CN104148124B - 一种用于微流控芯片的液滴生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于微流控芯片的液滴生成装置，该装置由硬件部分和电路部分组成，其特征在于：所述硬件部分包括柱塞泵、电磁阀、微流控芯片、积液瓶，所述电路部分包括驱动器、光耦隔离保护电路、串口、并口、电源、上位机。本发明装置生成的液滴尺寸更小且均匀性好，生成液滴的条件简单。其对液滴尺寸控制精准，液滴流量可达微升级甚至更小，成本和功耗低，对液滴无损伤，操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术与微流体控制技术领域，具体是一种用于微流控芯片的液滴生成装置。
背景技术
微流控技术是一门涉及工艺装置加工制造技术以及微米尺度空间中操控流体并处理分析流体信息与行为的科学,液滴微流控系统是近年来微流控领域内一个新的分支。液滴微流控是在封闭微通道网络中生成和操纵液滴的技术，是一种高通量的液滴技术，每一个液滴均可被视为独立的反应器,与传统生物化学反应相比，液滴微流控具有样品消耗低、响应和控制精度高、反应快、无交叉污染等优点。产生和操控微液滴的系统应用范围越来越广，从喷墨打印等机械行业到生命科学领域中DNA分析、蛋白质结晶、细胞荧光蛋白标定等。微流控芯片是微流控技术的载体，微流控芯片是在微尺度空间对流体进行操控，可将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米的芯片上，又称为芯片实验室(Lab-on-a-chip)。
微流体系统性能得以保障的基础是微流体控制技术，即精确并高效地操纵微量流体。当前微流体控制技术缺乏在足够有效的基础上兼具微型化、低成本、低功耗和简单可靠等诸多优点于一身的平台技术。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种用于微流控芯片的液滴生成装置。该装置可控液滴的尺寸，且尺寸更小、控制精准、成本和功耗更低、操作简单、生成液滴大小的均匀性好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：设计一种用于微流控芯片的液滴生成装置。该装置由硬件部分和电路部分组成，其特征在于：所述硬件部分包括柱塞泵、电磁阀、微流控芯片、积液瓶，所述电路部分包括驱动器、光耦隔离保护电路、串口、并口、电源、上位机；
所述柱塞泵为两个，包括活塞、步进电机、进气口、出气口和气室，活塞一端与步进电机相连，另一端位于气室内部，进气口与出气口分别位于气室两侧面上；所述电磁阀为四个，分别为1号电磁阀、2号电磁阀、3号电磁阀、4号电磁阀；所述微流控芯片包括水通道、油通道、油包水液滴形成区、夹具，所述水通道和油通道均为小型储液槽，底面均有一毛线管道与油包水液滴形成区连通，且两者的毛细管道在与油包水液滴形成区连通前交汇在一起；所述夹具上预留有导管孔，安装在水通道、油通道、油包水液滴形成区的上面，其将水通道、油通道、油包水液滴形成区密封，并用导管与其他部分连接；所述积液瓶为两个，包括储水瓶和储油瓶，瓶体均为密闭结构，瓶塞上装有两根导管，一根高于液面，一根浸入到液面中，高于液面的导管另一端均分别与柱塞泵的出气口相连，储水瓶的浸入到液面中的导管与微流控芯片的水通道相连，储油瓶的浸入到液面中的导管与微流控芯片的油通道相连；所述1号电磁阀与4号电磁阀分别安装在两个柱塞泵的进气口的进气管道上，2号电磁阀安装在柱塞泵与储水瓶之间的导管上，3号电磁阀安装在柱塞泵与储油瓶之间的导管上；
所述柱塞泵的步进电机均与驱动器电连接，驱动器一端口与电源相连，另一端口通过串口与上位机相连，光耦隔离保护电路通过导线分别与1号-4号电磁阀、并口及电源相连，光耦隔离保护电路通过并口与上位机相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明装置生成的液滴尺寸更小且均匀性好，生成液滴的条件简单。其对液滴尺寸控制精准，液滴流量可达微升级甚至更小，成本和功耗低，对液滴无损伤，操作简单。
附图说明
图1为本发明用于微流控芯片的液滴生成装置一种实施例的管路图。
图2为本发明用于微流控芯片的液滴生成装置一种实施例的电路连接图。
图3为本发明用于微流控芯片的液滴生成装置一种实施例的生成液滴的显微镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图进一步介绍本发明。下面实施例仅是对本发明的进一步说明及解释，并不以此限定本申请权利要求的保护范围。
本发明用于微流控芯片的液滴生成装置(参见图1-2)由硬件部分和电路部分组成，所述硬件部分包括柱塞泵1、电磁阀2、微流控芯片8、积液瓶9，所述电路部分包括驱动器3、光耦隔离保护电路4、串口5、并口6、电源7、上位机10；
所述柱塞泵1为两个，包括活塞11、步进电机12、进气口13、出气口14和气室15，活塞11一端与步进电机12相连，另一端位于气室内部，进气口13与出气口12分别位于气室15两侧面上；所述电磁阀2为四个，分别为1号电磁阀21、2号电磁阀22、3号电磁阀23、4号电磁阀24；所述微流控芯片8包括水通道81、油通道82、油包水液滴形成区83、夹具84，所述水通道81和油通道82均为小型储液槽，底面均有一毛线管道与油包水液滴形成区83连通，且两者的毛细管道在与油包水液滴形成区83连通前交汇在一起；所述夹具84上预留有导管孔，安装在水通道81、油通道82、油包水液滴形成区83的上面，其将水通道81、油通道82、油包水液滴形成区83密封，并用导管与其他部分连接；所述积液瓶9为两个，包括储水瓶91和储油瓶92，瓶体均为密闭结构，瓶塞上装有两根导管，一根高于液面，一根浸入到液面中，高于液面的导管另一端均分别与柱塞泵1的出气口14相连，储水瓶91的浸入到液面中的导管与微流控芯片8的水通道81相连，储油瓶92的浸入到液面中的导管与微流控芯片8的油通道82相连；所述1号电磁阀21与4号电磁阀24分别安装在两个柱塞泵1的进气口13的进气管道上，2号电磁阀22安装在柱塞泵1与储水瓶91之间的导管上，3号电磁阀23安装在柱塞泵1与储油瓶92之间的导管上；
所述柱塞泵1的步进电机12均与驱动器3电连接，驱动器3一端口与电源7相连，另一端口通过串口5与上位机10相连，光耦隔离保护电路4通过导线分别与1号-4号电磁阀2、并口6及电源7相连，光耦隔离保护电路4通过并口6与上位机10相连。
所述电源7一端接市电，另一端可提供5V和24V的供电电源。
所述光耦隔离保护电路4主要包括3部分：地、5V和24V；5V部分有5个排针，一个接电源的5V,其余4个接并口6的数据位，为0V或5V；若并口6的相应数据位输出1则对应的排针处为5V，输出0则为0V；地部分有5个排针，一个接并口6的GND，4个分别接1号-4号电磁阀2的GND；24V部分有5个排针，一个接电源的24V,其余4个分别接1号-4号电磁阀2，为0V或24V。
所述驱动器的型号为北京嘉兰德科技有限公司的UIM241C04P-MS。
本发明装置的工作原理与工作过程：电源模块7供电后，驱动器3接收上位机10通过串口5发送的控制指令，进而控制柱塞泵1的活塞11上下移动来完成进气和出气。气体分别从两个柱塞泵1的进气管道经1号电磁阀21、4号电磁阀24一侧吸入，从另一侧进入柱塞泵1的进气口13进入气室15，柱塞泵的活塞11向下走，当活塞11运动到最底端，进气完成。每个柱塞泵由两个电磁阀控制，进气完成后1号电磁阀21、4号电磁阀24关闭，2号电磁阀22、3号电磁阀23打开，柱塞泵1的活塞11向上走，气体经柱塞泵1的出气口14进入2号电磁阀22、3号电磁阀23分别经过导管分别与储水瓶91、储油瓶92相连。储水瓶91与储油瓶92分别装有分散相物质与连续相物质，在气体压力作用下，分散相物质与连续相物质分别被挤入微流控芯片8的水通道81、油通道82，并在油包水液滴形成区83中形成油包水的液滴。上位机10控制柱塞泵1的移动速率，进而控制形成液滴的大小和形状。上位机10通过控制并口6的数据位来控制电磁阀2的开闭，为防止并口6被烧坏，加入了光耦隔离保护电路4。
电路控制原理如下：并口6的一个数据位控制一个电磁阀的开闭，由于要控制4个电磁阀的开闭状态，所以需要并口8个数据位中的4个，并口6相应的数据位输出0或1决定相应电磁阀的开闭：当数据位为0则相应的电磁阀得到24V的电压而打开，当数据位为1则相应的电磁阀电压为0V而关闭。并口6的数据位的输出由上位机10控制。
实施例1
本实施例利用上述装置，储水瓶91装有40mt％蒸馏水和60mt％甘油混合溶液(分散相物质)，储油瓶92装有硅油并添加0.2mt％的span80(连续相物质)。所使用柱塞泵的行程分辨率为0.00625mm/步,通过上位机调节分散相物质和连续相物质的流速比为1:3，其中控制分散相的柱塞泵速率为2步/s，控制连续相的柱塞泵速率为6步/s。利用现有芯片可生成直径约为50μm的均匀液滴，实验结果参见图3。若继续减小芯片通道的直径，可生成更为微小的液滴。经过多次实验，实验结果生成的液滴大小均匀，证明了本装置的可靠性。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (4)
1.一种用于微流控芯片的液滴生成装置，该装置由硬件部分和电路部分组成，其特征在于：所述硬件部分包括柱塞泵、电磁阀、微流控芯片、积液瓶，所述电路部分包括驱动器、光耦隔离保护电路、串口、并口、电源、上位机；
所述柱塞泵为两个，包括活塞、步进电机、进气口、出气口和气室，活塞一端与步进电机相连，另一端位于气室内部，进气口与出气口分别位于气室两侧面上；所述电磁阀为四个，分别为1号电磁阀、2号电磁阀、3号电磁阀、4号电磁阀；所述微流控芯片包括水通道、油通道、油包水液滴形成区、夹具，所述水通道和油通道均为小型储液槽，底面均有一毛线管道与油包水液滴形成区连通，且两者的毛细管道在与油包水液滴形成区连通前交汇在一起；所述夹具上预留有导管孔，安装在水通道、油通道、油包水液滴形成区的上面，其将水通道、油通道、油包水液滴形成区密封，并用导管与其他部分连接；所述积液瓶为两个，包括储水瓶和储油瓶，瓶体均为密闭结构，瓶塞上装有两根导管，一根高于液面，一根浸入到液面中，高于液面的导管另一端均分别与柱塞泵的出气口相连，储水瓶的浸入到液面中的导管与微流控芯片的水通道相连，储油瓶的浸入到液面中的导管与微流控芯片的油通道相连；所述1号电磁阀与4号电磁阀分别安装在两个柱塞泵的进气口的进气管道上，2号电磁阀安装在柱塞泵与储水瓶之间的导管上，3号电磁阀安装在柱塞泵与储油瓶之间的导管上；
所述柱塞泵的步进电机均与驱动器电连接，驱动器一端口与电源相连，另一端口通过串口与上位机相连，光耦隔离保护电路通过导线分别与1号-4号电磁阀、并口及电源相连，光耦隔离保护电路通过并口与上位机相连。
2.根据权利要求1所述的用于微流控芯片的液滴生成装置，其特征在于：所述驱动器的型号为UIM241C04P-MS。
3.根据权利要求1所述的用于微流控芯片的液滴生成装置，其特征在于：所述电源一端接市电，另一端可提供5V和24V的供电电源。
4.根据权利要求1所述的用于微流控芯片的液滴生成装置，其特征在于：所述光耦隔离保护电路主要包括3部分：地、5V和24V；5V部分有5个排针，一个接电源的5V,其余4个接并口的数据位；地部分有5个排针，一个接并口的GND，4个分别接1号-4号电磁阀的GND；24V部分有5个排针，一个接电源的24V，其余4个分别接1号-4号电磁阀。
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