一种反馈控制式双脉冲驱动液滴生成系统及液滴生成方法

1.本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种反馈控制式双脉冲驱动液滴生成系统及液滴生成方法。


背景技术：

2.目前针对微流控平台中液滴的生成方法主要分为主动法和被动法。
3.被动法主要依靠微流控芯片的结构设计及流体性质对液滴生成进行控制，这种被动生成方法生成的液滴尺寸不稳定，并且这种方法容易受到外界环境和实验条件的影响，系统的鲁棒性不好。
4.主动法是一种输入外部能量对微流控芯片结构和流体进行操控的液滴生成方法，外部能量包括电场、磁场、热量和机械源等，这种方法能够显著提升液滴生成系统的鲁棒性，并能够按需生成指定体积的液滴。然而，液滴微流控平台中外部能量输入的集成不可避免地增加了微流控器件制造的复杂性和成本。此外，外力与水动力的耦合可能使液滴形成动力学过于复杂，难以建模和闭环反馈控制，导致切换进料流体或改变通道几何形状时产生无法预测大小或体积的液滴。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为方便地生产指定体积的液滴，并使液滴生产系统具有良好的系统鲁棒性，本发明一种反馈控制式双脉冲驱动液滴生成系统，包括气泵组件、气泵伺服器、微流控芯片、成像组件以及控制器；
6.所述微流控芯片上设有连续相流道、分散相流道以及液滴流道，连续相流道端部设有一连续相入口，连续相流道与两连续相分流道相连，两条连续相分流道在叉路口汇聚，所述分散相流道一端设有分散相入口，另一端延伸至所述叉路口，所述液滴流道一端部位于叉路口，另一端部为液滴出口；
7.所述气泵组件包括均与气泵伺服器连接的连续相气泵和分散相气泵，所述连续相气泵内置有连续相液槽，连续相气泵上设有第一输入管，第一输入管连接于所述连续相入口，所述分散相气泵内置有分散相液槽，连续相气泵上设有第二输入管，第二输入管连接于所述分散相入口；
8.连续相气泵和分散相气泵分别将连续相液槽和分散相液槽中的连续相液体和分散相液体输入至连续相流道和分散相流道内，使分散相液体在连续相液体中形成液滴，并使形成液滴沿液滴流道流出；
9.所述成像组件实时拍摄微流控芯片的图像并将其传递至控制器；
10.所述控制器与所述气泵伺服器相连，所述控制器根据成像组件拍摄到的图像信息，计算出液滴体积大小和以及连续相液体和分散相液体的交界面的位置，并控制气泵伺服器调节连续相气泵和分散相气泵输出的连续相液体和分散相液体的压力及脉冲压力，从而反馈调节微流控芯片上形成的液滴的体积大小。
11.进一步地，所述控制器上还设有一显示屏，所述显示屏显示电子物镜拍摄到的液滴图像。
12.进一步地，所述液滴出口上连接一液滴输出管，所述液滴输出管用于输出所述微流控芯片上形成的液滴。
13.本发明还提供一种基于上述馈控制式双脉冲驱动液滴生成系统的液滴生成方法，该方法包括如下步骤：
14.s1：将预设值输入至控制器，所述预设值包括续相液体和分散相液的两相相交界面位置的范围以及所需的液滴的体积范围；
15.s2：控制器以其初始值分别控制连续相气泵和分散相气泵将连续相液体和分散相液体输入至连续相流道和分散相流到内，使连续相液体和分散相液体交界；其中分散相气泵输出连续相液体的压力为f1，连续相气泵输出分散相液体的压力为f2；
16.s3：成像组件实时拍摄微流控芯片的图像并将其传递至控制器，控制器分析成像组件拍摄出的图像，计算出连续相液体和分散相液体交界位置；控制器根据分析的结果调节f1和f2的大小，直至连续相液体和分散相液体交界位置在预设范围内；
17.s4：控制器控制分散相气泵在f1基础上输出一分散相压力脉冲，分散相压力脉冲幅值为ad，持续时间为td，分散相液体在分散相压力脉冲作用下冲开连续相液体进入液滴流道；分散相压力脉冲完成后，控制器控制连续相气泵在压力值f2基础上输出一连续相压力脉冲，连续相压力脉冲幅值为ac，持续时间为tc，连续相液体在连续相压力脉冲切断分散相液体输出过程，从而使分散相液体形成液滴；
18.s5：控制器分析成像组件拍摄出的图像，计算出步骤s4中液滴的体积将计算结果与预设值比较；若计算出的液滴体积在预设值范围内；则控制器控制分散相压力脉冲幅值ad，及持续时间td不变；若计算出的液滴体积不在预设值范围内；则控制器调整分散相压力脉冲幅值ad及持续时间td大小，使该反馈控制式微流控液滴生成系统后续形成的液滴体积在预设值范围内。
19.进一步地，步骤s3中控制器控制连续相液体和分散相液的混合界面的位置的过程为：控制器控制f1和f2大小调节相交界位置达到预设值范围内的过程为：若控制器分析得到交界面相对预设值靠近分散相入口，则控制器通过控制f1增大；若控制器分析得到交界面相对预设值靠近液滴出口，则控制器控制f1减小。
20.进一步地，步骤s5中控制器调节分散相压力脉冲或分散相压力脉冲的大小使后续形成的液滴体积在预设值范围内的过程为：若控制器分析得到微流控芯片上液滴大于设定值，控制器通过控制分散相气泵下次输出的分散相压力脉冲持续时间td或幅值ad减小；若控制器分析得到微流控芯片上液滴小于设定值，控制器通过控制分散相气泵下次输出的分散相压力脉冲持续时间td或幅值ad增大。
21.本发明的反馈控制式双脉冲驱动液滴生成系统的液滴生成方法的有益效果为：
22.(1)该系统及方法使用两次反馈控制来对液滴生成进行控制，第一次反馈控制可调节两相交界面的位置，使液滴生成前的初始状态保持一致。
23.(2)该系统使用分散相脉冲压力和连续相脉冲压力分别控制填充和切断，可以对单个液滴体积精确控制。
24.(3)该系统对生成液滴的进行实时监测，利用第二次反馈控制可以使生成的液滴
体积值接近预设值并针对于外部扰动可以做到自调节，保持生成液滴体积的稳定。
25.(4)该系统搭建方便、易于控制、节约成本，并能够按需生成液滴，有很高的系统准确性和鲁棒性。
附图说明
26.图1是本发明实施例反馈控制式双脉冲驱动液滴生成系统的结构图；
27.图2是图1中微流控芯片1上的细微通道的结构图；
28.图3是本发明的反馈控制式双脉冲驱动液滴生成系统的液滴生成方法的流程图；
29.图4是上述液滴生成方法中连续相气泵和分散相气泵的输出的脉冲压力的示意图。
30.上述图中：1-微流控芯片，11-连续相流道，12-连续相分流道，13-连续相入口，14-岔路口，15-分散相流道，16-分散相入口，17-液滴流道，18-液滴出口；2-控制器，3-气泵伺服器，4-分散相气泵，41-连续相气泵，5-成像组件。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
32.请参见图1和图2，本发明的一种反馈控制式微流控液滴生成系统，包括微流控芯片1，控制器2，气泵组件、气泵伺服器3以及成像组件5。
33.所述微流控芯片1上设有多条细微通道，这些细微通道包括连续相流道11、两连续相分流道12、分散相流道13以及液滴流道17，连续相流道11左端设有一连续相入口，右端与两连续相分流道12相连，两连续相分流道12在末端汇合，汇合处为岔路口14，所述分散相流道12和液滴流道17从岔路口14向左右两侧延伸，其中分散相流道12端部设有一分散相入口16，液滴流道17端部设有一液滴出口18，液滴出口上连接一液滴输出管，液滴输出管输出所述微流控芯片上形成的液滴。
34.所述气泵组件包括均与气泵伺服器3连接的连续相气泵41和分散相气泵4，连续相气泵41内置有连续相液槽43相连，连续相气泵41上设有第一输入管，第一输入管连接于所述连续相入口上，所述分散相气泵4内置有分散相液槽42，分散相气泵4上设有一第二输入管，第二输入管连接于所述分散相入口上；分散相液槽42和连续相液槽43内分别装有分散相液体和连续相液体，二者互不相溶，连续相气泵41和分散相气泵4在气泵伺服器3的控制下将连续相液体和分散相液体分别输入至连续相流道11和分散相流道13内，使分散相液体在连续相液体中形成液滴。
35.所述成像组件5与控制器2相连，所述成像组件5用于实时拍摄微流控芯片1内微流道以及微流道上流体(分散相液体及连续相液体)的图像，并将拍摄到的图像实时发送至所述控制器2。
36.所述控制器2与所述气泵伺服器3相连，控制器2利用图形分析技术分析成像组件拍摄到的图像，并从图像中分析得到微流控芯片1上连续相液体和分散相液体的两相的交界面的位置信息，以及分散相液体在连续相液体中形成液滴的体积大小信息，控制器2根据分析结果，通过气泵伺服器3调节连续相气泵41和分散相气泵4输出的连续相液体和分散相
液体压力的大小，从而反馈调节微流控芯片1上连续相液体和分散相液体的两项交界面的位置以及分散相液体在连续相液体中形成液滴的体积大小，最终使微流控芯片1能连续输出体积大小在所需的范围内分散相液滴。
37.进一步地，所述控制器2上还设有一显示屏，所述显示屏显示电子物镜拍摄到的液滴图像。
38.上述反馈控制式微流控液滴生成系统的微流控液滴生成方法，包括如下步骤：
39.s1：将预设值输入至控制器2，所述预设值包括续相液体和分散相液的两相相交界面位置的范围以及所需的液滴的体积范围；
40.s2：控制器以其初始值分别控制连续相气泵41和分散相气泵4将连续相液体和分散相液体输入至连续相流道11和分散相流道15内，使连续相液体和分散相液体在岔路口附件交界；其中连续相气泵输出连续相液体的压力为f2，分散相气泵输出分散相液体的压力为f1；
41.s3：成像组件5实时拍摄微流控芯片的图像并将其传递至控制器2，控制器2分析成像组件拍摄出的图像，计算出连续相液体和分散相液体交界位置；控制器2根据分析的结果调节f1和f2的大小，直至连续相液体和分散相液体交界位置在预设范围内；
42.其中；控制器控制f1和f2大小调节相交界位置达到预设值范围内的过程为：若控制器2分析得到交界面相对预设值靠近分散相入口16，则控制器2通过控制f1增大；若控制器2分析得到交界面相对预设值靠近液滴出口18，则控制器控制f1减小。
43.s4：控制器控制分散相气泵在f1基础上输出一分散相压力脉冲，分散相压力脉冲幅值为ad，持续时间为td，分散相液体在分散相压力脉冲作用下冲开连续相液体进入液滴流道；连续相压力脉冲完成后，控制器2控制连续相气泵在压力值f2基础上输出一连续相压力脉冲，连续相压力脉冲幅值为ac，持续时间为tc，连续相液体在连续相压力脉冲切断分散相液体输出过程，从而使分散相液体形成液滴；
44.s5：控制器2分析成像组件拍摄出的图像，计算出步骤s4中形成的液滴的体积将计算结果与预设值比较；若计算出的液滴体积在预设值范围内；则控制器控制分散相压力脉冲幅值ad，及持续时间td在后续液滴形成过程中保持不变；若计算出的液滴体积不在预设值范围内；则控制器调整分散相压力脉冲的幅值ad或持续时间td大小，使后续生成的液滴体积在预设值范围内；
45.具体地，控制器2调节分散相压力脉冲或分散相压力脉冲的大小使使后续生成的液滴体积在预设值范围内的过程为：若控制器2分析得到微流控芯片1上形成的液滴体积大于设定值，控制器2通过控制分散相气泵下次输出的分散相压力脉冲持续时间td或幅值ad减小；若控制器分析得到微流控芯片1上生成的液滴小于设定值，控制器通过控制分散相气泵下次输出的分散相压力脉冲的持续时间td或幅值ad增大。
46.需要说明的是，成像组件在上述拍摄过程中其位置保持不变，成像组件5正对微流控芯片1上连续相流道11和分散相流道15的岔路口14，从成像组件拍摄的图像，可同时分析出连续相液体和分散相液体两相相交界面位置以及形成的液滴体积大小。上述方法中，第一滴分散相的液滴形成过程中，f1、f2、ad、td、ac以及tc的大小均由初始值确定，后续液滴的体积大小由控制器2的反馈控制调节，后续液滴在经过若干次调整后，可稳定在设定的范围内，从而实现定体积液滴连续生成的效果。同时方法可保证液滴在形成过程中的稳定性，
提高液滴生成过程的鲁棒性。
47.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
48.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
49.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。