一種微通道內(nèi)產(chǎn)生超小液滴的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明特別涉及一種微通道內(nèi)產(chǎn)生超小液滴的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，微電子機械系統(tǒng)、生命科學和分析科學等學科相交叉所產(chǎn)生的新興學科一一生物微電子機械系統(tǒng)，又稱微流控芯片、芯片實驗室或微全分析系統(tǒng)發(fā)展迅速。其市場空間巨大，可廣泛應(yīng)用于生命科學、醫(yī)學、化學、新藥開發(fā)、食品和環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)督等領(lǐng)域。微流控芯片是把一個傳統(tǒng)的分析實驗室功能微縮到一個小芯片上構(gòu)建成化學或生物實驗室，與傳統(tǒng)分析方法相比，微流控芯片具有響應(yīng)速度快；樣品和試劑消耗量少；系統(tǒng)外部連接少；污染少，實行一次性使用；可以實時、原位、連續(xù)檢測，并可在微環(huán)境下工作；可實現(xiàn)批量制造、降低成本等優(yōu)點。因此，微流控芯片技術(shù)已引起人們的廣發(fā)關(guān)注，成為了生物醫(yī)學、化學分析等領(lǐng)域的研宄熱點。
[0003]液滴式微流控芯片是微流控系統(tǒng)中的一個重要分支。以單個液滴為單位，在微通道內(nèi)可以完成不同物質(zhì)的生化反應(yīng)以及醫(yī)療藥物的配置等。與通常的連續(xù)相流動相比，采用單個分散液滴的形式具有反應(yīng)所需試劑量更小，反應(yīng)無污染，反應(yīng)迅速，高通量，反應(yīng)條件精確控制，可以同時開展多種試驗的并行研宄，成本更低等優(yōu)勢，是微米甚至納米尺度下理想的微反應(yīng)器。同時，基于液滴的微流控系統(tǒng)能夠大大減小試驗設(shè)備的尺寸，使整個設(shè)備系統(tǒng)更加緊湊。液滴研宄已經(jīng)在生物、化學、醫(yī)學等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前液滴主要有四個研宄方向，液滴形成、液滴合并、液滴分離和液滴融合。其中基于液滴的微流控系統(tǒng)最基本也最重要的功能就是產(chǎn)生大小一致、分散性好的液滴。
[0004]因此本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于開發(fā)一種能夠產(chǎn)生超小液滴的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠產(chǎn)生超小液滴的方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種微通道內(nèi)產(chǎn)生超小液滴的方法，其特征是包括以下步驟:
[0007]a、在硅片上制作出微流通道模具，同時在一塊很薄的鋼片上加工一個圓孔，該圓孔的直徑小于微流通道的直徑，將鋼片蓋在硅片模具表面，透過圓孔在微流通道模具上噴涂S12溶液，然后將配好的聚二甲基硅氧烷溶液或傾倒在硅片上，再放在加熱板上烘烤，烘烤完畢后，將烤硬的第一片聚二甲基硅氧烷從硅片上撕下來，則在第一片聚二甲基硅氧烷的表面形成微通道，該微通道包括兩個油路進口通道、一個水路進口通道和一個汽化通道，該油路進口通道和水路進口通道的左端均設(shè)有進流孔與微流控芯片外部相通，且該油路通道的右端和水路進口通道的右端交匯在汽化通道的左端，兩個所述油路進口通道對稱設(shè)置在水路進口通道兩側(cè)，該水路進口通道的中心線與汽化通道的中心線在同一條直線上，通過加熱烘烤的方式S12顆粒轉(zhuǎn)貼到汽化通道內(nèi)壁形成汽化核心，該汽化通道的右端連接有冷凝通道，且該冷凝通道右端設(shè)有的出液孔與微流控芯片外部相通；
[0008]b、將第一片聚二甲基硅氧烷與平整的第二片聚二甲基硅氧烷貼合在一起，使第一片聚二甲基硅氧烷上的微通道朝向第二片聚二甲基硅氧烷；
[0009]C、將激光器垂直置于第二片聚二甲基硅氧烷一側(cè)，激光器的激光發(fā)射端對準汽化核心；
[0010]d、從水路進口通道左端設(shè)置的進流孔內(nèi)注入需要形成超小液滴的液體，同時從油路進口通道左端設(shè)置的進流孔內(nèi)注入油液；
[0011]e、啟動激光器，使激光器對汽化核心處加熱形成氣泡；
[0012]f、持續(xù)注入液體和油液，氣泡被液體推動流向冷凝通道；
[0013]g、從冷凝通道右端設(shè)置的出液孔接取冷凝后的超小液滴。
[0014]采用本發(fā)明方法制備的超小液滴，微流控芯片材質(zhì)具有為透明、不導熱、無毒、不易燃等性質(zhì)，在微通道內(nèi)通過精細的加工創(chuàng)造局部粗糙表面，形成汽化核心，即人為創(chuàng)造汽化沸騰所需要的狹縫、空穴和凹坑等，將需要形成超小液滴的液體從水路進口通道左端設(shè)置的進流孔注入，同時從油路進口通道左端設(shè)置的進流孔內(nèi)注入油液，通過調(diào)節(jié)油相和水相的流速，使三者在汽化通道內(nèi)形成三道平行的液路。當表面經(jīng)過處理形成一定的粗糙度以后，與平整的光滑表面相比，根據(jù)氣泡動力學和成核理論，粗糙表面內(nèi)的狹縫中的液體所受到的加熱的影響比位在平直光滑面上同樣數(shù)量的液體要多得多，其狹縫中的液體汽化所需要的能量更小。流體經(jīng)過汽化核心時，用激光器照射汽化核心，汽化核心上的流體比光滑的壁面上的流體更容易沸騰汽化逃離形成氣泡并進一步吸熱長大。
[0015]由于在氣泡的兩邊，即水相的兩邊是同時并行流動的油相，那么當氣泡長大發(fā)生膨脹的過程中會擠壓兩邊的油相；反過來，與此同時，兩邊的油相也會對長大的氣泡有一個剪切力的作用將氣泡與前后的水相剪段并隔離開來；氣泡表面由油相包裹著，在繼續(xù)流動過程中熱量散發(fā)會逐漸冷凝。由于微流控芯片微通道的寬度尺寸為微米級別，因此氣泡直徑也在微米量級。例如對于一個直徑為100微米的氣泡，根據(jù)公式V = 4 π r3/3,其體積約為5.24X10_1(IL，本發(fā)明的微流控芯片環(huán)境為一個大氣壓，根據(jù)在一個大氣壓下，等質(zhì)量的水蒸氣冷凝成液體之后的體積比約為1800:1，因此直徑為100微米的氣泡冷凝成液體以后其體積約為2.91 X 1-13L,直徑約為4微米左右。傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的液滴直徑通常在十微米以上，本發(fā)明所提出的方法不僅可以產(chǎn)生幾微米的液滴，當我們通過調(diào)節(jié)激光功率和兩相流速控制產(chǎn)生氣泡的大小甚至可以達到產(chǎn)生納升級別的液滴。持續(xù)用激光加熱，在該處連續(xù)形成氣泡，長大，被兩邊的油相剪斷。對單個氣泡而言，當氣泡長大以后，按照流體流動的方向，氣泡前端的流體繼續(xù)流動，速度大小不變，壓力不變，而氣泡后端的流體受到氣泡的阻礙流速減小，壓力增大，即單個氣泡前后存在壓力差，且由于流體是連續(xù)流動，因此氣泡受到壓力差驅(qū)動，上游來的流體會帶走產(chǎn)生的氣泡離開汽化核心進入到冷凝通道中，在冷凝通道的流動過程中冷凝，直至成超小液滴。
[0016]只要激光持續(xù)加熱，該過程將持續(xù)進行。該方法只有在具有汽化核心的地方才產(chǎn)生氣泡，通過激光點熱源加熱的方法，可以靈活地控制欲產(chǎn)生氣泡的位置，而沒有激光點熱源加熱的地方不會產(chǎn)生氣泡。通過改變激光功率和兩相流速可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生氣泡的速率和大小也即是分別調(diào)控最后冷凝下來液滴的分散性和大小，調(diào)節(jié)過程簡單方便、迅速靈敏。
[0017]作為優(yōu)選的，所述冷凝通道為蛇形通道。蛇形的冷凝通道能夠在最小的空間內(nèi)布置出最長的冷凝通道，提高氣泡的冷凝時間，使氣泡的冷凝過程更為徹底。
[0018]作為優(yōu)選的，所述油路進口通道的中心線與水路進口通道的中心線的夾角小于45°。當油路進口通道的中心線與液滴進口通道的中心線的夾角大于45°時，水路進口通道進入的液體會在油路進口通道進入的油液的剪切作用下形成一滴一滴的液滴，這個在汽化核心處形成氣泡后由于沒有后續(xù)的液體推動，將會在汽化核心處停留直至下個液滴來到形成氣泡，從而導致無法調(diào)節(jié)兩個氣泡之間的距離。
[0019]作為優(yōu)選的，在步驟b和步驟c之間插入步驟bl，在第一片聚二甲基硅氧烷一側(cè)設(shè)置高速攝影儀和信號采集系統(tǒng)，將高攝對準微流控芯片，該高攝與信號采集系統(tǒng)相連，通過信號采集系統(tǒng)對采集的微通道內(nèi)的流動過程進行處理，且該高攝和激光器分別位于微流控芯片兩側(cè)。由于微通道尺寸較小，通過高攝能夠更好的采集氣泡長大直至冷凝成超小液滴過程的影像。