本實用新型涉及一種關(guān)于軟顆粒流變特性的顯微可視化實驗裝置。

背景技術(shù)：

目前，軟物質(zhì)與人們生活密切相關(guān)，如橡膠、人造纖維、墨水、洗滌液、飲料、乳液及藥品和化妝品等等；在技術(shù)上有廣泛應(yīng)用，如液晶、聚合物等；生物體基本上由軟物質(zhì)組成，如細(xì)胞、體液、蛋白質(zhì)、DNA、RNA等。軟物質(zhì)的豐富物理內(nèi)涵和廣泛應(yīng)用背景引起越來越多物理學(xué)家的興趣，是具有挑戰(zhàn)性和迫切性的重要研究方向，已成為凝聚態(tài)物理研究重要前沿領(lǐng)域。但是目前對于微米級大小的軟物質(zhì)顆粒的流動和變形性質(zhì)鮮有研究，因此，對于軟顆粒的流變特性的顯微可視化研究具有十分重要的工程和學(xué)術(shù)意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種關(guān)于軟顆粒流變特性的顯微可視化實驗裝置，實現(xiàn)軟顆粒流變特性的顯微可視化，觀測不同流速條件下軟顆粒的運動過程以及變形過程，并獲取大量運動和變形過程中的瞬時圖像，對此條件下的軟顆粒流變特性進(jìn)行研究。

為達(dá)到上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種關(guān)于軟顆粒流變特性的顯微可視化實驗裝置，包括注射器、精密注射泵、LED冷光源、微流控芯片、廢液收集杯、光學(xué)顯微鏡、CMOS高速相機和圖像采集計算機；微流控芯片固定于載物臺上；微流控芯片的入口孔通過管路與注射器相連，出口孔通過管路與廢液收集杯相連；注射器安裝在精密注射泵上；光學(xué)顯微鏡設(shè)置于微流控芯片下方，CMOS高速相機設(shè)置于光學(xué)顯微鏡下方并和圖像采集計算機相連；LED冷光源設(shè)置于微流控芯片的上方。

進(jìn)一步地，所述注射器中裝載軟顆粒懸浮液。

進(jìn)一步地，所述微流控芯片的材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷。

進(jìn)一步地，所述光學(xué)顯微鏡中設(shè)置有濾光片。

進(jìn)一步地，所述微流控芯片由四條不同直徑的長直通道和一個組合通道組成；所述組合通道包括三個分支，每個分支具有獨立的入口孔，所有分支共用一個出口孔，分支上設(shè)有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包括三級，第1級包含兩條直徑20-30微米倒Y型分支通道，第2級包含若干條直徑5-20微米的不規(guī)則排布并相互連接成網(wǎng)狀的分支通道，第3級包含兩條直徑20-30微米Y型分支通道。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有以下優(yōu)點：

本實用新型建立了一種關(guān)于軟顆粒流變特性的顯微可視化實驗裝置，實現(xiàn)軟顆粒在微通道中運動和變形的顯微可視化，觀測在不同流速以及不同尺寸、形狀的微通道條件下軟顆粒的運動過程以及變形的過程，并獲取大量運動和變形過程中的瞬時圖像，對軟顆粒的流動和變形性質(zhì)進(jìn)行研究；為闡明軟顆粒的物理特性和應(yīng)用領(lǐng)域，確定影響參數(shù)等相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)和參考數(shù)據(jù)。

本實用新型中，在精密注射泵的推動下，使軟顆粒在實驗微通道中流過，并在微小尺寸通道中發(fā)生擠壓變形；利用高速顯微成像系統(tǒng)對軟顆粒的運動和變形過程進(jìn)行觀測和成像；實驗中微通道內(nèi)軟顆粒懸浮液的測量流動速度較高。由于軟顆粒的尺寸只有幾微米，以及軟顆粒的運動速度較高，軟顆粒的流動通道選擇尺寸為微米級的微通道。在選擇微通道的制作材料時，要充分考慮到相容性。微通道由不同直徑的長直通道和包含分支的網(wǎng)狀微通道兩種結(jié)構(gòu)構(gòu)成。以軟顆粒制成的一定濃度下的軟顆粒懸浮液作為實驗流動溶液，通過微通道。以微量精密注射泵推動注射器作為動力系統(tǒng)，注射器承載實驗軟顆粒懸浮液，利用微量精密注射泵的定?；蛘呙}動流量推動來實現(xiàn)一定流速下的實驗。通過改變微量精密注射泵的流量，實現(xiàn)不同流速下的實驗。以光學(xué)顯微鏡和CMOS高速相機以及計算機作為成像系統(tǒng)，利用光學(xué)顯微鏡對軟顆粒的運動和變形過程進(jìn)行放大和觀測，利用CMOS高速相機獲取過程中的瞬態(tài)圖像，并在計算機中進(jìn)行圖像輸出。此外，為了使高速運動中的成像區(qū)域更加明顯，同時利用顯微鏡輔助光源，由數(shù)十顆LED燈珠構(gòu)成的環(huán)形光源對視場進(jìn)行照亮，有效增加視場亮度，改善觀測和所獲圖像效果。

附圖說明

圖1是實驗系統(tǒng)示意圖；

圖2是微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是組合通道中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，包括注射器1、精密注射泵2、LED冷光源3、微流控芯片4、入口孔41、出口孔42、廢液收集杯5、光學(xué)顯微鏡6、CMOS高速相機7、圖像采集計算機8。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本實用新型提供的一種關(guān)于軟顆粒流變特性的顯微可視化實驗裝置，包括注射器1、精密注射泵2、LED冷光源3、微流控芯片4、廢液收集杯5、光學(xué)顯微鏡6、CMOS高速相機7和圖像采集計算機8；微流控芯片4固定于載物臺上；微流控芯片4的入口孔41通過管路與注射器1相連，出口孔42通過管路與廢液收集杯5相連；注射器1安裝在精密注射泵2上；光學(xué)顯微鏡6設(shè)置于微流控芯片4下方，CMOS高速相機7設(shè)置于光學(xué)顯微鏡6下方并和圖像采集計算機8相連；LED冷光源3設(shè)置于微流控芯片4的上方。工作時，軟顆粒懸浮液在動力作用下從入口孔41流入，經(jīng)過微流控芯片4內(nèi)部，進(jìn)而從出口孔42流出至廢液收集杯5。

如圖2所示，所述微流控芯片4由四條不同直徑的長直通道和一個組合通道組成；所述組合通道包括三個分支，每個分支具有獨立的入口孔，所有分支共用一個出口孔，分支上設(shè)有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包括三級，第1級包含兩條直徑20-30微米倒Y型分支通道，第2級包含若干條直徑5-20微米的不規(guī)則排布并相互連接成網(wǎng)狀的分支通道，第3級包含兩條直徑20-30微米Y型分支通道。通道的尺寸為微米級，可根據(jù)需要制作不同尺寸的微通道。在選擇微通道的制作材料時，要充分考慮到相容性和化學(xué)惰性，可選擇與軟顆粒相容性較好的材料，優(yōu)選為PDMS(聚二甲基硅氧烷)。實驗中微流控芯片4內(nèi)紅細(xì)胞懸浮液具有一定的流動速度范圍。

參照圖1，實驗裝置動力系統(tǒng)包括注射器1和精密注射泵2。注射器1裝置在精密注射泵2上，并通過管路和微流控芯片4入口孔相連。將配制好的軟顆粒懸浮液承載于注射器1中，在精密注射泵2的動力作用下，在微通道內(nèi)形成軟顆粒懸浮液的定?；蛘呙}動流動。在配制軟顆粒懸浮液的過程中，使用過濾網(wǎng)對軟顆粒懸浮液進(jìn)行多次過濾，有效防止雜質(zhì)對實驗的干擾。每隔一段時間對注射器1中的軟顆粒懸浮液進(jìn)行均勻化，防止?jié)舛确謱訉嶒灝a(chǎn)生的影響。通過改變精密注射泵2的流量設(shè)置，來實現(xiàn)不同流速下的實驗，獲得結(jié)果進(jìn)行對比。

參照圖1，實驗裝置成像系統(tǒng)包括光學(xué)顯微鏡6、CMOS高速相機7和圖像采集計算機8。光學(xué)顯微鏡6設(shè)置于微流控芯片4下方，利用光學(xué)顯微鏡6對微流控芯片4內(nèi)軟顆粒流動及變形過程進(jìn)行放大和直接觀測。CMOS高速相機7和圖像采集計算機8相連，CMOS高速相機7設(shè)置于光學(xué)顯微鏡6下方，通過CMOS高速相機7對經(jīng)過光學(xué)顯微鏡6放大后的流動和變形圖像進(jìn)行獲取，并利用圖像采集計算機8進(jìn)行圖像輸出，在一種流速工況下可獲取多組圖像。光學(xué)顯微鏡6中設(shè)有濾光片，采用LED冷光源3的光路對視場進(jìn)行照亮，有效增加視場亮度，改善圖像質(zhì)量。從而實現(xiàn)關(guān)于軟顆粒在微通道中的流動和變形過程的顯微可視化。

實驗裝置工作時，開啟精密注射泵2，設(shè)置流量，推動注射器1，軟顆粒懸浮液在微流控芯片4內(nèi)形成定常流動。光學(xué)顯微鏡對軟顆粒運動和變形過程進(jìn)行放大和觀測，CMOS高速相機獲取高速運動過程中的瞬態(tài)圖像，并在圖像采集計算機中進(jìn)行圖像輸出。通過實驗，對軟顆粒的運動過程和與變形過程進(jìn)行觀測，通過圖像分析與處理獲得軟顆粒的運動和變化規(guī)律，實現(xiàn)了軟顆粒在微通道中的流動和變形過程的顯微可視化；通過改變流速，對軟顆粒在微通道中運動和變形規(guī)律進(jìn)行研究；通過不同結(jié)構(gòu)微通道的實驗，對微通道結(jié)構(gòu)特征對軟顆粒運動和變形特性的影響進(jìn)行研究，為軟顆粒運動過程中的形態(tài)變化研究及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。