CN101687152B - 单分散微滴的生成 - Google Patents

Abstract

一种产生基本上单分散微滴的方法，该方法包括在一组通道内供应第一流体(1)和第二不混溶流体(2)，第二流体包围第一流体并填充该通道以形成组合射流。该组合射流穿过入口通道(4)进入更宽的空腔(3)，在空腔中第一流体分解成微滴(5)，所得的位于第二流体内部的第一流体微滴的组合物穿过出口通道(6)。出口通道垂直于流动方向的截面面积小于空腔的截面面积并且第一流体微滴经过出口从空腔的穿出扰动空腔内的组合流场，使得进入的第一流体射流受到扰动。

Description

单分散微滴的生成

技术领域

本发明总体涉及多相射流和微流体，更具体地涉及微流体，该微流体被配置成控制在另一个不混溶相中的分散相微滴的生成及其大小的分布。特别地，本发明涉及在微尺度上且在多相系统中流体微滴的生成。

背景技术

已对用于形成具有期望外形流体流、不连续流体流、微粒、分散体、乳状液等等的流体处理进行了相当充分的研究，这些流体处理的目的是用于流体输送、分析和产品制造，所述产品例如是照相用银卤化物乳状液和分散体。大多数建立乳状液和分散体的现有技术都会导致相当的多分散尺寸分布。最近，已利用被称作毛细管流动聚焦的技术产生了高度单分散的气泡。在该技术中，迫使气体从毛细管中流出并进入到液体浴中，该毛细管定位在小孔之上，并且外部流体通过该小孔的收缩流动使气体聚焦成薄射流，该薄射流接着因毛细管不稳定性而分解成等大的气泡。更近的US2005/0172476和US2006/0163385也已公开了流动聚焦设备，该设备允许形成液体微滴形式的单分散液体。

微流体是涉及在非常小的尺度上的流体控制的技术领域。微流体设备通常包括流体在其中流动的非常小的通道。该通道可被分支或以其它方式被设置成允许流体相互混合，把流体引向不同的位置，引起流体之间的层流，稀释流体等等。小通道的含意通常是Raynolds数足够小，使得惯性效应很小且流动本质上主要是层流。其中Raynolds数是：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρUL}}{\mathrm{\μ}}$

其中ρ是液体密度(kg/m³)，U是特征速度(m/s)，L是特征长度(m)且μ是液体粘性，(Pa.s)。直管中层流向湍流的转变发生在Re大于约2000时。对“芯片实验室”微流动技术已经进行了大量的研究，在该技术中研究者试图利用“芯片”或微流动设备在非常小的尺度上实现已知的化学或生物反应。而且，正在利用微流动开发在大尺度上未必已知的新技术。正在开发的微流动尺度上的技术的例子包括高通量筛选、药物传输、化学动力学测量、组合化学以及物理、化学和工程领域的基础问题研究。

已对分散领域进行了充分的研究。分散体(或乳状液)是两种材料的混合物，一种分散在另一种中。该材料通常是液体，分散体由至少两个不兼容(不混溶)的材料的混合物形成。也就是说，一种材料被分解成小的、孤立的区域或微滴，其被另一相(分散剂)包围，第一相以位于该另一相中的状态被传输。该被分散的材料通常用表面活性材料来稳定，该表面活性材料是小分子材料或聚合材料或微粒材料，该表面活性材料优选地在两个不混溶的材料之间的界面上形成层。

在第二不混溶流体中的一种流体的微滴应用广泛，尤其是在微滴大小和大小分布可规定在微米或纳米尺度上时。作为例子，许多个人护理产品、食品、和用于药物局部传输的产品都是乳状液，并且已经计划将纳米乳状液用于以某种方式被感染的皮肤的净化，感染的方式例如是细菌、生物恐怖媒剂等。单分散调色剂微滴用于电子照相印刷。银卤化物照相系统提供分散相形式的着色剂。类似的乳状液结构也被考虑用于组织液晶微滴形成光学设备。最近，大量的研究和开发工作已经集中在胶体晶体的使用上，该胶体晶体由单分散微粒形成，并作为光子系统中的组件块。

用于形成乳状液的传统方法本质上通常是机械方法，也就是说它们使用运动部件从而使用剪切力形成微滴。这些技术并不普遍适用于非常小的微滴的形成。然而，膜乳化法是一种利用微尺度孔形成乳状液的小尺度技术。这些方法虽然廉价，但是通常生产出的是多分散微滴，其大小或大小分布在许多应用中都不适合。而且，尽管在许多改进的情况下，这些方法也不能允许在所形成的微滴中包含精确且任意的混合物。

最近，已经探究了微流体流动所关注的微滴产生系统。然而，作为生产方法，目前所使用的设备在流速方面被限定为毛细管数小于约1且Reynolds数小于约10，并且因此微滴形成速率低于约20kHz。

已有多个与微滴形成相关的已知方法和设备。

US2006/0234051描述了制造细丝或气泡的方法。

US2007/0003442描述了许多在微流体系统中控制流体微滴的方法。

US2007/0054119描述了在微流体装置中用微滴形成微粒的方法。

WO1999/031019描述了在液体或液体液滴中制造单分散气泡的方法。

WO2004/002627描述了用于形成尺寸小于20微米的微滴的流动聚焦系统。

WO2005/103106描述了用于形成硬化微粒的微流体方法。

WO2006/096571描述了生产复合乳状液--也就是液滴中还有液滴的乳状液--的设备和方法。

US6377387描述了用于产生封装的微粒分散相的各种方法。

WO02/23163描述了用于为生物应用制造乳状液微滴的交叉流设备。

发明内容

目前，生产单分散微滴或微粒的微流体方法被微滴生产过程的物理学限定在约20000每秒的速率。虽然这适合目前的应用(其中仅需要非常小的量)，但是目前的方法太慢且太昂贵而不能用作为需要大量微滴或微粒的应用而生产材料(即单分散乳状液或微粒分散体)的方法。本发明使得能够以非常高的速度形成单分散微滴。

根据本发明，提供了生产基本上单分散微滴的方法，该方法包括在一组通道中提供第一流体和第二不混溶的流体，第二流体包围第一流体并且填充通道以形成组合射流，该组合射流穿过入口通道进入更宽的空腔，在空腔中第一流体分解成微滴，所得到的位于第二流体内的第一流体微滴的组合物穿过出口通道，该出口通道的垂直于流动方向的截面面积小于空腔的截面面积，并且其中第一流体微滴通过出口从空腔的穿出扰动(per turb)了空腔内的组合流场，使得进入到空腔的第一流体射流受到扰动。

本发明还提供了用于形成基本上单分散微滴的设备，该设备包括一组通道，在该通道中流动有第一流体和第二不混溶流体，第二流体包围第一流体以形成组合射流，和具有入口通道和出口通道的扩张空腔，空腔的截面面积大于入口通道和出口通道的截面面积，该组合流动在空腔中分解以形成位于第二流体内的第一流体的微滴，第一流体微滴通过出口从空腔的穿出扰动空腔内的组合流场，使得进入到空腔的第一流体射流受到扰动。

本发明的方法使得能够对随机Rayleigh射流分解进行被动调整。

再者，该方法通过射流分解的调整允许以比现有技术显著提高的速度形成微流体单分散微滴。

而且，该方法使得单分散微滴或微粒能够以比现有技术显著提高的速度制造。

附图说明

现在将参照附图描述本发明。其中：

图1a和1b示出了现有技术中的适于在微流体设备中形成流体射流的设备；

图2a图示了适于执行本发明的方法的通常设备的示意侧视图；

图2b、2c和2d是图2a设备的截面图；

图3a和3b示出了执行本发明的示范设备的示意图；

图4是正在执行本发明的图3中设备的照片副本；

图5是用于供应到图3设备中的十六烷和水的控制图；

图6是用于该设备形成的癸烷微滴的照片副本；

图7图示了使用图3设备时所测得的微滴大小直方图；

图8是示范设备的示意图，该设备带有用于提供特定相关系的加热器；

图9a是在存在加热器扰动的条件下的液滴形成的照片副本；图9b是从一组如图9a的照片中编辑得到的图像；

图10图示了对外部分解长度的测量；并且

图11是曲线图，其示出了作为内部液滴大小的函数的外部分解长度的数据。

具体实施方式

本领域中已知能够在微流体设备中形成流体射流，其中在该射流中第一流体位于与之不混溶的第二流体内。图1a和1b中示出了能够执行这种操作的设备。然而，用于这些设备的通常操作模式要么是“几何控制”模式，要么是“滴下”模式，其中第一流体的单分散液滴被直接形成。在S.L.Anna，H.C.Mayer，Phys.Fluids 18，121512(2006)中解释了上述模式。然而，还应当充分理解的是，随着流体流速的增大，第一流体流过用于“几何控制”模式或“滴下”模式的小孔并在前面的区域内形成射流。然后该射流分解成主要由界面张力和表面张力控制的多个微滴。该射流分解模式被称作Rayleigh-Plateau不稳定性并且产生第一流体的多分散微滴。

一个不寻常的且至今未被认识的事实是：对于通道内的第一流体在与之不混溶的第二流体内的射流的分解，可以通过在射流形成后设置通道的扩张、空腔、和出口小孔来进行调整，使得当由射流形成的第一流体的微滴穿过该出口小孔时，该微滴扰动空腔内的流动。为了达到明显的流动扰动，微滴的截面面积应当占出口小孔在垂直于流动方向上的截面面积的相当一部分。优选地，微滴截面面积应当大于出口小孔在垂直于流动方向上的截面面积的约三分之一。该流动扰动被传导回入口小孔处，即通道刚刚扩张的地方，且因此在射流刚进入空腔时就对其扰动。因为射流本质上是不稳定的，所以这随后将会引起射流分解，分解位置与由射流对流引起的同样扰动的位置相称。然后如此形成微滴，当其在出口小孔离开空腔时反过来会产生流动扰动。因此会加强射流的固有分解。加强所发生的频率通过空腔内的射流速度与特定的波长相符。流动反馈过程是指相对于第一流体微滴的离开初始扰动必须具有固定的相并且因此空腔对于一组给定的流动条件将会保证选择固定的频率。选择的频率约是(f以Hz为单位)，

$f=(n+\mathrm{\β})\frac{U_j}{L}$

其中U_j是第一流体的射流速度(m/s)，L是空腔的长度(m)，n是整数而β是考虑端效应的0和1之间的数值。该公式与激光器共振腔中的频率选择非常类似。

应当理解的是，波长将取决于第一流体射流的直径。而且还应当理解的是，在分解出现以前所需要的射流长度取决于流体1和流体2之间的界面张力，流体1和流体2的粘性、以及流速。因此使用高界面张力、低粘性的流体1或低流速能减小分解长度并因此减小空腔长度。还可以通过增大空腔在垂直于流动方向上的尺寸来改变空腔内的流速而不改变出口速度。

图2图示了调整后的设置，该设置能够执行本发明的方法。在图2a中，由第二流体2包围着的第一流体1的射流穿过入口收缩4进入宽通道或空腔3，第二流体填充了射流周围的空腔3的容积。空腔3具有出口小孔6。考虑空气中射流的线性方程是有用的；

$L_B=\frac{1}{\mathrm{U\α}}\ln \left(\frac{R}{{\mathrm{\ξ}}_i}\right)$

其中L_B是从空腔的入口起测得的第一流体射流的分解长度(m)，U是第一流体速度(m/s)，R是射流半径(m)，α是所关心的频率的增长率(s^-1)(例如Rayleigh频率f_R～U/(9.02R)[f_R以Hz为单位])并且ξ_i是初始扰动的大小(m)。该增长率可由以下方程获得

${\mathrm{\α}}^2+\frac{3\mathrm{\η}{\left(\mathrm{kR}\right)}^2}{\mathrm{\ρ}{R}^2}\mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\σ}}{2\mathrm{\ρ}{R}^3}(1-{\left(\mathrm{kR}\right)}^2){\left(\mathrm{kR}\right)}^2=0$

其中η是第一流体的粘性(Pa.s)，σ是界面张力(N/m)并且k是波向量(m^-1)(k=2πf/U)。因此可以估算分解长度L_B并将其与空腔长度L进行比较。应当使流速、表面张力和空腔长度相互配置，使得第一流体1的射流在空腔内分解。在优选实施方式中，1/3L＜L_B＜L。

图2b、2c和2d各自图示了入口区域A-A、空腔B-B和出口区域C-C的断面变化，这可用于本发明的实施。图2c中示出了压扁的断面。假设微滴大得足以被通道的前表面和后表面压扁，那么对于给定的微滴体积和出口断面，这将通过产生更大的流动扰动来提高效果。图2b、2c和2d中所示的变化不是详尽的，并且任何与常规要求相符的常规构型都是允许的。

对于一些应用来说，尤其是第一流体的微滴将被后续过程使用或在后续过程中被使用的应用，有利的是保证微滴形成相对于该后续过程或外部信号具有特定的相关系。在这种情况下，小扰动可被施加到入口区域、空腔区域或出口区域内的流体流动。可以使用加热器或压电设备或静电设备或任何其它能够以所关心的频率扰动流体流动的设备方便地施加上述扰动。

图3a和3b图示了已经执行了本发明方法的设备的示意图。制造这些设备所选择的材料是玻璃。应当注意的是，通道内表面相对于第二流体应当是亲液的。玻璃是亲水的。本领域技术人员应当理解的是，本发明并不限于使用玻璃通道。本领域技术人员应当理解的是任何适合的材料都可以用来制造该设备，适合的材料包括，但不限于，诸如陶瓷、硅、氧化物、氮化物、碳化物和合金的硬质材料。

每个设备包括中央臂7、8和上、下臂9，10。上臂和下臂在接合处11，12与中央臂接合。装置的这个部分是标准的交叉流设备。在接合处11，12的下游紧接着设置扩张空腔13、14。空腔13、14具有入口喷嘴15，16和出口喷嘴17，18。因此该交叉流设备通过空腔13、14连接至出口喷嘴17，18。该空腔具有比入口或出口喷嘴更大的截面面积。

经过中央臂供应的流体基本上与经过上臂和下臂供应的流体不相混溶。

在上臂和下臂9，10内以相同的压力向示出的设备供应去离子水。该水可以包含表面活性剂。已用癸烷(ρ＝0.73g/cc，η＝0.92mPas)、十六烷(ρ＝0.773g/cc，η＝3.34mPas，σ_ow＝53.3)和1-辛醇(ρ＝0.824g/cc，η＝9.5mPas)进行过实验(interfacial tensions-Hirasaki G.J.，J.Adhesion Sci.Technol.，7，285(1993).)，轮流将上述每一项供应到中央臂7，8。在每种情况中，油可包含着色剂。

在接合处11、12，第一流体(癸烷、十六烷或1-辛醇)的液体射流被建立在第二流体(去离子水)中。该射流形成为细线，在空腔13，14的宽阔区域内该细线分解成位于去离子水内的第一流体微滴。已发现的是，超过特定压力比时，在空腔13，14内形成的射流会规则地分解成微滴。如此形成的流体1的微滴与去离子水一起通过出口小孔17，18被排出并收集在玻璃滑板上，使得形成了大量的包含第一流体的单分散微滴的去离子水。

图4a图示了在图3a示出的设备的空腔内微滴的规则形成。图4b图示了在图3b示出的设备的空腔内微滴的规则形成。在每种情况中，流动条件等于超过1m/s的射流速度。

图5图示了用于十六烷/水系统的特定控制图。示出的压力的单位是磅/平方英寸(psi)且该压力是在液体供应容器内测得的，并且因此在接合处11，12的压力会可能会稍微偏离该测得压力。当十六烷压力高于水的压力时，不会出现射流分解(区域19)并且十六烷的射流完全穿过该设备。相反地，当十六烷压力相对于水的压力过低时，十六烷不会在接合处11，12处形成射流(区域20)。当两个压力基本相似时，十六烷的射流形成且该射流规则地分解(区域21)。当十六烷压力稍微偏低或水的压力稍微偏高时，十六烷射流足够细使得形成的微滴不够大得显著扰动出口小孔处的压力并且出现较少的规则分解(区域22)。

图6是所收集的在水中的微滴的显微照片副本，在该实例中去离子水中的是癸烷。该微滴的直径大约是19微米。微滴被证明是在高达约120kHz且液体出口速度约为9m/s的条件下形成的。

图7示出了微滴在空腔内形成时，对微滴的多分散性的测量结果。以约27psi的压力将癸烷送入臂7且以约37psi的压力将去离子水送入臂9。用录像显微镜对准空腔区域13且频闪地捕捉微滴的图像，并通过在分解点下游约2.5个波长的位置处用LabVIEW软件给每个液滴配置一个圆圈来分析这些图像以得到微滴的半径。所得到的半径直方图与Gaussian函数非常相符并且借此发现分散度(半径的标准偏差除以平均半径)为0.9％。

图8示出了设备的示意图，该设备将流动聚焦设备串联至图2所描述的空腔设备，并且该设备包括扰动液体流动的装置。在玻璃毛细管的一面上蒸敷20nm的铂层和10nm的钛层，以在每个入口收缩和出口收缩的上方形成锯齿形的耐热图案，钛层邻近玻璃表面。该锯齿形图案在整个长度上是2微米宽的轨迹，以给出约350欧姆的热阻。整体宽度被保持在允许与流动相互作用的最高可能频率的最小值。这个宽度大约是18微米。每个加热器30可以被独立供能。然而每个加热器具有期望效果，在空腔入口收缩4上方的加热器效率最高，因此被用于收集在图9和10中示出的数据。

通过与闪光灯同相地脉冲该加热器，可以对内部液滴分解进行锁相。利用以25Hz运行的标准面扫描摄像机获得图像，而微滴形成也大约在25kHz。将高亮度LED用作光源且对每个微滴进行一次闪光。因此每个视频图像是大约1000个图片的多次曝光。如果微滴与闪光同步，那么就能获得单个的清晰图像，否则多次曝光会导致图像模糊不清，看不到清楚的液滴。可以将分解现象作为加热器脉冲频率的函数来研究。图9a示出了在闪光灯与加热器脉冲锁相条件下的内部液滴分解的图像。频率是24.715kHz，油(液滴)是癸烷并且外部液体是水。癸烷以41.1psi供应而水以65.3psi供应。然后频率以5Hz的步长从24.2kHz变到25.2kHz。对于每张获得的图像，提取穿过液滴的像素中心线，并利用该中心线在新图像中形成像素列。该新图像在图9b中示出，其中y轴是沿着通道中心的距离而x轴相应于频率。图9b中图像的中央区域示出了与闪光LED同相的液滴，而左侧和右侧区域没有示出微滴，即模糊的多次曝光。因此在狭窄的频率带之外，加热器的脉冲不能与微滴的形成锁相。这是共振液滴形成的直接特征。

另一组实例数据证明了共振行为对内部液滴大小的依赖性。当每个内部液滴穿过出口小孔时，其产生压力脉冲，该脉冲扰动流动并导致共振。如果该出口小孔也形成射流，那么该压力脉冲也扰动该射流且因此使得该射流过早地分解。因此外部射流分解长度是压力扰动强度的好的量度标准。图10中图示了外部分解长度的测量。改变了油和水的供应压力比，同时保持总流率大约恒定。因此改变了内部液滴的直径。光学测量内部液滴的直径和分解长度。图11中绘制了作为液滴内部液滴直径的函数的外部分解长度。注意到因为液滴的直径大于通道的高度，所以液滴是扁平的且因此所测得的内部液滴直径大约与内部液滴截面面积成正比。图11清楚地显示在内部液滴截面面积大于出口小孔截面面积的约1/3时发生强共振行为。

本发明是参照油和水性组分的组合流来描述的。本领域技术人员应当理解的是本发明并不限于上述流体。而且，本发明可同样应用于含有表面活性材料的液体，该表面活性材料例如是表面活性剂或分散剂或类似物、聚合体、单体、活性组分、乳胶、微粒。这不应该被认为是排他性列举。

已参照其优选实施方式对本发明进行了详细地描述。本领域技术人员应当理解的是，在本发明的范围内可以进行变化或改变。

Claims (18)

1.一种产生基本上单分散微滴的方法，包括：在一组通道内供应第一流体和第二不混溶流体，第二流体包围第一流体并且填充所述通道以形成组合射流，该组合射流穿过入口通道进入更宽的空腔，在此第一流体分解成多个微滴，所得的位于第二流体内的第一流体的微滴的组合物穿过出口通道，出口通道的垂直于流动方向的截面面积小于空腔的截面面积，并且其中第一流体微滴通过出口从空腔的穿出扰动空腔内的组合流场，使得进入的第一流体射流受到扰动，其中第一流体在从所述空腔的入口起L_B的距离处分解成微滴，该空腔的长度是L，并且L_B大于(1/3)L且L_B小于L。

2.如权利要求1所述的方法，其中出口通道在垂直于流动方向上的截面面积小于该微滴截面面积的3倍。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述组合射流流过的空腔在垂直于流动方向上具有非圆形截面。

4.如权利要求4所述的方法，其中所述组合射流流过的空腔在垂直于流动方向上具有基本上为矩形或椭圆形截面。

5.如前任一个权利要求所述的方法，其中所述通道具有相对于第二流体是亲液的内表面。

6.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述通道是由从玻璃、陶瓷、硅、氧化物、氮化物、碳化物、合金中选择的硬质材料制造的。

7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中一种流体是非水性组分而另一种流体是水性组分。

8.如权利要求8所述的方法，其中第二流体是水性组分。

9.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中扰动被施加于进入所述空腔的流动或直接施加于入口流动或空腔流动或出口流动，以相对于所述扰动固定第一流体微滴的形成相。

10.用于产生基本上单分散微滴的设备，包括：一组通道，所述通道中流动有第一流体和包围第一流体的第二不混溶流体以形成组合射流；和具有入口通道和出口通道的扩张空腔，该空腔的截面面积大于该入口和出口通道的截面面积，该组合流在该空腔中分解以形成位于第二流体内的第一流体微滴，第一流体微滴通过出口从空腔的穿出扰动该空腔内的组合流场，使得进入的第一流体射流受到扰动，其中所述空腔具有长度L，所述射流在从所述入口起L_B的距离处分解，L_B大于(1/3)L且L_B小于L。

11.如权利要求10所述的设备，其中出口通道在垂直于所述流动方向上的截面面积小于该微滴截面面积的3倍。

12.如权利要求10所述的设备，还包括用于收集所制得的位于第二流体内的第一流体微滴组合物的装置，以允许进行以后的处理步骤。

13.如权利要求10至12中任一项所述的设备，还包括扰动所述入口区域、空腔区域或出口区域内的流体流动并相对于该扰动设置第一流体微滴的形成相的装置。

14.如权利要求13所述的设备，其中所述扰动装置是压电设备。

15.如权利要求13所述的设备，其中所述扰动装置是静电设备。

16.如权利要求13所述的设备，其中所述扰动装置是加热器。

17.如权利要求10至12中任一项所述的设备，其中所述通道是由硬质材料制造的。

18.如权利要求17所述的设备，其中所述通道是由从玻璃、陶瓷、硅、氧化物、氮化物、碳化物、合金中选择的硬质材料制造的。

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