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      一種雙重乳液制備芯片的制作方法

      文檔序號(hào):5039047閱讀:215來(lái)源:國(guó)知局
      專利名稱:一種雙重乳液制備芯片的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本實(shí)用新型涉及一種基于微流控技術(shù)的雙重乳液制備芯片,具體涉及的是一種為提高制備效率而設(shè)計(jì)的具有樹(shù)狀結(jié)構(gòu)特征通道的雙重乳液制備芯片。
      背景技術(shù)
      雙重乳液(又稱多重乳液)是一種高度結(jié)構(gòu)化的流體,由兩種或兩種以上的互不相溶的液體組成,具體形式為一種液體(內(nèi)部流體)被另一種液體(中間流體)包裹形成分散的雙層液滴懸浮在連續(xù)相(外部流體)中,主要型式有兩種水包油包水(w/0/w)型和油包水包油(0/W/0)型。雙重乳液在農(nóng)業(yè)、食品行業(yè)、醫(yī)藥、化妝品以及危險(xiǎn)品處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。雙重乳液一般采用兩次乳化過(guò)程制備而得。以W/0/W型乳液為例,首先將水在油中乳化,然后將水/油乳液再一次在水中乳化最終生成雙重乳液。這種方法的可控性非常差,而且存在所制得的乳液球形度不高、乳粒大小不均勻、原材料消耗大等諸多問(wèn)題。為此, 迫切需要研制雙重乳液的新型制備裝置,使得既能有效提高生產(chǎn)制備效率,又能降低試劑消耗、優(yōu)化制備過(guò)程。微流控技術(shù)是高品質(zhì)雙重乳液制備的一個(gè)優(yōu)選途徑,實(shí)驗(yàn)研究表明,通過(guò)微流控技術(shù)制備的雙重乳液中液滴單分散性高、球形度好、制備過(guò)程更簡(jiǎn)易可控,具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。微流控裝置中一個(gè)重要組成部分是微流控芯片,微流控芯片中的微通道的結(jié)構(gòu)和形狀對(duì)微流控裝置性能有著重要影響。現(xiàn)有的雙重乳液制備芯片或者微毛細(xì)管裝置大多只有一個(gè)制備通道,因而生產(chǎn)率不高,制備過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng),雖然在實(shí)驗(yàn)室中取得了卓著的成效,難以應(yīng)用到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中。提高生產(chǎn)率的方法一般是將多個(gè)制備通道并聯(lián), 但是在微尺度下,流動(dòng)時(shí)流體分配往往很難做到均勻,因而可能會(huì)導(dǎo)致各個(gè)通道所生成的液滴形狀、大小不一,影響到產(chǎn)品的性能。為此,本實(shí)用新型將分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微通道設(shè)計(jì),進(jìn)而達(dá)到充分利用微流控芯片空間、生產(chǎn)效率高、液滴球形度高和大小均一的目的。
      發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有的單制備通道微流控芯片生產(chǎn)率不高的缺點(diǎn),而提供了一種新型的、具有分形樹(shù)狀特征微通道的雙重乳液制備芯片結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)雙重乳液制備芯片可在保證乳粒球形度和尺寸均一性的條件下大幅提高微球制備效率。本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種基于微流控技術(shù)的雙重乳液制備芯片,具有集成化和小型化的優(yōu)點(diǎn),該芯片的內(nèi)部流體通道和中間流體通道為分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了完全均勻的流體分配,使得雙重乳液的制備過(guò)程得到了優(yōu)化,提高了制備效率,實(shí)現(xiàn)高可控性的規(guī)?;?、連續(xù)化生產(chǎn)。技術(shù)方案為解決當(dāng)前的雙重乳液制備芯片設(shè)計(jì)上存在的技術(shù)問(wèn)題,本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種雙重乳液制備芯片,由具有三層結(jié)構(gòu)的基片加工制造而成,在基片上表面的內(nèi)側(cè)設(shè)置有內(nèi)部流體通道,在基片下表面的內(nèi)側(cè)設(shè)置有外部流體通道,在所述的外部流體通道和所述的內(nèi)部流體通道之間設(shè)置有中間流體通道,其特征在于所述的內(nèi)部流體通道具有第一分形樹(shù)狀微通道,該第一分形樹(shù)狀微通道包括第一主通道以及至少一級(jí)第一分支通道,在所述的最末級(jí)第一分支通道出口設(shè)置有貫穿所述的中間流體通道和所述的內(nèi)部流體通道的上層連接通道;所述的中間流體通道具有第二分形樹(shù)狀微通道,該第二分形樹(shù)狀微通道包括第二主通道以及至少一級(jí)第二分支通道,所述的第二分支通道的級(jí)數(shù)和分支數(shù)目與所述第一分支通道一致,在所述的的最末級(jí)第二分支通道出口設(shè)置有貫穿所述的中間流體通道和所述的外部流體通道的下層連接通道。所述的內(nèi)部流體通道和中間流體通道的分支數(shù)、交叉角、通道長(zhǎng)度均保持一致,級(jí)數(shù)η為大于2小于10的整數(shù)。所述的分形樹(shù)狀微通道以平面方式鋪展開(kāi)來(lái),所述的分形樹(shù)狀微通道至少含有2 級(jí),每級(jí)分支通道連接著分叉數(shù)N = 2的下一級(jí)分支通道,上下級(jí)微通道之間的交叉角α 為180度,上下級(jí)分支通道的水力直徑之比為Ν Δ,其中直徑維數(shù)Δ取大于7/3且小于等于3的實(shí)數(shù),所述的上下級(jí)分支通道的長(zhǎng)度之比為Ν_ιΑ1,其中長(zhǎng)度維數(shù)d取大于1且小于2 的實(shí)數(shù)。所述的外部流體通道為矩形截面通道,位于芯片最下層。所述的內(nèi)部流體通道和中間流體通道都具有分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)特征,均由主通道和分支通道組成,主通道為分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的第0級(jí)(即內(nèi)部流體或中間流體入口),由主通道分叉作用生成第1級(jí)分支通道,上下級(jí)微通道之間的交叉角α為180度,第1級(jí)的分支通道繼而通過(guò)分叉作用生成第2級(jí)分支通道,周而復(fù)循,生成第3、4、5. ... η級(jí)分支通道。這樣, 生成的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的最后一級(jí)將具有2η個(gè)微通道。這意味著貫通上層的內(nèi)部流體通道和中層的中間流體通道的上層連接通道有2"個(gè)、貫通中層的中間流體通道和下層的外部流體的下層連接通道也有2η個(gè)。參照人體呼吸系統(tǒng)的分形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分形樹(shù)狀微通道,所述的上下級(jí)分支通道的水力直徑之比為Ν Δ(Ν為每級(jí)的分支通道數(shù)目,Ν=2,直徑維數(shù)Δ取大于7/3 且小于等于3的實(shí)數(shù)),所述的上下級(jí)分支通道的長(zhǎng)度之比為Ν_1Α1(長(zhǎng)度維數(shù)d取大于1且小于2的實(shí)數(shù))。需要指出的是,每一級(jí)的分支通道都是具有相同形狀和結(jié)構(gòu)尺寸的,進(jìn)而有效保證了分散相流體的完全均勻分配功能,從而達(dá)到制備的雙重乳液中的液滴具有球形度高和大小均一特征。另外,內(nèi)部流體通道和中間流體通道采用分形結(jié)構(gòu)布置,每個(gè)雙重乳液制備芯片芯片具有2n個(gè)制備通道,大大提高了微通道芯片的空間利用,使得每次能同時(shí)生成2n個(gè)雙層液滴,使得雙重乳液的生產(chǎn)效率得到了大幅度提高。所述的內(nèi)部流體微通道、中間流體微通道和外部流體微通道在空間上呈上、中、下平行層狀排列內(nèi)部流體微通道位于上層,呈分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)布置;中間流體微通道位于中層,呈分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)布置;外部流體微通道位與下層,呈扁平狀布置。內(nèi)部流體微通道的最末級(jí)通道通過(guò)垂直于內(nèi)部流體微通道平面的連通通道與中間流體微通道相貫通;中間流體微通道的最末級(jí)通道通過(guò)垂直于中間流體微通道平面的連通通道與外部流體微通道相貫
      ο使用時(shí),將已配置好的內(nèi)部流體、中間流體和外部流體分別接入各自通道的入口,使用推進(jìn)器或者注射泵驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)。通過(guò)調(diào)解與配比推進(jìn)器或注射泵的流速,使內(nèi)部流體在所述上層連接通道出口處恰能被中間流體剪切成為單分散的液滴,并隨著中間流體從所述下層連接通道出口流出到所述外部流體通道中形成單分散的雙層液滴,最終隨著外部流體流入收集器皿中成為雙重乳液成品。本實(shí)用新型的技術(shù)方案在于受仿生思想啟迪,將人體中血管、氣管和淋巴管等樹(shù)狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微通道設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了具有分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的雙重乳液制備芯片。內(nèi)部流體和中間流體微通道的主通道通過(guò)分叉作用產(chǎn)生越來(lái)越多的分支,這種結(jié)構(gòu)類似于優(yōu)化了的流體分配器,能在有效的降低微通道內(nèi)的流體流動(dòng)壓降的同時(shí)均勻的分配每一級(jí)通道中流體的流量和流速,保證制得的液滴尺寸均一性高;并且樹(shù)狀通道具有多個(gè)出口,大大的提高了乳液制備裝置的液滴生產(chǎn)率。因此,分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的雙重乳液制備芯片的設(shè)計(jì)布置達(dá)到了節(jié)能和高效生產(chǎn)的目的。所述的內(nèi)部流體通道和中間流體通道(分別由各自的主通道和分支通道組成)的各個(gè)通道分別以平面方式鋪展開(kāi)來(lái),第0級(jí)通道(主通道)為分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的第0級(jí),在第 0級(jí)通道的末端通過(guò)分叉作用生成兩個(gè)第1級(jí)分支通道,上下級(jí)微通道之間的交叉角α為 180度,在兩個(gè)第1級(jí)的分支通道的末端繼而通過(guò)分叉作用生成四個(gè)第2級(jí)分支通道,上下級(jí)微通道之間的交叉角α也為180度,周而復(fù)循,生成第3、4、5.... η級(jí)分支通道。這樣, 生成的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的最后一級(jí)將具有2η個(gè)微通道。最后,在內(nèi)部流體微通道的最末級(jí)通道末端與上層連接通道連接匯入中間流體通道中,在中間流體微通道的最末級(jí)通道末端與下層連接通道連接匯入外部流體通道中。各級(jí)通道和出口通道的截面形狀皆可為圓形、矩形、梯形、螺紋形等任意形狀,上層連接通道和下層連接通道的形狀皆可為柱形或者錐形,但同一級(jí)、層的各個(gè)通道形狀需保持一致。在對(duì)人體呼吸系統(tǒng)分形結(jié)構(gòu)特征的研究中發(fā)現(xiàn),分支結(jié)構(gòu)中第η級(jí)通道水力直徑與下一級(jí)水力直徑之間的關(guān)系為DkZl^1 = Ν_δ (D為水力直徑,N為每級(jí)的分支通道數(shù)目,N =2,直徑維數(shù)Δ取大于7/3且小于等于3的實(shí)數(shù))。大量實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)Δ =1/3時(shí),流體層流流動(dòng)阻力取到最小值,當(dāng)△ =7/3時(shí),流體湍流流動(dòng)阻力取到最小值。要使得樹(shù)狀結(jié)構(gòu)以平面方式布置且通道之間不出現(xiàn)交錯(cuò),長(zhǎng)度維數(shù)d應(yīng)取大于1且小于2的實(shí)數(shù)。需要指出的是,盡管在樹(shù)狀通道分叉流動(dòng)可能會(huì)帶來(lái)了一定的壓降損耗,但是,應(yīng)注意到分形通道具有流體流量的分散作用,它實(shí)質(zhì)上類似一流動(dòng)的優(yōu)化分散器,該結(jié)構(gòu)可使各單元流體分散流動(dòng),流動(dòng)阻力較之直徑等于分散相液體出口直徑的集中流動(dòng)小。內(nèi)部流體通道和中間流體通道不同級(jí)的通道水力直徑和長(zhǎng)度這樣的分形分布特征,能實(shí)現(xiàn)管內(nèi)流動(dòng)泵功消耗的最優(yōu)化。并且分形樹(shù)狀通道具有多個(gè)流體出口,且各個(gè)流體出口的流量和速度得到了均一的分配,大大的提高了芯片的空間利用率和乳液的制備效率。所述的雙重乳液制備芯片根據(jù)工作條件、流體性質(zhì)等不同,大小可以控制在幾個(gè)平方厘米左右,材料可選用硅片、玻璃、硅橡膠、塑料等材料作為基片,通過(guò)蝕刻、光刻或者印模等方法加工微通道。本實(shí)用新型提供一種新型的高效、集成的分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)雙重乳液制備芯片。在所述裝置使用中,內(nèi)部流體和中間流體分別從各自的通道入口進(jìn)入各自通道中,迅速的分流到各內(nèi)部流體通道和中間流體通道的各個(gè)分支,在這個(gè)層面內(nèi)達(dá)到均勻的質(zhì)量和速度分配,然后內(nèi)部流體從其分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)通道末梢經(jīng)過(guò)上層連接通道流入中間流體通道的第η級(jí)通道中,被其剪切成單分散的液滴,并隨之流入下層連接通道中,繼而進(jìn)入外部流體通道中,被外部流體通過(guò)粘性力的作用剪切成單分散的雙層液滴。與傳統(tǒng)的平行排列的通道相比,分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的通道使有效空間利用率大大提高,另外由于其流動(dòng)阻力小,減小了泵功的消耗,這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效制備雙重乳液是有益的。有益效果本實(shí)用新型涉及一種新型的雙重乳液制備芯片,分形樹(shù)狀通道的布置方式充分利用了微流控芯片的空間,提高了雙重液滴的生產(chǎn)制備效率,還可有效保證液滴球形度和大小均一性,進(jìn)而使得整個(gè)雙重乳液制備芯片達(dá)到了集成優(yōu)化和高效制備的目的。

      圖1分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)示意圖。圖2芯片結(jié)構(gòu)示意圖1。圖3芯片結(jié)構(gòu)示意圖2。圖4內(nèi)部流體通道與中間流體通道結(jié)構(gòu)示意圖。圖5圖4的A部放大示意圖。圖中1.分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)第0級(jí);2.分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)第1級(jí);3.分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)第2級(jí); 4.分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)第η級(jí);5.基片;6.內(nèi)部流體通道;7.中間流體通道;8.外部流體通道; 9.上層連接通道;10.下層連接通道;11.內(nèi)部流體;12.中間流體;13.外部流體;14.單乳液(單分散的內(nèi)部流體液滴);15.雙重乳液(單分散的雙層液滴)。
      具體實(shí)施方式
      以下結(jié)合附圖進(jìn)行更進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明圖1給出了分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)示意圖,分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的第0級(jí)1,在其末端通過(guò)分叉作用生成兩個(gè)第1級(jí)分支通道2,上下級(jí)微通道之間的交叉角α為180度,在兩個(gè)第1級(jí)的分支通道的末端繼而通過(guò)分叉作用生成四個(gè)第2級(jí)分支通道3,上下級(jí)微通道之間的交叉角 α也為180度,周而復(fù)循,生成第3、4、5.... η級(jí)分支通道。所述上下級(jí)分支通道的水力直徑之比為(N為每級(jí)的分支通道數(shù)目,N = 2,直徑維數(shù)Δ取大于7/3且小于等于3的實(shí)數(shù)),所述上下級(jí)分支通道的長(zhǎng)度之比為N_1A1 (長(zhǎng)度維數(shù)d取大于1且小于2的實(shí)數(shù)),每一級(jí)的分支通道都具有相同形狀和結(jié)構(gòu)尺寸,按照這樣的規(guī)則生成的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的最后一級(jí)將具有2n個(gè)微通道。圖2與圖3給出了所述芯片結(jié)構(gòu)示意圖,為便于展示,示意圖中的芯片用幾個(gè)截面切割開(kāi)來(lái)采用平行排布的切片形式示意;圖4給出了所述芯片中具有分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流體通道與中間流體通道軸測(cè)圖。所述芯片主要由基片5、內(nèi)部流體通道6、中間流體通道 7、外部流體通道8以及上層連接通道9和下層連接通道10組成。內(nèi)部流體通道和中間流體通道均具有分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu),之間由上層連接通道9連接,當(dāng)內(nèi)部流體和中間流體被驅(qū)動(dòng)流入各自通道的主通道1 (分形樹(shù)狀第0級(jí)通道)之后,在分支點(diǎn)處被均勻地分配到下一級(jí)分支通道2 (分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的第1級(jí)通道)中去,如此往復(fù),內(nèi)部流體和中間流體將在各個(gè)分支點(diǎn)處得到均勻的分配,最終將被均勻的分配到2n(n為分形樹(shù)狀通道級(jí)數(shù))個(gè)分支通道中。[0033] 圖5給出了雙重乳液生成過(guò)程示意圖。內(nèi)部流體11在內(nèi)部流體通道6的第η級(jí)分支通道末端通過(guò)上層連接通道9流入中間流體通道7中被中間流體12剪切、乳化形成為乳液(單分散的內(nèi)部流體液滴)14,然后隨之通過(guò)下層連接通道10流入外部流體通道8中再被外部流體13剪切成為雙重乳液(單分散的雙層液滴)15,最終隨著外部流體流出芯片。
      權(quán)利要求1.一種雙重乳液制備芯片,由具有三層結(jié)構(gòu)的基片加工制造而成,在基片上表面的內(nèi)側(cè)設(shè)置有內(nèi)部流體通道,在基片下表面的內(nèi)側(cè)設(shè)置有外部流體通道,在所述的外部流體通道和所述的內(nèi)部流體通道之間設(shè)置有中間流體通道,其特征在于所述的內(nèi)部流體通道具有第一分形樹(shù)狀微通道,該第一分形樹(shù)狀微通道包括第一主通道以及至少一級(jí)第一分支通道,在所述的最末級(jí)第一分支通道出口設(shè)置有貫穿所述的中間流體通道和所述的內(nèi)部流體通道的上層連接通道;所述的中間流體通道具有第二分形樹(shù)狀微通道,該第二分形樹(shù)狀微通道包括第二主通道以及至少一級(jí)第二分支通道,所述的第二分支通道的級(jí)數(shù)和分支數(shù)目與所述第一分支通道一致,在所述的的最末級(jí)第二分支通道出口設(shè)置有貫穿所述的中間流體通道和所述的外部流體通道的下層連接通道。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙重乳液制備芯片,其特征在于所述的內(nèi)部流體通道和中間流體通道的分支數(shù)、交叉角、通道長(zhǎng)度均保持一致,級(jí)數(shù)η為大于2小于10的整數(shù)。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1雙重乳液制備芯片,其特征在于所述的分形樹(shù)狀微通道以平面方式鋪展開(kāi)來(lái),所述的分形樹(shù)狀微通道至少含有2級(jí),每級(jí)分支通道連接著分叉數(shù)#=2的下一級(jí)分支通道,上下級(jí)微通道之間的交叉角α為180度,上下級(jí)分支通道的水力直徑之比為 I㈧,其中直徑維數(shù)」取大于7/3且小于等于3的實(shí)數(shù),所述的上下級(jí)分支通道的長(zhǎng)度之比為I1氣其中長(zhǎng)度維數(shù)i/取大于1且小于2的實(shí)數(shù)。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3雙重乳液制備芯片,其特征在于所述的外部流體通道為矩形截面通道,位于芯片最下層。
      專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種雙重乳液制備芯片,由具有三層結(jié)構(gòu)的基片加工制造而成,在基片上表面的內(nèi)側(cè)設(shè)置有內(nèi)部流體通道,在基片下表面的內(nèi)側(cè)設(shè)置有外部流體通道,在所述的外部流體通道和所述的內(nèi)部流體通道之間設(shè)置有中間流體通道,所述的內(nèi)部流體通道具有第一分形樹(shù)狀微通道,所述的中間流體通道具有第二分形樹(shù)狀微通道。本實(shí)用新型分形樹(shù)狀通道的布置方式充分利用了微流控芯片的空間,提高了雙重液滴的生產(chǎn)制備效率,還可有效保證液滴球形度和大小均一性,進(jìn)而使得整個(gè)雙重乳液制備芯片達(dá)到了集成優(yōu)化和高效制備的目的。
      文檔編號(hào)B01L3/00GK202237837SQ20112030827
      公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
      發(fā)明者吳梁玉, 張程賓, 施明恒, 陳永平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)
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