专利名称：用于单分散乳液制备的重力驱动微流体装置及方法
技术领域：
本发明涉及的是一种可用于单分散乳液制备的重力驱动微流体装置。基于微流 控装置，通过借助于不同高度的流体柱的恒定重力作用产生的恒定流速驱动微流控系统， 利用连续相流体对分散相流体的剪切力、表面张力等作用，形成大小均勻的液滴，再通过固 化干燥或者紫外照射聚合，形成符合生物分析以及蛋白质、基因、药物筛选等载体要求的微 球。
背景技术：
随着生物医学技术的不断发展，以微球为载体的液相流动芯片技术在生物分析以 及蛋白质、基因、药物筛选中得到了越来越多的运用。相对于其他形式的固相载体，微球具 有显著的优势第一，微球的比表面积大，能够增加有效反应表面积与体积之比，因此可以 使表面的化学反应在更小的体积内进行；第二，采用微球作为载体可以利用一些其他辅助 手段如搅拌、液体冲刷等实现一种介于固-液反应和液-液反应之间的反应体系，从而加快 体系的反应速度；第三，微球表面结合的分子在反应完成之后可以方便的从溶液中分离出 来；第四，随着微球表面功能化基团的改变，可以扩展微球的用途。目前，多功能、高性能聚合物微球的制备一直是国内外研究的一个热点，并且已经 渗入到众多相关学科的研究中。常用的聚合物微球制备方法有乳液聚合法、分散聚合法、种 子聚合法、悬浮聚合法和微悬浮聚合法等，但是这种方法制备的微球粒径在纳米和亚微米 范围，并且将某种颗粒包被在聚合物中的难度很大。而制备几百个微米到几个毫米粒径聚 合物微球的方法有喷雾干燥法和模板法等，但是都存在粒径不均勻以及制作设备要求高， 制作成本高等问题。微流控技术是指采用微细加工技术，在一块几平方厘米的芯片上制作 出微通道网络结构，把实验室大型设备集成在尽可能小的操作平台上，用以完成不同的实 验过程，并能对产物进行分析的技术。它不仅使试剂的消耗降低，而且使实验速度提高，费 用降低，充分体现了当今实验室设备微型化、集成化和便携化的发展趋势。因此，开发基于 重力驱动的微流控装置将降低实验成本，简化实验步骤，缩小实验设备，精确控制结果，实 现微球的大规模和连续制备。
发明内容
技术问题本发明的目的是设计制造一种用于单分散乳液制备的重力驱动微流体 装置及方法，该装置结构简单，设计制造成本低廉，操作方便，能够更精确的控制乳液滴的 大小，制备的乳液滴聚合良好的单分散性，可以实现乳液滴的大规模制备和连续制备，可重 复性好。技术方案本发明的用于单分散乳液制备的重力驱动微流体装置主要包括以下部 分微流控装置支撑部件分散相支撑柱和连续相支撑柱分部固在支撑底板上，分散 相固定夹固定在分散相支撑柱上，连续相固定夹固定在连续相支撑柱上；分散相支撑柱和连续相支撑柱上分别设有高度自动升降部件的分散相高度控制马达和连续相高度控制马 达，马达控制器控制马达的转动分别调节微流体装置的高度；恒定进样部件分散相进样外柱固定在分散相固定夹上，分散相进样内柱位于分 散相进样外柱内，其高度低于分散相进样外柱的高度，分散相进样通道出口接分散相进样 内柱的底部，分散相溢出口接分散相进样外柱的底部；连续相进样外柱固定在连续相固定夹上，连续相进样内柱位于连续相进样外柱 内，其高度低于连续相进样外柱的高度，连续相进样通道出口接连续相进样内柱的底部，连 续相溢出口接连续相进样外柱的底部；流体管道和微流控通道部件分散相微流体管道的上端接分散相进样通道出口， 下端接一个T形微流控或协流式微流控通道的分散相入口 ；连续相微流体管道的上端接连 续相进样通道出口，下端接一个T形微流控或协流式微流控通道的连续相入口 ；T形微流控 或协流式微流控通道的出口接微流体流出管道；连续加样部件分散相储液样品池的进端接分散相溢出口，出样端接分散相蠕动 加样泵，分散相蠕动加样泵的出样端位于分散相连续加样池的上部，分散相连续加样池的 下部接分散相进样内柱；连续相储液样品池的进样端接连续相溢出口，出样端接连续相蠕动加样泵，连续 相蠕动加样泵的出样端位于连续相连续加样池的上部，连续相连续加样池25的下部接连 续相进样内柱；用于单分散乳液制备的重力驱动微流体装置的重力驱动微流体的方法为所述的 微流控装置的驱动力源于流体柱流体重力，重力驱动流体产生恒定速度，作为微流控装置 的驱动速度；通过控制流体柱的高度，产生的不同的恒定速度驱动微流控装置，使乳液或前 聚体溶液在流动相中剪切形成不同大小的单分散液滴；通过控制连续加样部件，实现微流 控装置的连续进样，实现单分散液滴的大规模和连续制备；维持微流控装置的液体柱保持恒定高度以及恒定量液体，多余液体溢出两相内 柱，从溢出口流出；通过蠕动加样马达，不断向恒定进样部件加样，维持连续的不断的进样； 通过马达控制器控制两相高度升降机械马达，控制微流控装置的液体柱的高度。有益效果根据本发明，利用基于重力驱动的微流控装置具有以下优点系统简单、成本低廉基于重力驱动的微流控系统只需要制作两个高度支撑架、流 体流量控制系统以及微流体通道系统即可，成本低廉；客服了机械驱动带来的昂贵成本和 误差。同时，只要制作一个微流体系统即可实现一系列微球的制备。微球单分散性好由于流体重力驱动，产生的流速更为恒定，受外界影响隐身更 小，制备得到的微球更加均勻，单分散性好。连续制备由于系统可使用大量的流体，可以实现微球的连续制备，只要流体量足 够可以实现连续不断的制备微球。大规模制备由于系统可使用大量流体以及实现连续不断的制备，系统可以实现 微球的大量制备。可重复性好由于微球的大小与装置的材料特性无关，所以只要两相液体与前期 实验相同就可重复实验结果。经过相应的固化处理后，微球的结构稳定，能够较好的满足作为生物载体的使用要求。
图1为本发明基于重力驱动的微流控装置图，图中标注有支撑底板1，分散相支撑 柱2，分散相固定夹3，连续相支撑柱4，连续相固定夹5，分散相进样外柱6，高度低于外柱 的恒定高度的分散相进样内柱7，分散相进样通道出口 8，分散相溢出口 9，连续相进样外柱 10，高度低于外柱的恒定高度的连续相进样内柱11，连续相进样通道出口 12，连续相溢出 口 13，分散相微流体管道14，连续相微流体管道15，微流体流出管道16，微流控通道分散相 入口 17，微流控通道连续相入口 18，微流控通道出口 19，分散相样品池20，分散相蠕动加样 泵21，分散相连续加样池22，连续相样品池23，连续相蠕动加样泵24，连续相连续加样池 25，分散相高度控制马达26，连续相高度控制马达27和马达控制器28。
具体实施例方式本发明通过设计制造基于重力驱动的微流控装置；该装置基于液体柱的流体重力 产生恒定的速度，驱动微流控系统，通过控制液体柱的高度，产生的不同大小的恒定驱动速 度，借助连续相流体对分散相液体的剪切力、表面张力等作用制备不同大小的液滴模板；通 过控制连续加样部件，实现液滴的大规模和连续制备；再通过固化干燥或者紫外聚合，形成 符合生物分析以及蛋白质、基因、药物筛选等载体要求的聚合物微球。基于流体在恒定高度的液体柱中，产生恒定的流速，以作为微流控通道系统的驱 动速度；采用微流体通道系统使乳液或前聚体溶液在流动相中形成液滴。通过控制机械马 达，自动调整装置的液体柱高度，以产生不同大小的恒定驱动速度；通过连续加样和恒定进 样部件，控制流体的连续加样和流体总量的恒定，以保持驱动速度恒定不变，实现液滴的大 规模制备和连续制备，装置主要包括以下部分1)微流控装置支撑部件采用机械加工技术建立微流控装置支撑部件，该部件有 三个部分，分别为支撑底板1，分散相支撑柱2，分散相固定夹3，连续相支撑柱4和连续相固 定夹5 ；2)恒定进样部件采用玻璃或塑料或金属加工技术建立恒定进样部件，该部件包 括，分散相进样外柱6，高度低于外柱的恒定高度的分散相进样内柱7，分散相进样通道出 口 8，分散相溢出口 9和连续相进样外柱10，高度低于外柱的恒定高度的连续相进样内柱 11，连续相进样通道出口 12，连续相溢出口 13 ；3)流体管道和微流控通道部件采用特富隆作为微流体的流通管道，管道主要分 为三个部分，分别为分散相微流体管道14，连续相微流体管道15，微流体流出管道16 ；采用 微加工技术建立微流体通道网络，或者选择针头、聚合物管、三通连接出一个T形通道，该 通道有2个入口，分别为分散相入口 17和连续相入口 18，有1个出口 19 ；4)连续加样部件采用机械加工技术，选择蠕动加样泵，建立连续加样部件，该部 件分为六个部分，分别是分散相样品池20，分散相蠕动加样泵(21，分散相连续加样池22和 连续相样品池23，连续相蠕动加样泵24，连续相连续加样池25 ；5)高度自动升降部件采用机械加工以及电子加工技术，选择可控制机械马达， 建立高度自动升降部件，该部件主要包括三个部分，分别为分散相高度控制马达26，连续相高度控制马达27和马达控制器28 ；所述的微流控装置的驱动力源于流体柱流体重力，重力驱动流体产生恒定速度， 作为微流控装置的驱动速度；通过控制流体柱的高度，产生的不同的恒定速度驱动微流控 装置，使乳液或前聚体溶液在流动相中剪切形成不同大小的单分散液滴；通过控制连续加 样部件，实现微流控装置的连续进样，实现单分散液滴的大规模和连续制备；支撑部件为微流控装置提供高度支架，支持微流控装置产生恒定高度的流体柱； 维持微流控装置的液体柱保持恒定高度以及恒定量液体，多余液体溢出两相内柱，从溢出 口流出；通过蠕动加样马达，不断向恒定进样部件加样，维持连续的不断的进样；通过马达 控制器控制两相高度升降机械马达，自动控制微流控装置的液体柱的高度。
权利要求
一种用于单分散乳液制备的重力驱动微流体装置，其特征在于该装置主要包括以下部分微流控装置支撑部件分散相支撑柱(2)和连续相支撑柱(4)分部固在支撑底板(1)上，分散相固定夹(3)固定在分散相支撑柱(2)上，连续相固定夹(5)固定在连续相支撑柱(4)上；分散相支撑柱(2)和连续相支撑柱(4)上分别设有高度自动升降部件的分散相高度控制马达(26)和连续相高度控制马达(27)，马达控制器(28)控制马达的转动分别调节微流体装置的高度；恒定进样部件分散相进样外柱(6)固定在分散相固定夹(3)上，分散相进样内柱(7)位于分散相进样外柱(6)内，其高度低于分散相进样外柱(6)的高度，分散相进样通道出口(8)接分散相进样内柱(7)的底部，分散相溢出口(9)接分散相进样外柱(6)的底部；连续相进样外柱(10)固定在连续相固定夹(5)上，连续相进样内柱(11)位于连续相进样外柱(10)内，其高度低于连续相进样外柱(10)的高度，连续相进样通道出口(12)接连续相进样内柱(11)的底部，连续相溢出口(13)接连续相进样外柱(10)的底部；流体管道和微流控通道部件分散相微流体管道(14)的上端接分散相进样通道出口(8)，下端接一个T形微流控或协流式微流控通道的分散相入口(17)；连续相微流体管道(15)的上端接连续相进样通道出口(12)，下端接一个T形微流控或协流式微流控通道的连续相入口(18)；T形微流控或协流式微流控通道的出口(19)接微流体流出管道(16)；连续加样部件分散相储液样品池(20)的进样端接分散相溢出口(9)，出样端接分散相蠕动加样泵(21)，分散相蠕动加样泵(21)的出样端位于分散相连续加样池(22)的上部，分散相连续加样池(22)的下部接分散相进样内柱(7)；连续相储液样品池(23)的进样端接连续相溢出口(13)，出样端接连续相蠕动加样泵(24)，连续相蠕动加样泵(24)的出端位于连续相连续加样池(25)的上部，连续相连续加样池(25)的下部接连续相进样内柱(11)；
2.一种如权利要求1所述的用于单分散乳液制备的重力驱动微流体装置的重力驱动 微流体的方法，其特征在于所述的微流控装置的驱动力源于流体柱流体重力，重力驱动流 体产生恒定速度，作为微流控装置的驱动速度；通过控制流体柱的高度，产生的不同的恒定 速度驱动微流控装置，使乳液或前聚体溶液在流动相中剪切形成不同大小的单分散液滴; 通过连续加样部件，控制微流控装置的连续进样，实现单分散液滴的大规模和连续制备；维持微流控装置的液体柱保持恒定高度以及恒定量液体，多余液体溢出两相内柱，从 溢出口流出；通过蠕动加样马达，不断向恒定进样部件加样，维持连续的不断的进样；通过 马达控制器控制两相高度升降机械马达，控制微流控装置的液体柱的高度。
全文摘要
一种可用于单分散乳液制备的重力驱动微流体装置及方法，基于微流控装置，通过借助于不同高度的流体柱的恒定重力作用产生的恒定流速来驱动微流控系统，利用连续相流体对分散相流体的剪切力、表面张力等作用形成大小均匀的液滴，再通过固化干燥或者紫外照射聚合，形成符合生物分析以及蛋白质、基因、药物筛选等载体要求的微球。该装置包括微流控装置支撑部件，恒定进样部件，流体管道和微流控通道部件，连续加样部件通过控制两相机械马达，自动化地控制两相液体柱的高度，不同高度的液体柱驱动流体产生恒定的速度，驱动微流控装置的连续相流体剪切分散相液体制备不同大小的液滴；通过连续加样部件和恒定进样部件，实现液滴的大规模和连续制备。
文档编号B01L3/00GK101982229SQ20101050322
公开日2011年3月2日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者唐宝成, 赵祥伟, 赵远锦, 顾忠泽 申请人:东南大学