一种微液滴高通量生成装置

技术领域

本发明涉及微液滴生成技术领域，特别是涉及一种微液滴高通量生成装置。

背景技术

随着微流控技术的发展，阵列微液滴由于具有通量高，体积小且富集和封闭的优势，目前已成为生物，化工，材料，制药等领域一个强有力的分析平台。微液滴通常是利用互不相容的两相液体或者气-液体来形成，即分散相在不相容相的剪切作用下而分散成液滴。

早期液滴生成技术主要有逐层组装法，膜乳化法和界面聚合法等。这些制备微液滴的技术在液滴的稳定性、均匀性、单分散性等方面仍存在不足。近年来，微流控芯片凭借其高精细微通道刻蚀技术成为制备微液滴的高效平台，生成的液滴具有尺寸可控、生成速度快、不易交叉污染的优势，但是微流控芯片制作成本高，需要专业的仪器设备和工作人员，且集成外置泵阀，操作复杂。为了摆脱微流控芯片繁琐的生成方法，界面打印液滴生成技术、手持式数字移液等陆续报道，这些方法虽然弥补了早期方法中分散性差，不均匀等问题，且具有成本低，操控误差小的优势，但均依赖于外置恒压流体驱动装置，增加了操作的复杂性。目前仍需要一种更简单、方便、低成本的液滴生成装置。

发明内容

本发明目的在于提供一种微液滴高通量生成装置，其基于离心驱动相界面剪切来摆脱恒压流体驱动装置，实现液滴的快速生成以解决现有技术存在的不足。

一种微液滴高通量生成装置，所述生成装置包括高速旋转电机、设置在所述高速旋转电机上的样品储液仓、固定安装在所述样品储液仓上的毛细弯管、位于所述样品储液仓下方的液滴生成池；

其中，所述毛细弯管的出口端伸入所述液滴生成池中，所述高速旋转电机和所述毛细弯管入口端的纵轴中心呈对齐布置。

上述生成装置，充分利用了分散相在离心力的作用下与连续相表面产生的剪切力梯度，当连续相中剪切力梯度大于分散相中的粘滞力时，分散相就被连续相分割成微液滴，无需外置定量注射装置，整体结构简单，操作方便，成本低廉，液滴产生速度快。

在其中一个实施例中，所述毛细弯管出口端具有一定弯度，且毛细弯管出口端轴线与所述样品储液仓轴线之间夹角的角度为90°～160°；

所述毛细弯管出口端具有一定锥度，该锥度为2.5：1～1：1。

在其中一个实施例中，所述毛细弯管通过轴心固定套固定贯穿连接在所述样品储液仓的底部中心位置处；

所述样品储液仓的进液口处活动安装有活塞盖。

在其中一个实施例中，所述液滴生成装置还包括用于承载所述液滴生成池的固定台、设置在所述固定台上的旋转控制器、固定安装在所述固定台上的承重柱、位于所述承重柱和所述高速旋转电机之间的高度调节结构；

所述旋转控制器布置在所述液滴生成池的相对应一侧位置处，且旋转控制器的输出端与所述高速旋转电机的输入端电性连接。

进一步地，所述高速旋转电机通过所述高度调节结构与所述承重柱活动连接；所述高度调节结构包括固定安装在所述高速旋转电机相对应一侧壁位置处的连接杆、固定安装在所述连接杆端部位置的滑座、开设在所述承重柱内且和所述滑座相适配的导腔、设置在所述滑座和所述承重柱之间的固定组件；

所述滑座通过导腔滑动设置在所述承重柱内。

再进一步地，所述固定组件包括开设在所述承重柱上的两组杆槽、通过对应杆槽螺纹连接在所述滑座上的螺杆；

所述螺杆通过杆槽与所述承重柱垂直活动贯穿连接，两组所述螺杆垂直设置在所述滑座的相对应两侧位置处。

在其中一个实施例中，所述样品储液仓的数量为一组；或，所述样品储液仓的数量为三组。

在其中一个实施例中，当所述样品储液仓的数量为一组时，所述样品储液仓固定安装在所述高速旋转电机输出端位置处；所述毛细弯管呈单管结构。

在其中一个实施例中，当所述样品储液仓的数量为三组时，所述毛细弯管面向所述样品储液仓的端部呈三通管结构，其用于提供混合空间以生成多组分微液滴；

所述生成装置还包括固定安装在所述高速旋转电机输出端位置处的同心转盘。

进一步地，所述同心转盘的内部开设有用于容纳所述样品储液仓的空腔，三组所述样品储液仓水平布置在所述同心转盘内；所述毛细弯管固定贯穿连接在所述同心转盘的底部中心位置处。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的生成装置，充分利用了分散相在离心力的作用下与连续相表面产生的剪切力梯度，当连续相中剪切力梯度大于分散相中的粘滞力时，分散相就被连续相分割成微液滴，无需外置定量注射装置，整体结构简单，操作方便，成本低廉，液滴产生速度快，适用于微量液滴的高通量生成、装配及量取技术以及可扩展到数字PCR等领域，推广前景优异。

附图说明

图1所示为本发明提供的一种微液滴高通量生成装置的结构框图。

图2所示为本发明实施例1提供的一种微液滴高通量生成装置的结构示意图。

图3所示为本发明实施例2提供的一种微液滴高通量生成装置的结构示意图。

图4所示为图3的局部剖视图。

图5所示为本发明中生成的微液滴尺寸与转速和旋转半径关系图。

图6所示为本发明中液滴生成过程的示意图。

图7所示为本发明中液滴生成过程的受力分析图，图中各符号表征如下：G-重力；F

主要元件符号说明

1、高速旋转电机；2、样品储液仓；3、毛细弯管；4、轴心固定套；5、液滴生成池；6、固定台；7、旋转控制器；8、承重柱；9、高度调节结构；91、连接杆；92、滑座；93、导腔；94、固定组件；10、同心转盘。

以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

实施例1

请参阅图1-2，本实施例提供了一种微液滴高通量生成装置，其用于快速生成微液滴。生成装置包括高速旋转电机1、设置在高速旋转电机1上的样品储液仓2、固定安装在样品储液仓2上的毛细弯管3、位于样品储液仓2下方的液滴生成池5、用于承载液滴生成池5的固定台6、设置在固定台6上的旋转控制器7、固定安装在固定台6上的承重柱8、位于承重柱8和高速旋转电机1之间的高度调节结构9。其中，毛细弯管3的出口端伸入液滴生成池5中，高速旋转电机1和毛细弯管3入口端的纵轴中心呈对齐布置。样品储液仓2的数量为一组，样品储液仓2固定安装在高速旋转电机1输出端位置处，毛细弯管3呈单管结构。

旋转控制器7布置在液滴生成池5的相对应一侧位置处，且旋转控制器7的输出端与高速旋转电机1的输入端之间固定连接有电线，旋转控制器7用于调节高速旋转电机1的转速。样品储液仓2内盛装有分散相，液滴生成池5内盛装有连续相，连续相和分散相为两类互不相溶的液体，样品储液仓2中的分散相在表面张力的作用下充满毛细弯管3。本实施例中，高速旋转电机1用于带动毛细弯管3沿着自身轴线进行严格精密的旋转，配合旋转控制器7来调节高速旋转电机1的转速来调整微液滴的生成规格和生成速率。请结合对照图5，分析可知，相同转速下，随着旋转半径的增大，生成液滴的直径减小；相同旋转半径下，随着高速旋转电机1转速的提高，生成液滴的直径减小。

毛细弯管3出口端具有一定弯度，且毛细弯管3出口端轴线与样品储液仓2轴线之间夹角的角度为130°，毛细弯管3出口端具有一定锥度，该锥度为2：1。毛细弯管3通过轴心固定套4固定贯穿连接在样品储液仓2的底部中心位置处，样品储液仓2的进液口处活动安装有活塞盖。本实施例中，毛细弯管3出口端锥度的计算如下：顶面直径减去底面直径/顶面与底面之间的高度，毛细弯管3的出口端严格进行硅烷化处理，毛细弯管3的管径为500μm，毛细弯管3的管尖出口直径为100μm。

高速旋转电机1通过高度调节结构9与承重柱8活动连接，高度调节结构9包括固定安装在高速旋转电机1相对应一侧壁位置处的连接杆91、固定安装在连接杆91端部位置的滑座92、开设在承重柱8内且和滑座92相适配的导腔93、设置在滑座92和承重柱8之间的固定组件94。

滑座92通过导腔93滑动设置在承重柱8内，固定组件94包括开设在承重柱8上的两组杆槽、通过对应杆槽螺纹连接在滑座92上的螺杆。螺杆通过杆槽与承重柱8垂直活动贯穿连接，两组螺杆垂直设置在滑座92的相对应两侧位置处。本实施例中，通过调节滑座92在承重柱8内的装配位置，从而调节固定于连接杆91上高速旋转电机1的高度，使得充满分散相的毛细弯管3伸入液滴生成池5中连续相的液面下，配合高速离心作用来生成微液滴。

请结合参阅图6～7，本实施例中，当毛细弯管3的出口端浸入到液滴生成池5的连续相中做匀速圆周运动时，微液滴在毛细弯管3出口端不断长大至即将离开毛细弯管3的瞬间，微液滴受垂直向下的重力，竖直向上的浮力，液滴的粘滞力和相界面的剪切力，液滴的粘滞力提供向心力，相界面的剪切力提供离心力。该过程中与连续相形成剪切力梯度，当剪切力大于分散相的粘滞力时，分散相就被连续相分割成均匀的微液滴，进而在液滴生成池5中实现微液滴的收集。需要说明的是，由于液滴的质量足够小，重力和浮力可以被忽略，在液滴增大过程中，受到的离心力也会逐渐增大，当离心力大于向心力时，液滴会迅速脱离毛细弯管3的管尖并做远离毛细弯管3运动。

本实施例的生成装置，其液滴生成过程如下：

样品储液仓2内储存有A相液体，液滴生成池5内储存有B相液体，A相液体与B相液体是不同的任意两相，具有互不相容的特性。

毛细弯管3的旋转半径为300μm，小于相界面液滴生成池5的半径。调节高速旋转电机1的高度使毛细弯管3出口端浸入在B相液体液面下。

设定旋转控制器7转速为1000r/min，并启动高速旋转电机1，毛细弯管3在B相液体内部做匀速圆周运动。样品储液仓2内的A相液体在旋转产生的离心力(F

实施例2

请参阅图2-4，本实施例提供了一种微液滴高通量生成装置，其和实施例1的区别在于：样品储液仓2的数量为三组，毛细弯管3面向样品储液仓2的端部呈三通管结构，其用于提供混合空间以生成多组分微液滴。生成装置还包括固定安装在高速旋转电机1输出端位置处的同心转盘10。同心转盘10的内部开设有用于容纳样品储液仓2的空腔，三组样品储液仓2水平布置在同心转盘10内，毛细弯管3固定贯穿连接在同心转盘10的底部中心位置处。

本实施例中，为了方便对装配于同心转盘10内样品储液仓2的分散相添加操作，同心转盘10上活动安装有盖板(图未示)以提供操作通道，此外，为了保证样品储液仓2在随同心转盘10作旋转运动时置放的稳固性，在样品储液仓2安装点采用如螺栓等加固组件进行安装固定，在此不再进行赘述。

本实施例的生成装置，其液滴生成过程如下：

三组样品储液仓3内分别存储有A相液体，B相液体，C相液体，其中，A相液体、B相液体和C相液体为同相液体，A，B，C三种同相液体在毛细作用下混合并充满毛细弯管3。液滴生成池5内储存有和样品储液仓3内液体不相容的D相液体。

毛细弯管3的旋转半径为300μm，小于相界面液滴生成池5的半径，调节高速旋转电机1的高度使毛细弯管3出口端浸入在D相液体液面下。设定旋转控制器7转速为1000r/min，并启动高速旋转电机1。

毛细弯管3在D相液体内部做匀速圆周运动，其内的混合液体在旋转产生的离心力(F

对于所涉及的各个部件的命名，以其在说明书中描述的功能作为命名的标准，而不受本发明所用到的具体的名词的限定，本领域的技术人员也可以选用其它的名词来描述本发明的各个部件名称。