一种多组分单分散微液滴数字电控系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多组分单分散微液滴数字电控系统及方法，包括：多组分液滴生成模块，用于通过控制分散相和连续相之间的流量比，获得微液滴；多组分液滴数字电控模块，用于通过若干个尖角电极和平角电极的组合电极控制所述微液滴的变形、移动和融合；所述多组分液滴生成模块和多组分液滴数字电控模块通过注入PVA溶液的流道连接，且均位于微液滴芯片上。本发明专利技术通过分立式液滴生成单元和多组分液滴的流动聚焦结构，根据流量比的调节和整体流量的调整，实现微液滴组分结构的控制和微液滴大小流速的控制，最终形成复杂多组分液滴独立生成系统。系统。系统。

【技术实现步骤摘要】
一种多组分单分散微液滴数字电控系统及方法


[0001]本专利技术属于微液滴数字电控领域，特别是涉及一种多组分单分散微液滴数字电控系统及方法。

技术介绍

[0002]液滴微流体因为比表面积大、各液滴独立可控、试剂用量少等优点而成为研究热点，适用于化学合成、生物制剂和药物运输等领域。与此同时，与之相关的液滴生成、分类、融合、分裂和捕获技术为上述应用实际提供了无与伦比的精细控制方法，也满足了微流体控制日益增长的要求。
[0003]液滴的产生源于流体的不稳定性。在被动式生成方法中，将一种或多种不相容的流体(分散流体)引入另一种(连续流体)，形成的主要流动模式有大体有挤压、滴漏、喷射、尖端流动等方法。在主动式生成方法中，额外的能量输入改变了界面上的力平衡，从而操纵了界面的不稳定性。总体来说，在主动控制中可以通过两种基本策略来改变界面力平衡：(1)引入附加力，如电、磁和离心力；(2)通过改变内在参数，如流动速度和材料特性，来改变粘性力、惯性力和毛细管力。
[0004]液滴成对融合代表了液滴微流体的一个基本过程，它包括四个步骤：1)液滴捕获；2)液滴接近、碰撞和变形；3)液滴之间连续相的排出；4)液滴的破裂和融合。液滴融合的方法可以是被动的或主动的，其中前者在没有外部驱动的情况下融合液滴，而后者利用额外的能量输入来促进液滴融合的界面不稳定性。与被动方法相比，借助额外的能量输入来调节液滴的融合显示出一些优点。特别是主动方法在控制液滴融合动力学和融合速度方面提供了额外的处理和更高的灵活性，这对于基本物理机制的理解和液滴的实际应用至关重要。
[0005]此外，为了对微液滴的进一步分析，需要研发筛选、捕获等方法实现进一步实时监控与研究，目前这些技术手段仍然在研究当中。虽然当前微流控液滴技术还存在诸多难题，其技术形式基本上还处在实验室阶段。因此需要进一步开发高度可控的微液滴操控技术。
[0006]在当前的微液滴控制系统中，主要存在两大问题。首先是微液滴的结构多样性难以保证，分散体系较为单一。目前微液滴生成体系通常为水/油体系，而且生成的液滴主要以单液滴为主，难以实现多组分液滴的分散体系，以及水/油(分散相为水，连续相为油)、油/水和油/油体系的有效切换仍然存在困难。其次是控制的可编程性、快速响应性和灵活性不足，传统微液滴的控制系统中主要采用被动控制，控制手段以流量条件、流体性质变化为主，主动控制手段采用热、光、磁场等，加热控制响应时间长，光学控制对流体材料有较高要求，磁场控制往往需要在溶液中添加磁性纳米颗粒，从而实现对微液滴流动状态的控制。因此，目前需要一种能够实现可编程的、快速响应的、布置灵活的多组分液滴动态控制系统，能实现多种液滴分散体系的微液滴芯片工艺方法，从而满足日益增长的微液滴控制需求。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种多组分单分散微液滴数字电控系统及方法，依托于当前的MEMS加工技术和非接触电极加工工艺，制备微液滴系统集成芯片，依托于流体剪切和直/交流电场的物理机制，生成和控制微液滴的各项行为，依托于流道设计、电极设计，实现复杂结构液滴特异性行为的控制，相比于现有的微液滴控制系统使获得的液滴组分更多样、结构更复杂，而且控制系统更灵活、可编程性更丰富、响应程度更快速，能够实现微液滴控制的集成性、非接触性和高度可调性，以解决上述现有技术存在的问题。
[0008]为实现上述目，本专利技术提供了一种多组分单分散微液滴数字电控系统，包括：
[0009]多组分液滴生成模块，用于通过控制分散相和连续相之间的流量比，获得微液滴；
[0010]多组分液滴数字电控模块，用于通过若干个尖角电极和平角电极的组合电极控制所述微液滴的变形、移动和融合；
[0011]所述多组分液滴生成模块和多组分液滴数字电控模块通过注入PVA溶液的流道连接，且均位于微液滴芯片上。
[0012]可选地，所述多组分液滴生成模块包括若干个分立式液滴生成单元；
[0013]所述分立式液滴生成单元包括若干组分散相，通过控制所述若干组分散相的比例，调节形成液滴的组分结构；
[0014]所述分立式液滴生成单元的外部包括若干组连续相流体，所述若干组连续相流体通过对形成的液滴进行剪切，获得微液滴。
[0015]可选地，所述微液滴数字电控系统还包括液体输入模块和电压控制模块；
[0016]所述液体输入模块包括若干个微量注射器，所述若干个微量注射器通过聚四氟乙烯导管与所述多组分液滴生成模块的若干个进口分别连接；
[0017]所述电压控制模块包括高功率放大器和信号发生器，所述高功率放大器的正极连接所述尖角电极，所述高功率放大器的负极连接所述平角电极；所述高功率放大器的电压和频率通过信号发生器控制。
[0018]本专利技术还提供了一种多组分单分散微液滴数字电控方法，包括以下步骤：
[0019]将微液滴芯片置于倒置显微镜上并进行固定，通过若干个微量注射器将液体通入所述微液滴芯片中，使多组分液滴生成模块达到稳定状态并生成微液滴；通过调节电压控制模块的参数，使多组分液滴数字电控模块控制生成的微液滴；所述电压控制模块包括相互连接的高功率放大器和信号发生器。
[0020]可选地，所述微液滴芯片的制备过程包括：在硅片上旋涂SU
‑
8胶作为阳膜，在所述阳膜上进行光刻显影后，将PDMS倒入所述阳膜中进行浇筑倒模，最后基于等离子活化工艺将剥离出的PDMS和玻璃片键合形成微液滴芯片，并基于融化的金属铟制备所述微液滴芯片上的流道电极。
[0021]可选地，所述微液滴芯片的制备过程还包括，在所述微液滴芯片的流道上通入PVA溶液，在所述流道表面形成一层PVA涂层。
[0022]可选地，多组分液滴生成模块生成微液滴的过程包括，通过调节所述多组分液滴生成模块中的若干组分散相的比例，获得液滴，进而通过控制所述多组分液滴生成模块中的若干组连续相流体，对所述液滴进行剪切，获得微液滴。
[0023]可选地，多组分液滴数字电控模块控制生成的微液滴的过程包括，将所述多组分
液滴数字电控模块中的尖角电极和平角电极分别置于不同流道宽度的流动区域，控制微液滴的变形、移动和融合。
[0024]可选地，调节电压控制模块的参数的过程包括，通过信号发生器调节高功率放大器的电压和频率，达到预设电压值和频率值时，使生成的电场作用于所述多组分液滴数字电控模块，并基于所述多组分液滴数字电控模块控制生成的微液滴。
[0025]本专利技术的技术效果为：
[0026]本专利技术通过分立式液滴生成单元和多组分液滴的流动聚焦结构，根据流量比的调节和整体流量的调整，实现微液滴组分结构的控制和微液滴大小流速的控制，最终形成复杂多组分液滴独立生成系统。
[0027]本专利技术通过不同类型的电极设计，如平角电极、尖角电极、异形电极以及相互之间的组合电极等等，实现复杂组分结构液滴的多种动态行为控制。
[0028]本专利技术通过PVA涂层的涂覆，实现水/油、油/水、油/油体系的可控切换，最本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多组分单分散微液滴数字电控系统，其特征在于，包括：多组分液滴生成模块，用于通过控制分散相和连续相之间的流量比，获得微液滴；多组分液滴数字电控模块，用于通过若干个尖角电极和平角电极的组合电极控制所述微液滴的变形、移动和融合；所述多组分液滴生成模块和多组分液滴数字电控模块通过注入PVA溶液的流道连接，且均位于微液滴芯片上。2.根据权利要求1所述的多组分单分散微液滴数字电控系统，其特征在于，所述多组分液滴生成模块包括若干个分立式液滴生成单元；所述分立式液滴生成单元包括若干组分散相，通过控制所述若干组分散相的比例，调节形成液滴的组分结构；所述分立式液滴生成单元的外部包括若干组连续相流体，所述若干组连续相流体通过对形成的液滴进行剪切，获得微液滴。3.根据权利要求1所述的多组分单分散微液滴数字电控系统，其特征在于，所述微液滴数字电控系统还包括液体输入模块和电压控制模块；所述液体输入模块包括若干个微量注射器，所述若干个微量注射器通过聚四氟乙烯导管与所述多组分液滴生成模块的若干个进口分别连接；所述电压控制模块包括高功率放大器和信号发生器，所述高功率放大器的正极连接所述尖角电极，所述高功率放大器的负极连接所述平角电极；所述高功率放大器的电压和频率通过信号发生器控制。4.一种多组分单分散微液滴数字电控方法，其特征在于，包括以下步骤：将微液滴芯片置于倒置显微镜上并进行固定，通过若干个微量注射器将液体通入所述微液滴芯片中，使多组分液滴生成模块达到稳定状态并生成微液滴；通过调节电压控制模块的参数，使多组分液滴数字电控模块控制生成的微液滴；所述电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄毅，李海旺，方卫东，陶智，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：