[发明专利]一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法

说明书

本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法。主要由微流控芯片(流动聚焦微通道)、表面声波控制系统(包括信号发生器、压电基底与弧形叉指换能器)，注射器、导管与储液池组成。本发明装置可实现单分散的非牛顿微液滴的高效制备。流动聚焦微通道中具有非牛顿性质的离散相在直通道中形成稳定的射流柱，表面声波控制系统施加聚焦型表面声波，产生的声辐射能将不稳定的射流柱尖端切除后，持续高频的切割均匀射流柱，生成尺寸均匀的非牛顿微液滴。本发明提供的一种设计巧妙、操作简单的单分散非牛顿微液滴制备技术及微流控装置，在化学、生物、医学和材料科学领域均有较好应用前景。

技术领域

本发明属于微流控芯片领域，具体涉及一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法。

背景技术

液滴微流控是近二十年来微流控发展最快的分支之一。液滴可为化学、生物、医学和材料科学领域的各种功能实现提供互不干扰的微尺度封闭空间，具有低消耗、易操控、高通量等优势。液滴尺寸的精准控制是建立均匀微环境以确保成分均匀、药物或化学反应物剂量准确的先决条件。非牛顿流体在自然界和工业中无处不在，诸多重要应用如药物合成、细胞封装、药物筛选和递送等中所使用流动介质往往是非牛顿流体。基于微流控芯片的单分散牛顿微液滴生成技术已日趋成熟，但一旦涉及复杂非牛顿流体，液滴生成时总会伴随着大量卫星液滴，难以可控地制备单分散非牛顿微液滴。因此，亟需建立一种有效的单分散非牛顿微液滴制备技术。

基于微流控技术的液滴方法主要分为两类，一类为被动方法，即利用通道结构和流动特性来构建界面不稳定而实现液滴生成，例如下壁面外凸的微流控芯片(专利号：201510921373)、一液滴生成装置、液滴微流控芯片及应用(专利号：201810910976)等；另一类为主动方法，即利用外场的作用诱导或增强界面不稳定性而主动控制液滴生成，如电场，磁场，温度场，磁场等，例如一种基于磁操控实现双重液滴分选的微流控装置(专利号：201822151181)、具有多个温度区和增强的温度控制的微流控器件(专利号：201810543914)等。然而，尽管上述方法可以实现单分散性较好的牛顿液滴生成，但涉及非牛顿流体时，主液滴总会伴随卫星液滴，尺寸均匀的非牛顿液滴生成较难实现。

需要指出，基于微流控芯片的液滴生成一般具有滴流和射流两种模态。相交于滴流模态，射流模态下的液滴生成的通量会大幅提高，因为获得更多关注。然而，射流模态下非牛顿流体液桥的断裂动力学极其复杂，且往往产生更紊乱的卫星液滴串，严重影响生成液滴单分散性。此外，由于非牛顿流体射流液柱界面不稳定性的复杂特性，现有主动和被动方法均较难实现非牛顿液滴制备的单分散性要求。

基于此，本发明提出一种单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法。不同于现有主动方法诱导或增强液柱界面不稳定性的理念，本发明提出利用声场作用截断界面不稳定的液柱段而构建均匀液柱的新策略。在构建均匀液柱的基础上，利用声场作用截取尺寸均匀的液柱段，并通过改变声场频率来调节单分散非牛顿液滴的生成频率。

发明内容

本发明旨在提供提出一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法。不同于现有主动方法诱导或增强界面不稳定性的理念，本发明提出利用声场作用截断界面不稳定的液柱段而构建均匀液桥的新策略，实现单分散非牛顿微液滴的制备。

本发明中，装置结构由微流控芯片、声波控制系统、注射器、储液池及导管构成(图1)。在非牛顿液滴生成的射流模态下，利用声场作用截断界面不稳定的液柱段而构建均匀液柱，在均匀液柱的基础上调控声场强度和频率，实现液滴尺寸和生成频率的可控调节。

本发明的技术方案：

一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置。所述的微流控装置主要由微流控芯片3、声波控制系统、注射器1、导管2及储液池7组成。