CN104069757A - 一种双重微乳液快速制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双重微乳液快速制备装置，包括液滴生成单元阵列、网状流体分配通道以及网状乳液收集通道，液滴生成单元阵列由呈阵列分布的液滴生成单元组成，液滴生成单元包括外流体通道、中间流体通道、内流体通道以及液滴生成单元出口，网状流体分配通道由外流体网状流体分配通道、中间流体网状流体分配通道和内流体网状流体分配通道组成，网状乳液收集通道的入口与液滴生成单元出口连接。本发明网状结构的双重微乳液快速制备装置，实现外流体、中间流体和内流体均匀分配到各个双重液滴生成单元中去，进而达到充分利用微流控芯片空间、实现乳液快速生成、保证乳液液滴的均一度和单分散性等目的。

Description

一种双重微乳液快速制备装置

技术领域

本发明涉及一种基于微流控技术的双重乳液快速制备装置，具体涉及的是一种为提高双重乳液制备效率而设计的具有网状结构微通道的双重乳液快速制备装置。

背景技术

双重乳液是一种高度结构化的特殊乳液，其中中间流体包裹着内流体分散于外流体中。双重乳液液滴特殊的壳-核结构使得其在在医药、食品、化工等行业有着广泛的应用。传统的双重乳液制备方法如搅拌、喷雾干燥以及膜乳化等通常伴随强烈振荡过程，存在试剂消耗大、工艺复杂、工艺耗时长、制得的双重乳液液滴形度不高、液滴大小不均一、单分散性差等诸多问题。故迫切需求开发高度单分散双重乳液的制备方法与可控性更好、原料利用率更高的制造设备，目前高品质双重乳液制备工艺中最具发展前景的当推微流控装置。基于微流控的双重乳液制备技术具有高度的可控性和原料利用率，所制备的双重乳液单分散性好、均一度高、球形度好，可用于多种流体的乳化，在生物医学、化学化工等领域有着广阔的应用前景。

微流控装置的核心组成部分为微流控芯片，微流控芯片中微通道的结构、形状和尺寸对微通道中流体的流动以及所制备的双重乳液尺寸有着决定性的影响。通常的双重乳液制备芯片结构多为单通道，一次只能产生一个双重乳液液滴，具有生产率低、制备耗时长等缺点，阻碍了微流控技术在双重乳液实际生产中的应用。提高双重乳液的生产率可以采用多个制备通道并联的方式，然而并联的制备通道需要达到很高的均一度才能保证所制得的乳液的均一性，对生产条件要求较高。另一个提高生产率的方式是采用直通道将流体分配到双重乳液生成单元中，这个方法对通道的制作要求较低，但是流体的沿程压降使得每一个双重乳液制备单元中的流体流量并非完全一致，可能会导致各单元中的流动情况有差异，进而影响到双重乳液的单分散性。

受人体呼吸循环系统网状结构的思想启迪，本发明将网状结构应用于乳液流体分配通道设计，实现外流体、中间流体和内流体均匀分配到各个双重液滴生成单元中去，进而达到充分利用微流控芯片空间、实现乳液快速生成、保证乳液液滴的均一度和单分散性等目的。

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现有的微流控芯片乳液生成速度慢以及为提高生成速度而带来的液滴单分散性降低的缺点，提出了一种网状结构微通道的双重乳液快速生制备装置，基于该装置能实现流体均匀分配、保证双重乳液液滴球形度与单分散性并大幅度提高双重乳液制备效率。

本发明的目的是设计一种基于微流控技术的双重乳液快速制备装置，采用网状通道结构将多个双重乳液生成单元集成到一个装置中，大大减小了微流控装置体积，并且，网状流体分配通道结构实现了连续相、分散相流体的均匀分配，可实现模块化、连续化、高效的双重乳液快速生成及制备。

技术方案：为解决当前的双重乳液制备装置设计上存在的生成速度慢、流体分配不均匀的问题，本发明采用的技术方案是：

一种双重微乳液快速制备装置，其特征在于：包括液滴生成单元阵列、网状流体分配通道以及网状乳液收集通道，所述的液滴生成单元阵列由呈阵列分布的液滴生成单元组成，所述的液滴生成单元包括外流体通道、中间流体通道、内流体通道以及液滴生成单元出口，在所述的外流体通道上设置有液滴生成单元外流体入口，在所述的中间流体通道上设置有液滴生成单元中间流体入口，在所述的内流体通道设置有液滴生成单元内流体入口，在所述中间流体通道的中间流体出口与内流体通道的内流体出口之间设置有第一次流动聚焦，在所述的外流体通道出口与所述的第一次流动聚焦后设置有第二次流动聚焦，所述的网状流体分配通道由外流体网状流体分配通道、中间流体网状流体分配通道和内流体网状流体分配通道组成，所述的液滴生成单元外流体入口连接在所述的外流体网状流体分配通道出口，所述的液滴生成单元中间流体入口连接在所述的中间流体网状流体分配通道出口，所述的液滴生成单元内流体入口连接在所述的内流体网状流体分配通道出口，所述网状乳液收集通道的入口与所述的液滴生成单元出口连接。

所述的液滴生成单元阵列、网状流体分配通道以及网状乳液收集通道在空间呈上下平行布置；所述的网状流体分配通道皆由母通道和子通道组成，所述的母通道为网状结构流体通道的与流体入口连接的第0级通道，所述的母通道通过分叉生成2个子通道，其中，同级两子通道之间的夹角θ=180度，上下级通道之间的夹角α=90度。

所述的网状流体分配通道与所述的网状乳液收集通道的最后一级具有2 ⁿ 个子通道；所述的的液滴生成单元的总数为2 ⁿ 个，且位置对应网状流体分配通道的末端，其中，n为级数，取自然数。

第1级子通道继续分叉生成4个第2级子通道，周而复循，生成第3、4、5….n级子通道。这样，生成的网状结构的最后一级具有2 ⁿ 个子通道。这意味着液滴生成单元的总数为2 ⁿ 个，且位置对应网状流体分配通道的末端。在本发明中，所述的上下级子通道的水力直径之比为N ^-1/Δ (N=2，参数Δ取大于2的实数)，所述的上下级子通道的长度之比为N ^-1/d (参数d取大于1实数)。需要指出的是，每一级的子通道都是具有相同形状和结构尺寸的，进而有效保证了每一个液滴制备单元中的流动工况的完全一致，从而达到制备的双重乳液液滴具有球形度高和大小均一特征。另外，外流体分配通道、中间流体分配通道、内流体分配通道和出口通道皆采用网状结构，通过垂直的通道与所述的液滴生成单元阵列连接，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 个双重乳液液滴，实现了双重乳液的快速制备。

所述的外流体网状流体分配通道、所述的中间流体网状流体分配通道、所述的内流体网状流体分配通道和所述的网状乳液收集通道在空间上呈平行层状排列，盖板位于最上层，所述的网状乳液收集通道为第二层，所述的液滴生成单元阵列为第三层，所述的外流体网状流体分配通道为第四层，所述的中间流体网状流体分配通道为第五层，所述的内流体网状流体分配为第六层，层与层之间采用垂直的圆形通道连接。

使用时，通过调整外流体、中间流体和内流体的流量，已达到对乳液尺寸的调整和控制。由所述的外流体网状流体分配通道、所述的中间流体网状流体分配通道、所述的内流体网状流体分配通道汇集而来的外流体、中间流体和内流体进入呈阵列分布的液滴生成单元中。内流体在所述液滴生成单元的第一个十字交叉处被中间流体剪切成为单个液滴，并被中间流体带向下游，在第二个十字交叉处被外流体剪切成双重乳液液滴。所生成的双重乳液通过垂直的通道进入网状乳液收集通道，最后通过网状乳液收集通道导出即可制备得到双重乳液。各级通道和出口通道的截面形状可为圆形或矩形。

所述的微流控芯片根据工作条件、流体性质等不同，大小可以控制在几个平方厘米作用，材料可选用硅片、玻璃、硅橡胶、塑料、PDMS、有机玻璃等材料作为基片，通过蚀刻、光刻或者印模等方法加工微通道。

本发明提供的双重微乳液快速生成装置，外流体、中间流体和内流体可根据需要使用任意流体工质，各流体的流动布置可以布置成平行流也可布置成交叉流，不管各相流体的流动方向如何，对流体的均匀分配不会产生影响，对所述的双重乳液制备过程也不会产生影响。

本发明提供了一种双重微乳液快速生成装置。在该装置使用中，外流体、中间流体和内流体从各自的入口进入各自的分配通道，迅速的分流到各通道的最末级分支，在这个层面内达到均匀的流体质量分配，然后从网状结构末端流入到液滴生成单元对应的入口，继而通过两次流动聚焦作用，形成中间流体包裹着内流体液滴悬浮在外流体中的单分散的双重乳液。与传统的平行排列的通道相比，网状结构通道布置大大提高了空间利用率，另外由于网状结构可有效降低流动阻力进而减小泵功消耗，实现了双重乳液的高效制备。

有益效果：

本发明将网状结构应用于乳液流体分配通道设计，构建了一种具有网状结构的双重微乳液快速生成装置，实现外流体、中间流体和内流体均匀分配到各个双重液滴生成单元中去，进而达到充分利用微流控芯片空间、实现乳液快速生成、保证乳液液滴的均一度和单分散性等目的。另外，网状结构使得整个微流控双重乳液制备装置设计紧凑合理，实现双重乳液的快速、高效制备。

附图说明：

图1 双重乳液液滴生成单元示意图。

图2 相邻的两个液滴生成单元之间的连接示意图。

图3 网络流体分配通道示意图。

图4 网状通道与液滴生成单元之间的连接示意图。

图5乳液生成装置示意图。

图中1．液滴生成单元外流体入口；2．液滴生成单元中间流体入口；3．液滴生成单元内流体入口；4．第一次流动聚焦；5．第二次流动聚焦；6．液滴生成单元出口； 7．外流体网状流体分配通道第n-1级通道；8．中间流体网状流体分配通道第n-1级通道；9．内流体网状流体分配通道第n-1级通道；10．出口第n-1级通道；11．网状结构母通道；12．网状结构第1级子通道；13．网状结构第n级子通道出口；14．芯片外流体入口；15．芯片中间流体入口；16．芯片内流体入口；17．芯片出口；18．盖板；19．网状乳液收集通道；20．液滴生成单元阵列；21．内流体网状流体分配通道；22．中间流体网状流体分配通道；23．外流体网状流体分配通道。

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给出了双重乳液液滴生成单元示意图，由两个十字分叉通道组成。一种具有网状结构的双重乳液制备芯片的液滴生成单元的结构包括：液滴生成单元外流体入口1、液滴生成单元中间流体入口2、液滴生成单元内流体入口3、第一次流动聚焦4、第二次流动聚焦5和液滴生成单元出口6等主要组成部分。内流体在第一个十字分叉处被中间流体通过流动聚焦作用剪切成单分散的液滴，并被带向下游，中间流体包裹着内流体在第二个十字分叉处经过第二次流动聚焦作用被剪切成单分散的双重乳液液滴。

图2相邻的两个液滴生成单元之间的连接示意图。双重乳液液滴生成单元阵列呈阵列分布在同一个平面内，外流体、中间流体和内流体分别通过外流体第n-1级通道7、中间流体第n-1级通道8和内流体第n-1级通道9后均匀的分成两支流流入两个双重乳液生成单元中，通过两次流动聚焦作用形成双重乳液后再汇聚到出口第n-1级通道10中。

图3给出了网络流体分配通道的示意图。各个网状通道中外流体、中间流体和内流体分别通过各自的入口进入各自的网状结构母通道（即第0级通道）11中，通过网状结构第一级分支通道12被均匀的分为两股支流后依次通过第2、3……n级通道，最终被完全均匀的分配到2 ⁿ 个网状结构第n级分支通道出口13中。所述的树状流体分配网络以平面方式铺展开来，微通道网络至少含有2级，每级通道连接着分叉数N=2的下一级通道，上下级微通道之间的夹角α为90度，两个子通道之间的夹角为180度。为了得到最优的流动效果，分支结构中各级水力直径与长度按照一定的比例关系生成。所述的上下级子通道的水力直径之比为N ^-1/Δ (N=2，参数Δ取大于2的实数)，所述的上下级子通道的长度之比为N ^-1/d (参数d取大于1实数)。

图4给出了网状通道与液滴生成单元之间的连接示意图。外流体、中间流体和内流体分别通过芯片外流体入口14、芯片中间流体入口15和芯片内流体入口16被网状结构的微通道完全均匀的分配成2 ⁿ 支流进入到液滴生成单元中生成双重乳液液滴，液滴生成后，再通过网状乳液收集通道汇聚到双重乳液制备芯片出口17中进行后处理。

图5给出了乳液生成装置示意图。所述的一种双重微乳液快速生成装置最少由盖板18、网状乳液收集通道19、液滴生成单元阵列20、内流体网状流体分配通道21、中间流体网状流体分配通道22、外流体网状流体分配通道23六层组成，可以依据需要调节叠放次序。

Claims (3)

1.一种双重微乳液快速制备装置，其特征在于：包括液滴生成单元阵列、网状流体分配通道以及网状乳液收集通道，所述的液滴生成单元阵列由呈阵列分布的液滴生成单元组成，所述的液滴生成单元包括外流体通道、中间流体通道、内流体通道以及液滴生成单元出口，在所述的外流体通道上设置有液滴生成单元外流体入口，在所述的中间流体通道上设置有液滴生成单元中间流体入口，在所述的内流体通道设置有液滴生成单元内流体入口，在所述中间流体通道的中间流体出口与内流体通道的内流体出口之间设置有第一次流动聚焦，在所述的外流体通道出口与所述的第一次流动聚焦后设置有第二次流动聚焦，所述的网状流体分配通道由外流体网状流体分配通道、中间流体网状流体分配通道和内流体网状流体分配通道组成，所述的液滴生成单元外流体入口连接在所述的外流体网状流体分配通道出口，所述的液滴生成单元中间流体入口连接在所述的中间流体网状流体分配通道出口，所述的液滴生成单元内流体入口连接在所述的内流体网状流体分配通道出口，所述网状乳液收集通道的入口与所述的液滴生成单元出口连接。

2.根据权利要求1所述的双重微乳液快速制备装置，其特征在于：所述的液滴生成单元阵列、网状流体分配通道以及网状乳液收集通道在空间呈上下平行布置；所述的网状流体分配通道皆由母通道和子通道组成，所述的母通道为网状结构流体通道的与流体入口连接的第0级通道，所述的母通道通过分叉生成2个子通道，其中，同级两子通道之间的夹角θ=180度，上下级通道之间的夹角α=90度。

3.根据权利要求1所述的双重微乳液快速制备装置，其特征在于：所述的网状流体分配通道与所述的网状乳液收集通道的最后一级具有2 ⁿ 个子通道；所述的的液滴生成单元的总数为2 ⁿ 个，且位置对应网状流体分配通道的末端，其中，n为级数，取自然数。