CN102389730A - 一种双重乳液制备芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双重乳液制备芯片，由具有三层结构的基片加工制造而成，在基片上表面的内侧设置有内部流体通道，在基片下表面的内侧设置有外部流体通道，在所述的外部流体通道和所述的内部流体通道之间设置有中间流体通道，所述的内部流体通道具有第一分形树状微通道，所述的中间流体通道具有第二分形树状微通道。本发明分形树状通道的布置方式充分利用了微流控芯片的空间，提高了双重液滴的生产制备效率，还可有效保证液滴球形度和大小均一性，进而使得整个双重乳液制备芯片达到了集成优化和高效制备的目的。

Description

一种双重乳液制备芯片

技术领域

本发明涉及一种基于微流控技术的双重乳液制备芯片，具体涉及的是一种为提高制备效率而设计的具有树状结构特征通道的双重乳液制备芯片。

背景技术

双重乳液（又称多重乳液）是一种高度结构化的流体，由两种或两种以上的互不相溶的液体组成，具体形式为一种液体（内部流体）被另一种液体（中间流体）包裹形成分散的双层液滴悬浮在连续相（外部流体）中，主要型式有两种：水包油包水（W/O/W）型和油包水包油（O/W/O）型。双重乳液在农业、食品行业、医药、化妆品以及危险品处理等领域具有广泛的应用前景。

双重乳液一般采用两次乳化过程制备而得。以W/O/W型乳液为例，首先将水在油中乳化，然后将水/油乳液再一次在水中乳化最终生成双重乳液。这种方法的可控性非常差，而且存在所制得的乳液球形度不高、乳粒大小不均匀、原材料消耗大等诸多问题。为此，迫切需要研制双重乳液的新型制备装置，使得既能有效提高生产制备效率，又能降低试剂消耗、优化制备过程。

微流控技术是高品质双重乳液制备的一个优选途径，实验研究表明，通过微流控技术制备的双重乳液中液滴单分散性高、球形度好、制备过程更简易可控，具有重要的学术意义和实用价值。微流控装置中一个重要组成部分是微流控芯片，微流控芯片中的微通道的结构和形状对微流控装置性能有着重要影响。现有的双重乳液制备芯片或者微毛细管装置大多只有一个制备通道，因而生产率不高，制备过程耗时较长，虽然在实验室中取得了卓著的成效，难以应用到大规模工业生产中。提高生产率的方法一般是将多个制备通道并联，但是在微尺度下，流动时流体分配往往很难做到均匀，因而可能会导致各个通道所生成的液滴形状、大小不一，影响到产品的性能。为此，本发明将分形树状结构应用于微通道设计，进而达到充分利用微流控芯片空间、生产效率高、液滴球形度高和大小均一的目的。

发明内容

要解决的技术问题：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有的单制备通道微流控芯片生产率不高的缺点，而提供了一种新型的、具有分形树状特征微通道的双重乳液制备芯片结构，该结构双重乳液制备芯片可在保证乳粒球形度和尺寸均一性的条件下大幅提高微球制备效率。

本发明的目的是设计一种基于微流控技术的双重乳液制备芯片，具有集成化和小型化的优点，该芯片的内部流体通道和中间流体通道为分形树状结构，实现了完全均匀的流体分配，使得双重乳液的制备过程得到了优化，提高了制备效率，实现高可控性的规模化、连续化生产。

技术方案：为解决当前的双重乳液制备芯片设计上存在的技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种双重乳液制备芯片，由具有三层结构的基片加工制造而成，在基片上表面的内侧设置有内部流体通道，在基片下表面的内侧设置有外部流体通道，在所述的外部流体通道和所述的内部流体通道之间设置有中间流体通道，其特征在于：所述的内部流体通道具有第一分形树状微通道，该第一分形树状微通道包括第一主通道以及至少一级第一分支通道，在所述的最末级第一分支通道出口设置有贯穿所述的中间流体通道和所述的内部流体通道的上层连接通道；所述的中间流体通道具有第二分形树状微通道，该第二分形树状微通道包括第二主通道以及至少一级第二分支通道，所述的第二分支通道的级数和分支数目与所述第一分支通道一致，在所述的的最末级第二分支通道出口设置有贯穿所述的中间流体通道和所述的外部流体通道的下层连接通道。

所述的内部流体通道和中间流体通道都具有分形树状结构特征，均由主通道和分支通道组成，主通道为分形树状结构的第0级（即内部流体或中间流体入口），由主通道分叉作用生成第1级分支通道，上下级微通道之间的交叉角α为180度，第1级的分支通道继而通过分叉作用生成第2级分支通道，周而复循，生成第3、4、5….n级分支通道。这样，生成的树状结构的最后一级将具有2 ⁿ 个微通道。这意味着贯通上层的内部流体通道和中层的中间流体通道的上层连接通道有2 ⁿ 个、贯通中层的中间流体通道和下层的外部流体的下层连接通道也有2 ⁿ 个。参照人体呼吸系统的分形结构设计分形树状微通道，所述的上下级分支通道的水力直径之比为N ^-1/Δ (N为每级的分支通道数目，N=2，直径维数Δ取大于7/3且小于等于3的实数)，所述的上下级分支通道的长度之比为N ^-1/d (长度维数d取大于1且小于2的实数)。需要指出的是，每一级的分支通道都是具有相同形状和结构尺寸的，进而有效保证了分散相流体的完全均匀分配功能，从而达到制备的双重乳液中的液滴具有球形度高和大小均一特征。另外，内部流体通道和中间流体通道采用分形结构布置，每个双重乳液制备芯片芯片具有2 ⁿ 个制备通道，大大提高了微通道芯片的空间利用，使得每次能同时生成2 ⁿ 个双层液滴，使得双重乳液的生产效率得到了大幅度提高。

所述的内部流体微通道、中间流体微通道和外部流体微通道在空间上呈上、中、下平行层状排列：内部流体微通道位于上层，呈分形树状结构布置；中间流体微通道位于中层，呈分形树状结构布置；外部流体微通道位与下层，呈扁平状布置。内部流体微通道的最末级通道通过垂直于内部流体微通道平面的连通通道与中间流体微通道相贯通；中间流体微通道的最末级通道通过垂直于中间流体微通道平面的连通通道与外部流体微通道相贯通。

使用时，将已配置好的内部流体、中间流体和外部流体分别接入各自通道的入口，使用推进器或者注射泵驱动液体流动。通过调解与配比推进器或注射泵的流速，使内部流体在所述上层连接通道出口处恰能被中间流体剪切成为单分散的液滴，并随着中间流体从所述下层连接通道出口流出到所述外部流体通道中形成单分散的双层液滴，最终随着外部流体流入收集器皿中成为双重乳液成品。

本发明的技术方案在于：受仿生思想启迪，将人体中血管、气管和淋巴管等树状结构应用于微通道设计，设计了具有分形树状结构的双重乳液制备芯片。内部流体和中间流体微通道的主通道通过分叉作用产生越来越多的分支，这种结构类似于优化了的流体分配器，能在有效的降低微通道内的流体流动压降的同时均匀的分配每一级通道中流体的流量和流速，保证制得的液滴尺寸均一性高；并且树状通道具有多个出口，大大的提高了乳液制备装置的液滴生产率。因此，分形树状结构的双重乳液制备芯片的设计布置达到了节能和高效生产的目的。

所述的内部流体通道和中间流体通道(分别由各自的主通道和分支通道组成)的各个通道分别以平面方式铺展开来，第0级通道(主通道)为分形树状结构的第0级，在第0级通道的末端通过分叉作用生成两个第1级分支通道，上下级微通道之间的交叉角α为180度，在两个第1级的分支通道的末端继而通过分叉作用生成四个第2级分支通道，上下级微通道之间的交叉角α也为180度，周而复循，生成第3、4、5….n级分支通道。这样，生成的树状结构的最后一级将具有2 ⁿ 个微通道。最后，在内部流体微通道的最末级通道末端与上层连接通道连接汇入中间流体通道中，在中间流体微通道的最末级通道末端与下层连接通道连接汇入外部流体通道中。各级通道和出口通道的截面形状皆可为圆形、矩形、梯形、螺纹形等任意形状，上层连接通道和下层连接通道的形状皆可为柱形或者锥形，但同一级、层的各个通道形状需保持一致。

在对人体呼吸系统分形结构特征的研究中发现，分支结构中第n级通道水力直径与下一级水力直径之间的关系为D _k /D _k-1 =N ^-Δ  (D为水力直径，N为每级的分支通道数目，N=2，直径维数Δ取大于7/3且小于等于3的实数)。大量实验证明，当Δ=1/3时，流体层流流动阻力取到最小值，当Δ=7/3时，流体湍流流动阻力取到最小值。要使得树状结构以平面方式布置且通道之间不出现交错，长度维数d应取大于1且小于2的实数。

需要指出的是，尽管在树状通道分叉流动可能会带来了一定的压降损耗，但是，应注意到分形通道具有流体流量的分散作用，它实质上类似一流动的优化分散器，该结构可使各单元流体分散流动，流动阻力较之直径等于分散相液体出口直径的集中流动小。内部流体通道和中间流体通道不同级的通道水力直径和长度这样的分形分布特征，能实现管内流动泵功消耗的最优化。并且分形树状通道具有多个流体出口，且各个流体出口的流量和速度得到了均一的分配，大大的提高了芯片的空间利用率和乳液的制备效率。

所述的双重乳液制备芯片根据工作条件、流体性质等不同，大小可以控制在几个平方厘米左右，材料可选用硅片、玻璃、硅橡胶、塑料等材料作为基片，通过蚀刻、光刻或者印模等方法加工微通道。

本发明提供一种新型的高效、集成的分形树状结构双重乳液制备芯片。在所述装置使用中，内部流体和中间流体分别从各自的通道入口进入各自通道中，迅速的分流到各内部流体通道和中间流体通道的各个分支，在这个层面内达到均匀的质量和速度分配，然后内部流体从其分形树状结构通道末梢经过上层连接通道流入中间流体通道的第n级通道中，被其剪切成单分散的液滴，并随之流入下层连接通道中，继而进入外部流体通道中，被外部流体通过粘性力的作用剪切成单分散的双层液滴。与传统的平行排列的通道相比，分形树状结构的通道使有效空间利用率大大提高，另外由于其流动阻力小，减小了泵功的消耗，这对于实现高效制备双重乳液是有益的。

有益效果：

本发明涉及一种新型的双重乳液制备芯片，分形树状通道的布置方式充分利用了微流控芯片的空间，提高了双重液滴的生产制备效率，还可有效保证液滴球形度和大小均一性，进而使得整个双重乳液制备芯片达到了集成优化和高效制备的目的。

附图说明：

图1 分形树状结构示意图。

图2 芯片结构示意图1。

图3 芯片结构示意图2。

图4 内部流体通道与中间流体通道结构示意图。

图5 图4的A部放大示意图。

图中1．分形树状结构第0级；2．分形树状结构第1级；3．分形树状结构第2级；4．分形树状结构第n级；5．基片；6．内部流体通道；7．中间流体通道；8．外部流体通道；9．上层连接通道；10．下层连接通道；11．内部流体；12．中间流体；13．外部流体；14．单乳液（单分散的内部流体液滴）；15．双重乳液（单分散的双层液滴）。

具体实施方式：

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了分形树状结构示意图，分形树状结构的第0级1，在其末端通过分叉作用生成两个第1级分支通道2，上下级微通道之间的交叉角α为180度，在两个第1级的分支通道的末端继而通过分叉作用生成四个第2级分支通道3，上下级微通道之间的交叉角α也为180度，周而复循，生成第3、4、5….n级分支通道。所述上下级分支通道的水力直径之比为N ^-1/Δ (N为每级的分支通道数目，N=2，直径维数Δ取大于7/3且小于等于3的实数)，所述上下级分支通道的长度之比为N ^-1/d (长度维数d取大于1且小于2的实数)，每一级的分支通道都具有相同形状和结构尺寸，按照这样的规则生成的树状结构的最后一级将具有2 ⁿ 个微通道。

图2与图3给出了所述芯片结构示意图，为便于展示，示意图中的芯片用几个截面切割开来采用平行排布的切片形式示意；图4给出了所述芯片中具有分形树状结构的内部流体通道与中间流体通道轴测图。所述芯片主要由基片5、内部流体通道6、中间流体通道7、外部流体通道8以及上层连接通道9和下层连接通道10组成。内部流体通道和中间流体通道均具有分形树状结构，之间由上层连接通道9连接，当内部流体和中间流体被驱动流入各自通道的主通道1(分形树状第0级通道)之后，在分支点处被均匀地分配到下一级分支通道2(分形树状结构的第1级通道)中去，如此往复，内部流体和中间流体将在各个分支点处得到均匀的分配，最终将被均匀的分配到2 ⁿ (n为分形树状通道级数)个分支通道中。

图5给出了双重乳液生成过程示意图。内部流体11在内部流体通道6的第n级分支通道末端通过上层连接通道9流入中间流体通道7中被中间流体12剪切、乳化形成为乳液（单分散的内部流体液滴）14，然后随之通过下层连接通道10流入外部流体通道8中再被外部流体13剪切成为双重乳液（单分散的双层液滴）15，最终随着外部流体流出芯片。

Claims (4)

1.一种双重乳液制备芯片，由具有三层结构的基片加工制造而成，在基片上表面的内侧设置有内部流体通道，在基片下表面的内侧设置有外部流体通道，在所述的外部流体通道和所述的内部流体通道之间设置有中间流体通道，其特征在于：所述的内部流体通道具有第一分形树状微通道，该第一分形树状微通道包括第一主通道以及至少一级第一分支通道，在所述的最末级第一分支通道出口设置有贯穿所述的中间流体通道和所述的内部流体通道的上层连接通道；所述的中间流体通道具有第二分形树状微通道，该第二分形树状微通道包括第二主通道以及至少一级第二分支通道，所述的第二分支通道的级数和分支数目与所述第一分支通道一致，在所述的的最末级第二分支通道出口设置有贯穿所述的中间流体通道和所述的外部流体通道的下层连接通道。

2.根据权利要求1所述的双重乳液制备芯片，其特征在于：所述的内部流体通道和中间流体通道的分支数、交叉角、通道长度均保持一致，级数n为大于2小于10的整数。

3.根据权利要求1双重乳液制备芯片，其特征在于：所述的分形树状微通道以平面方式铺展开来，所述的分形树状微通道至少含有2级，每级分支通道连接着分叉数N=2的下一级分支通道，上下级微通道之间的交叉角α为180度，上下级分支通道的水力直径之比为N ^-1/Δ ，其中直径维数Δ取大于7/3且小于等于3的实数，所述的上下级分支通道的长度之比为N ^-1/d ，其中长度维数d取大于1且小于2的实数。

4.根据权利要求1、2或3双重乳液制备芯片，其特征在于：所述的外部流体通道为矩形截面通道，位于芯片最下层。

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