate the movement of droplets or bubbles in channels by comparing the displacement and direction of the interface between two channels at the comparative interface. The flow resistance of the channel changes. The first half of the device consists of a droplet/bubble generation channel, a pressure contrast channel and a pressure test port. The second half consists of a test channel and a contrast straight channel, and the outlet is connected to the atmosphere. The whole measuring device does not need measuring instruments. It only needs to measure the continuous phase flow rate of the micro-droplet/bubble generation channel, compare the flow rate of the channel and monitor the change of the interface of the micro-droplet/bubble when it moves in the channel in real time. It can measure the change of the channel resistance in real time. The sensitivity of the reaction is high and the measurement is convenient.

【技术实现步骤摘要】
一种实时测量微液滴/气泡在通道中运动时流阻的装置和方法
本专利技术涉及一种测量微液滴/气泡在未知通道流动时实时流阻的装置及使用方法。本专利技术属于微流控芯片中微液滴/气泡

技术介绍
近年以来，随着微流控技术的迅速发展，以微液滴/气泡为核心的多相微流控技术也得到了越来越多的关注。微液滴体积小、速度快、比表面积大等优点使其被广泛应用于物理、化学、生物以及多学科交叉领域，对于微液滴/气泡生成和流动的控制会直接影响到其应用价值。在多相微流控技术中，微液滴/气泡在通道中的运动会带来通道流阻实时的变化。测量微液滴/气泡运动对通道流阻的变化能进一步研究液滴/气泡在通道中运动的机理，改善和调控多相微流控系统中的流动状况；流阻的测量也可以用于指导微液滴/气泡生成的控制，提高或降低液滴在通道中运动的流阻可以达到控制通道中液滴运动的作用，进一步提高微液滴/气泡的可控性。已有的微液滴/气泡运动流阻的实时测量方法需要实时监测通道中的流量和实时测量待测通道之间的压降。其中压降的实时测量需要将微型化的传感器嵌入到微通道中来得到测量点之间的压降，兼容性较差使得系统相对复杂，其次测量位置的限制导致装置只能测量单向流的压降；且由于传感器尺寸较大，一些结构复杂尺寸较小的微流控芯片传感器难以较好嵌入。本专利技术利用多支路通道中的流动关系，提出一种微液滴/气泡的流阻测量方法。
技术实现思路
本专利技术通过改变通道上游侧壁面，增加流通方向与待测主通道平行的对比通道和压力对比接口，通过比较对比接口处两通道液体交界面位移大小和方向来实时指示液滴或气泡在通道中运动时通道的流阻变化。本专利技术采用的技术方案为一种实时测量微液滴/气泡在通道中运动时流阻的装置。装置可采用光刻硅片为模板，PDMS浇筑、键合形成，也可以采用其它方法、材料加工形成。装置上半部分包含微液滴/气泡生成通道、压力对比通道和压力测试口，下半部分为待测通道和对比直通道，出口处连接大气。其中装置待测通道能够根据所需要测量流阻的通道个性化设计，现采用待测通道为直通道情况进行说明：如附图1，右侧为液滴/气泡生成通道，液滴/气泡分散相流体从入口2流入，未染色的连续相由入口1流入；左侧为压力对比通道,染色连续相从入口3流入；中间为压力对比测试口，入口3和入口1流入的连续相在此处交汇形成交界面；右下侧为待测直通道；下端为出口4，流体均由出口4流出。入口3连续相和入口1连续相采用相同流体，为使在压力测试口处形成交界面，对比通道流体根据流体的性质采用适宜染色剂染色。交界面上移说明上半部分流阻相对减小，反之则相对增大。交界面的位移能实时的反应流阻的变化，下面对实时流阻的变化值进行推导计算：压力对比通道采用规则截面的直通道，即左侧通道的流动阻力Rl可以用理论公式计算得到。先调节不引入分散相流体时，染色和未染色连续相液体在测压口处的界面，使界面保持在测压口的中间位置，即左右两通道内的液体不会通过测压口流到对面通道。此时，左侧通道的总流量Ql即为从入口3流入的染色液体的流量Q3，右侧通道的总流量Qr即为从入口1流入的未染色液体的流量Q1。调大入口1引入的连续相流量，记为Q1+Qt，使染色界面偏移到左侧压力对比通道，记录不同Q1+Qt下的界面位置。压力测试口下游处待测通道左半部分总流量Ql与流阻Rl的乘积和右半部分总流量Qr与流阻Rr的乘积相等，均等于压力测试口处的表压强Pg(相对于出口处4)。即，Ql×Rl＝Qr×Rr即Q3×Rl＝Q1×Rr(1)因此，右侧流动阻力Rr得到，并且调节入口1的流量后，测压口处的压力平衡关系变为：(Q3+ΔQ)×Rl＝(Q1+Qt-ΔQ)×Rr(2)其中ΔQ为由于界面变化造成的右侧通道通过测压口流入左侧压力对比通道中的流量，可以由公式(2)计算得到。保持入口3引入的流量Q3不变，在右侧通道引入分散相生成微气泡/液滴，使染色和未染色液体的界面左移到压力对比通道中，记录不同工况下的染色液体界面位置，并与右侧通道只引入连续相时候的界面位置比对。该情况下入口1和入口2的流量分别记为Q1d和Q2d，流动满足：(Q3+ΔQ)×Rl＝(Q1d+Q2d-ΔQ)×(Rr+Rb)(3)当引入/不引入分散相的两种情况的界面位置一致时，认为两种工况的ΔQ一致，结合前面计算得到的ΔQ和Rr，求出Rb。整个测量装置不需测量仪器，只需测量出微液滴/气泡生成通道连续相流量、对比通道流量以及实时监测微液滴/气泡在通道中运动时交界面变化即可实时测量出其通道流阻的变化，反应的灵敏度高，测量便捷。附图说明图1是本专利技术一种实时测量微液滴/气泡在通道中运动时流阻的装置的示意图(直通道)，其中下端虚线框部分为可个性化设计待测通道，图中待测通道为直通道。图2是下游待测通道替换个性化设计的两种情况，实际运用的结构包括但不限于这两种结构。图2(a)是下游待测通道替换为弧形通道，图2(b)是下游待测通道替换为多T型凹槽通道。图3为以直通道中微气泡的流动阻力测量为例的不同时刻的界面变化图。其中(a)为气泡刚进入待测直通道时界面图，(b)为气泡运动到待测直通道下半部分界面图，(c)气泡离开直通道界面图。具体实施方式装置实行的基本前提是在压力测试口下游处右半部分连接待测通道，左半部分连接对比直通道，右半部分待测通道尺寸和种类可以根据使用者个性化设计。其中为避免上游通道(压力对比通道、液滴/气泡生成通道)与个性化设计的下游待测通道连接处横截面的突变而带来测量的误差，压力测试口、液滴/气泡生成部分和压力对比通道需与个性化设计的待测通道的深度和宽度相同。材质根据需求选择，实验验证用的是PDMS，但不限于PDMS。下面结合待测通道为直通道装置示意图(图1)对这种实时测量气泡在通道中运动时流阻的装置工作过程和作用效果进行详细说明：以微气泡的流动阻力测量为例，本装置的具体工作过程如下：气泡生成部分，离散相气体从离散相入口2流入，未染色的连续相液体从未染色的连续相入口1流入，两者在气泡生成通道相遇，气体被剪断形成单个气泡并随连续相一起往下游运动，经过压力测试口后进入上半部分待测通道，最终从4口处流出芯片。压力对比通道，染色的连续相液体从染色连续相入口3流入，通过压力测试口后流入下半部分待测通道，最终从4流出。从未染色的连续相入口1和染色的连续相入口3通入的连续相液体均为同一种液体，区别是染色的连续相入口3的通道中流动的是被染色的液体。保持压力对比通道染色连续相流量相对气泡产生连续相流量较小，压力对比口处左半部分会形成分界清晰且稳定的界面，该界面会随着下游气泡在待测通道运动时流阻的变化而相应的产生位移。交界面上移说明上半部分流阻相对减小，反之则相对增大。交界面的位移能实时的反应流阻的变化，下面对实时流阻的变化值进行推导计算。图3(c)为气泡离开待测直通道的界面图，该情况下通道内不含有气体离散相，交界面位置相对稳定不变，后续实验中可以以此作为交界面变化的基准面；图3(a)为气泡刚进入待测直通道时界面图片，此时交界面往下移动，气泡在上半部分直通道运动，带来上半部分流阻的增加；图3(b)为气泡运动到待测直通道下半部分界面图，此时界面位置相对于图3(a)上移，相对于图3(c)下移。因此可以通过对比观测交界面位置变化，可以清楚的观测到气泡在待测通道运动过程中，待测通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实时测量微液滴/气泡在通道中运动时流阻的装置，其特征在于：装置采用光刻硅片为模板，PDMS浇筑、键合形成，也可以采用其它方法、材料加工形成；装置上半部分包含微液滴/气泡生成通道、压力对比通道和压力测试口，下半部分为待测通道和对比直通道，出口处连接大气；待测通道能够根据所需要测量流阻的通道个性化设计，现采用待测通道为直通道；右侧为液滴/气泡生成通道，液滴/气泡分散相流体从入口2流入，未染色的连续相由入口1流入；左侧为压力对比通道,染色连续相从入口3流入；中间为压力对比测试口，入口3和入口1流入的连续相在此处交汇形成交界面；右下侧为待测直通道；下端为出口4，流体均由出口4流出；入口3连续相和入口1连续相采用相同流体，为使在压力测试口处形成交界面，对比通道流体根据流体的性质采用适宜染色剂染色；交界面上移说明上半部分流阻相对减小，反之则相对增大。

【技术特征摘要】
1.一种实时测量微液滴/气泡在通道中运动时流阻的装置，其特征在于：装置采用光刻硅片为模板，PDMS浇筑、键合形成，也可以采用其它方法、材料加工形成；装置上半部分包含微液滴/气泡生成通道、压力对比通道和压力测试口，下半部分为待测通道和对比直通道，出口处连接大气；待测通道能够根据所需要测量流阻的通道个性化设计，现采用待测通道为直通道；右侧为液滴/气泡生成通道，液滴/气泡分散相流体从入口2流入，未染色的连续相由入口1流入；左侧为压力对比通道,染色连续相从入口3流入；中间为压力对比测试口，入口3和入口1流入的连续相在此处交汇形成交界面；右下侧为待测直通道；下端为出口4，流体均由出口4流出；入口3连续相和入口1连续相采用相同流体，为使在压力测试口处形成交界面，对比通道流体根据流体的性质采用适宜染色剂染色；交界面上移说明上半部分流阻相对减小，反之则相对增大。2.利用权利要求1所述装置进行的一种实时测量微液滴/气泡在通道中运动时流阻的方法，其特征在于：交界面的位移能实时的反应流阻的变化，对实时流阻的变化值进行推导计算：压力对比通道采用规则截面的直通道，即左侧通道的流动阻力Rl用理论公式计算得到；先调节不引入分散相流体时，染色和未染色连续相液体在测压口处的界面，使界面保持在测压口的中间位置，即左右两通道内的液体不会通过测压口流到对面通道；此时，左侧通道的总流量Ql即为从入口3流入的染色液体的流量Q3，右侧通道的总流量Qr即为从入口1流入的未染色液体的流量Q1；调大入口1引入的连续相流量，记为Q1+Qt，使染色界面偏移到左侧压力对比通道，记录不同Q1+Qt下的界面位置；压力测试口下游处待测通道左半部分总流量Ql与流阻Rl的乘积和右半部分总流量Qr与流阻Rr的乘积相等，均等于压力测试口处的表压强Pg；即，Ql×Rl＝Qr×Rr即Q3×Rl＝Q1×Rr(1)因此，右侧流动阻力Rr得到，并且调节入口1的流量后，测压口处的压力平衡关系变为：(Q3+ΔQ)×Rl＝(Q1+Qt-ΔQ)×Rr(2)其中ΔQ为由于界面变化造成的右侧通道通过测压口流入左侧压力对比通道中的流量，可以由公式(2)计算得到；保持入口3引入的流量Q3不变，在右侧通道引入分散相生成微气泡/液滴，使染色和未染色液体的界面左移到压力对比通道中，记录不同工况下的染色液体界面位置，并与右侧通道只引入连续相时候的界面位置比对；该情况下入口1和入口2的流量分别记为Q1d和Q2d，流动满足：(Q3+ΔQ)×Rl＝(Q1d+Q2d-ΔQ...

【专利技术属性】
技术研发人员：逄燕，周强，刘赵淼，王翔，王飓，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11