CN114011481B - 一种压电式毛细管液滴制备装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压电式毛细管液滴制备装置及其使用方法，包括毛细针管、储液容器和压电陶瓷片，所述储液容器的前端设有所述毛细针管，所述储液容器的侧壁上固定有所述压电陶瓷片。本发明结构简单，将压电陶瓷片粘贴在储液容器上，施加激励电压后，储液容器端部的毛细针管会产生振动，针尖的液滴会由于振动产生旋转运动，当液滴达到一定大小时，会被离心力甩出，通过控制所施加激励信号的大小，液滴会产生不同转速，产生尺寸不一的液滴。

Description

一种压电式毛细管液滴制备装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及液滴制备技术领域，尤其是涉及一种压电式毛细管液滴制备装置及其使用方法。

背景技术

液滴制备技术是一个快速发展的领域，广泛应用于生化、医学、材料等领域，如数字液滴PCR、药物筛选、单细胞RNA测序、细胞3D培养技术、纳米材料化学。液滴的制备技术经历了传统的乳化等方法、微流控微流控技术和近几年的芯片外新方法。传统的乳化法和逐层组装等液滴制备方法，由于其过程简单、效率高，至今仍然在被广泛使用，但随着生化、医学等领域的发展，越来越难以满足对液滴尺寸均匀、精确可控的需求。

微流控技术尺寸微小，响应速度快，对液滴尺寸控制精确，但存在芯片制作成本高、不利于高通量制备液滴的不足，因此，近年来，许多学者提出了多种许多芯片外的液滴制备、操控技术。

离心力制备液滴技术通过使用微型离心机平台，旋转液滴容器，利用离心力推动水溶液通过微喷口阵列，然后将微滴挤压下来，飞到油相中收集。离心力法可以生产和收集单分散液滴，以供进一步应用。然而，由于设备不能连续加载水相，所产生液滴的量较少，限制了它的应用范围。剪切力制备液滴技术是使用剪切力来切割流体。将毛细管竖直插入油(连续相)中，通过旋转毛细管并同时使用注射泵将水溶液(分散相)泵入毛细管中，由于毛细管口附近的水溶液液滴会与油相互运动，从而产恒＝生剪切力，随着液滴体积增大，剪切力克服了液滴的表面力等阻力时，便产生了液滴。然而，为了避免液滴尺寸的高多分散性，液滴生成的吞吐量相对较低(<2mol/min)。

综上所述，微流控技术需要制备微通道芯片，工艺成本极高，其他芯片外技术还需使用电机等设备，结构较复杂，而结构简单的如针基系统液滴制备技术则无法制备不同尺寸的液滴，需要更换不同内径注射针。因此，目前亟需一种新型的液滴制备技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电式毛细管液滴制备装置及其使用方法，矩形压电陶瓷片施加激励电压后毛细针管产生弯曲振动，毛细针管针尖部的液滴由于振动产生旋转运动，当液滴达到一定大小时会被离心力甩出，通过控制所施加激励信号的大小，液滴会产生不同转速产生尺寸不一的液滴。

根据本发明的一个目的，本发明提供一种压电式毛细管液滴制备装置，包括毛细针管、储液容器和压电陶瓷片，所述储液容器的前端设有所述毛细针管，所述储液容器的侧壁上固定有所述压电陶瓷片。

进一步地，所述压电陶瓷片的数量为两个，两个所述压电陶瓷片分别设置在所述储液容器相对的两个侧壁上。

进一步地，所述压电陶瓷片的极化方向为厚度方向，两个所述压电陶瓷片胶结于所述储液容器上时保持极化方向一致。

进一步地，所述压电陶瓷片和所述毛细针管采用AB胶粘接在所述储液容器上。

进一步地，所述压电陶瓷片与激励信号发生装置连接，所述激励信号发生装置的激励电压可调。

进一步地，所述储液容器的上下两端通过夹具固定，所述夹具包括两个压板，两个所述压板分别位于所述储液容器的上下两端，所述压板与所述储液容器之间设有软质材料制成的支撑垫，两个所述压板之间通过螺栓连接。

进一步地，所述储液容器的共振频率为1.4kHz。

进一步地，所述毛细针管为不锈钢毛细针管，所述储液容器为金属储液容器，所述支撑垫采用树脂材料制成。

根据本发明的另一个目的，本发明提供一种压电式毛细管液滴制备装置的使用方法，包括如下步骤：

S1，为压电陶瓷片施加激励信号，储液容器和毛细针管产生振动，毛细针管的针尖产生振幅极大的摆动；

S2，毛细针管的针尖的液滴产生旋转运动，并逐渐增大，离心力逐渐增大；

S3，当液滴质量达到最大值，离心力克服液滴与针尖的吸力并脱离。

进一步地，通过控制激励信号的激励电压的大小，可改变毛细针管的针尖的振幅，使液滴以不同转速旋转，生成不同尺寸的液滴。

本发明的技术方案结构简单，将压电陶瓷片粘贴在储液容器上，施加激励电压后，储液容器端部的毛细针管会产生振动，针尖的液滴会由于振动产生旋转运动，当液滴达到一定大小时，会被离心力甩出，通过控制所施加激励信号的大小，液滴会产生不同转速，产生尺寸不一的液滴。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的主视图；

图3为本发明实施例的侧视图；

图4为本发明实施例液滴产生尺寸变化示意图；

附图标记说明：1-不锈钢毛细管、2-金属储液容器、3-压电陶瓷片、31-第一压电陶瓷片、32-第二压电陶瓷片、4-夹具、5-紧固螺栓、6-压板、7-支撑垫。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1、图2和图3所示：

一种压电式毛细管液滴制备装置，包括不锈钢毛细管1、金属储液容器2和压电陶瓷片3，金属储液容器2的前端设有不锈钢毛细针管1，不锈钢毛细管1与金属储液容器2中心轴对齐，采用AB胶胶粘方式连接。

金属储液容器2相对的两个侧壁上分别固定有压电陶瓷片3，压电陶瓷片3包括第一压电陶瓷片31和第二压电陶瓷片32，第一压电陶瓷片31和第二压电陶瓷片32分别粘接于金属储液容器2的两侧。压电陶瓷片3的极化方向为厚度方向，第一压电陶瓷片31和第二压电陶瓷片32的极化方向一致。第一压电陶瓷片31和第二压电陶瓷片32采用AB胶粘接于金属储液容器2的振动变形最大处。

压电陶瓷片3的接线和通电方式：第一压电陶瓷片31和第二压电陶瓷片32与金属储液容器2粘接的一面连接同一电极，第一压电陶瓷片31和第二压电陶瓷片32远离金属储液容器2表面的一面连接另一电极。在施加正弦激励信号后，在正弦信号前半周期内，第一压电陶瓷片31舒张，第二压电陶瓷片32收缩；在正弦信号后半周期内，第一压电陶瓷片31收缩，第二压电陶瓷片32收缩舒张，据此，金属储液容器2在激励下产生弯曲振动，金属毛细针管1在金属储液容器2激励下产生振动。

本实施例中不仅可以采用压电陶瓷片对金属储液容器产生振动，还可以采用其他激振装置使金属储液容器产生振动，能让毛细针管产生大振幅弯振即可。

金属储液容器2的上下两端通过夹具4固定，夹具4连接于金属储液容器2的节点处；紧固螺栓5将金属储液容器2夹紧于夹具4上。夹具4包括两个压板6，两个压板6分别位于金属储液容器2的上下两端，压板6与金属储液容器2之间设有软质树脂材料制成的支撑垫7，两个压板6之间通过紧固螺栓5连接。夹具4可以采用其他质地较软的材料，结构也不限定，只要与金属储液容器2工作时的节点处相联结，起固定容器作用。

上述毛细管的供液方式可以直接将液体存放在金属储液容器2的液体供应槽中，利用液体的重力使液体流入毛细管。这个方法的优点是省去了泵这个装置。同时，还可以在金属储液容器2的另一端接入硅胶管，硅胶管连接液体注射泵，采用泵入液体的方式。这个方法的优点是可以通过控制流量，得到不同的液滴制备速度。

上述一种压电式毛细管液滴制备装置的使用方法，包括如下步骤：

S1，为压电陶瓷片施加激励信号，储液容器和毛细针管产生振动，毛细针管的针尖产生振幅极大的摆动；

S2，毛细针管的针尖的液滴产生旋转运动，并逐渐增大，离心力逐渐增大；

S3，当液滴质量达到最大值，离心力克服液滴与针尖的吸力并脱离。

本发明一种压电式毛细管液滴制备装置通过控制激励信号的激励电压的大小，可改变毛细针管的针尖的振幅，使液滴以不同转速旋转，生成不同尺寸的液滴。

如图4所示，本实施例金属储液容器的共振频率为1.4kHz时，在施加激励信号频率为1.4kHz时，电压为160V、140V、120V的液滴生成图，在此时，液滴转速分别为：76RPM、99RPM、158RPM；所生成液滴尺寸在0.6mm-2.4mm范围内。

本发明的技术方案结构简单，将矩形压电陶瓷片粘贴在金属矩形容器上，施加激励电压后，金属储液容器端部的金属毛细管会产生弯曲振动，针尖的液滴会由于振动产生旋转运动，当液滴达到一定大小时，会被离心力甩出，通过控制所施加激励信号的大小，液滴会产生不同转速，产生尺寸不一的液滴。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种压电式毛细管液滴制备装置，其特征在于，包括毛细针管、储液容器和压电陶瓷片，所述储液容器的前端设有所述毛细针管，所述储液容器的侧壁上固定有所述压电陶瓷片；所述压电陶瓷片的数量为两个，两个所述压电陶瓷片分别设置在所述储液容器相对的两个侧壁上；所述压电陶瓷片的极化方向为厚度方向，两个所述压电陶瓷片胶结于所述储液容器上时保持极化方向一致。

2.根据权利要求1所述的压电式毛细管液滴制备装置，其特征在于，所述压电陶瓷片和所述毛细针管采用AB胶粘接在所述储液容器上。

3.根据权利要求1所述的压电式毛细管液滴制备装置，其特征在于，所述压电陶瓷片与激励信号发生装置连接，所述激励信号发生装置的激励电压可调。

4.根据权利要求1所述的压电式毛细管液滴制备装置，其特征在于，所述储液容器的上下两端通过夹具固定，所述夹具包括两个压板，两个所述压板分别位于所述储液容器的上下两端，所述压板与所述储液容器之间设有软质材料制成的支撑垫，两个所述压板之间通过螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的压电式毛细管液滴制备装置，其特征在于，所述储液容器的共振频率为1.4kHz。

6.根据权利要求4所述的压电式毛细管液滴制备装置，其特征在于，所述毛细针管为不锈钢毛细针管，所述储液容器为金属储液容器，所述支撑垫采用树脂材料制成。

7.根据权利要求1-6任一所述的压电式毛细管液滴制备装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，为所述压电陶瓷片施加激励信号，所述储液容器和所述毛细针管产生振动，所述毛细针管的针尖产生振幅极大的摆动；

S2，所述毛细针管的针尖的液滴产生旋转运动，并逐渐增大，离心力逐渐增大；

S3，当液滴质量达到最大值，离心力克服液滴与针尖的吸力并脱离。

8.根据权利要求7所述的压电式毛细管液滴制备装置的使用方法，其特征在于，通过控制激励信号的激励电压的大小，可改变所述毛细针管的针尖的振幅，使液滴以不同转速旋转，生成不同尺寸的液滴。

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