[发明专利]基于气动驱动的微液滴产生装置及其调控微液滴尺寸的方法

说明书

本发明公开了基于气动驱动的微液滴产生装置及其调控微液滴尺寸的方法，主要应用于精准生物医学微量样品施加、生物3D打印等领域。单一高速电磁阀控制气压的开启时间，调压阀用于控制气压压强的强度，单一储液腔用于储存液体，单一储液腔底部设有单一微孔与喷嘴相连接；微孔孔径的中心对准单一储液腔的中心。单一高速电磁阀开启，则在单一储液腔内产生亥姆霍兹振荡，单一储液腔内的压强迅速振荡并衰减，随后3‑4个周期储液腔内压强会低于大气压，最后单一储液腔体内外气压会趋于平衡。本发明通过CCD相机监测喷射出的微液滴尺寸，确定需求的微液滴尺寸，能够会减小相应的设备成本，同时减少了更换喷嘴带来的装置的不灵活性。

技术领域

本发明涉及依托气动驱动的微液滴产生装置，通过调整装置中的电磁阀的开启时间，实现调节微液滴尺寸的控制技术，主要应用于精准生物医学微量样品施加、生物3D打印等领域。

背景技术

随着生物技术的发展，微液滴产生装置被设计实现，且在生物领域应用范围越来越广泛。常见的喷射方式主要有压电驱动喷射、热泡驱动喷射、气动驱动喷射等，其中基于气动驱动的微液滴产生装置以能够实现较高粘度液体的喷射、对生物医学样本活性影响小以及细胞喷射的成活率高等优点而得到广泛应用。在基于气动的微液滴产生装置的实际应用中，通常会根据需求喷射出不同尺寸的微液滴，常见的做法是更换不同直径的微孔的喷嘴，以达到喷射出需求中的不同尺寸的微液滴。按照这种做法，备用若干不同型号的喷嘴会增加相应的装置成本，并且更换喷嘴也增加装置的不灵活性。

发明内容

本发明中依托的微液滴产生装置是基于气动驱动的，基于气动驱动的微液滴产生装置，该装置由单一储液腔6、单一高速电磁阀2、调压阀3、进气路径4、排气路径1、喷嘴9、压力传感器7、CCD相机8、LED灯10和加液孔5组成；调压阀3通过进气路径4与单一高速电磁阀2连接，单一高速电磁阀2与排气路径1垂直连接；排气路径1设置在单一储液腔6的顶部，单一储液腔6的侧部设有压力传感器7；喷嘴9设置在单一储液腔6的底部，CCD相机8和LED灯 10相对布置在喷嘴9的底部两侧；加液孔5设置在单一储液腔6顶部一侧。

单一高速电磁阀2控制气压的开启时间，调压阀3用于控制气压压强的强度，单一储液腔6用于储存液体，单一储液腔6底部设有单一微孔与喷嘴9相连接；微孔孔径的中心对准单一储液腔6的中心。单一高速电磁阀2开启，则在单一储液腔6内产生亥姆霍兹振荡，单一储液腔6内的压强迅速振荡并衰减，随后3-4个周期储液腔内压强会低于大气压，最后单一储液腔6体内外气压会趋于平衡。正压使液体从喷嘴9喷出形成液带；而负压有助于液带断裂形成液滴，并促使未断裂的液带重新返回单一储液腔6内，从而减少微型 液滴的产生。喷射工作原理是利用单一高速电磁阀2产生气压脉冲进入单一储液腔6，挤压单一储液腔6内液体喷出喷嘴，形成微液滴，从喷嘴9中喷射出的微液滴的直径大于喷嘴9微孔的直径。喷嘴9的喷孔直径在几十微米至几百微米之间。

在喷嘴9的微孔直径不变的情况下，在喷射过程中，改变单一电磁阀2的开启时间，从0ms开始增加，调节调压阀3改变气压强度(实验中气压强度的改变几乎不影响微液滴的尺寸)，使在微液滴产生装置能够喷射出微液滴，并且喷射状态稳定，如果在一个喷射周期内能够喷射出单个微液滴，此时的开启时间为阈值时间T。在一定范围内的开启时间，当开启时间高于阈值时间T时，随着开启时间的增加，微液滴的尺寸也随着增加。当开启时间超过这个范围时，在一个周期内会在喷嘴处喷射出一段水柱或者在微孔处堆积形成，而不是微液滴，所以同一个喷嘴能够喷出的微液滴的尺寸是有一定范围的。

在喷射微液滴之前，设定合适气压压强以及开启时间为0ms，利用CCD相机8监测产生的微液滴的状态，如果CCD相机8内未监测出微液滴图像则控制程序自动增加电磁阀2的开启时间，如果CCD 相机8监测到单个微液滴图像，通过图像处理程序计算出的微液滴的尺寸，如果微液滴尺寸小于实际需求的尺寸则增加开启时间，反之则减小开启时间，直到达到符合实际需求尺寸。