CN108671970A - 一种基于微流控芯片的双尺寸微液滴的产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于微流控芯片的双尺寸微液滴的产生方法，将分散相和连续相注入微流控芯片中，在微流控芯片的剪切口处形成双尺寸微液滴，微通道的剪切口高度和宽度均为10~100微米，长宽比为（10~1）：1；连续相的流速为5~10 μL/min，分散相的流速0.5~5.0 μL/min。本发明结合通道设计和流速控制两个因素，通过设计芯片的微通道的从入口到出口的整体结构设计，剪切口的形状及尺寸，实现在单一通道内一步法直接产生双尺寸液滴，其产生液滴的性能稳定，在一定通道尺寸内受流速影响小，可重复性好，并且可通过体积控制小液滴的尺寸；从而减少了分裂、分离通道的设计，减化了芯片加工以及流体操纵的操作难题。

Description

一种基于微流控芯片的双尺寸微液滴的产生方法
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，尤其是微流控微液滴的生成。更具体地，涉及一种基于微流控芯片的双尺寸微液滴的产生方法。
背景技术
液滴微流控 (droplet microfluidic)是近年来基于微流控芯片技术的一种全新的操纵微小体积液体的技术。液滴微流控中微液滴的形成类似于常见的乳化现象。在传统的乳化过程中，两种不相溶的液体，如油相与水相，在容器中一般会因为互不相溶而分成两层，密度低的在上层，密度高的在下层；若加入适当的表面活性剂并强烈搅拌，油相被分散在水相中或者水相被分散在油相中形成乳液。在微流控芯片中的液滴产生，是将两种互不相溶的液体，在流体的剪切力、界面张力、粘滞力等的作用下，其中的一相作为连续相，另一种流体作为分散相，通过微通道的尺度限制，在流体剪切力的作用下，将分散相分割形成微小体积 (10-15～10-9 L)的液滴分散于连续相中，形成含有微液滴的乳液。因为微流控芯片中，体积微小，流速可控，因此可以产生粒径均匀的微液滴，可广泛用于化学、生物医学和光电器件中。因此，液滴微流控技术是微流控芯片技术众多应用中的重要分支之一，它是基于微流控芯片发展起来的操纵微小体积液滴的技术, 可以实现微液滴的稳定生成、表面处理、破裂、融合及多液滴制备等。
双尺寸液滴指的是在同一种芯片中，同时产生两个大小不同的液滴，在相同条件下，产生的大小两个液滴的尺寸不变，并且可以在一定的参数范围内，在通道中连续稳定的产生。
常用的卫星液滴双尺寸因为在高流速下，流体前端在产生液滴过程中的界面在形成液滴的过程中被干扰而形成的，因此是动态变化的，受流体性能、流速等影响非常大。例如，流体在高速流动剪切下前端不稳定，因此在前一个液滴形成过程中倒置内相前端并因为 Rayleigh-Plateau原理而断裂形成一个子液滴。以上方法其双尺寸液滴主要由流体的流速和粘度决定的，受流体流速影响很大，比较难控制。
其他基于液滴微流控技术产生双尺寸微液滴，是运用微通道流动阻力差异原理设计微液滴分裂的微通道，通过分裂、分离微通道来实现两种不同尺寸液滴产生，而分裂、分离通道的存在无疑增加了微通道长度，给器件加工以及流体操纵带来了更多的困难。上述双尺寸微液滴的生成方法都需要经过两个功能单元来完成，即液滴的生成单元以及分裂、分离单元。即微液滴首先在液滴生成单元产生，再经微通道分裂、分离单元产生双尺寸液滴。也有文献报道了在通道中设计阻碍点，将产生的大液滴“切割”开产生双尺寸液滴。以上方法液滴的产生和分裂处于不同的阶段和分开控制，因此对芯片的设计和加工要求比较高。由于液滴分离时需要使用分裂通道结构将一个液滴分离，增加了通道长度和流体在通道中的阻力，增加了实验过程调节连续相和分散相流速的难度，影响双尺寸液滴生成的效果而且两个阶段相互影响，并且为了实现液滴的“分割”液滴产生的频率较慢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微流控芯片的双尺寸微液滴的产生方法。
本发明利用单一通道连续产生稳定的双尺寸液滴，可解决常见微流控芯片中利用额外的分裂通道或者基于快速不稳定流体分裂得到的双尺寸液滴的问题。
本发明的上述技术目的通过以下技术方案实现：
一种基于微流控芯片的双尺寸微液滴的产生方法，将分散相和连续相注入微流控芯片中，在微流控芯片的剪切口处形成双尺寸微液滴，其中，微通道的剪切口高度为10~100微米，宽度为10~100微米，剪切口的长度与宽度的比为（10~1）：1；连续相的流速为5~10 μL/min，分散相的流速0.5~5.0 μL/min。
优选地，微流控芯片的微通道为T型微通道、流动聚焦型微通道、共聚焦型微通道、Y 型微通道或十字型微通道。
最优选地，微流控芯片的微通道为共聚焦型微通道。
优选地，连续相和分散相的组成为水溶液和/或有机溶液形成水包油乳液，或反之形成油包水乳液。
优选地，形成水包油乳液的连续相为含有表面活性剂的水溶液，其中表面活性剂为表面活性剂为Tween 20、Tween 60、Tween 80、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、椰油酰胺丙基甜菜碱、乙氧基化烷基硫酸钠、烷基糖苷、月桂酰胺丙基甜菜碱、聚乙二醇或聚氧乙烯辛基苯酚醚-10中的一种或多种，分散相为具有流动性能的有机溶剂，包括烷烃、芳香烃、食用油以及以它们为溶剂的溶液。
优选地，形成油包水乳液的连续相为含有表面活性剂的碳氢溶剂或者氟碳溶剂，分散相为水或者盐溶液，其中，碳氢溶剂为正十六烷、正十四烷、辛烷、二十烷、矿物油、石蜡油、植物油或橄榄油中的一种或多种；相应的表面活性剂为Span 20、Span 40、Span 60、Span 80、Tween 85、双硬脂酸乙酯基羟乙基甲基硫酸甲酯铵、三硬脂酸乙酯基羟乙基甲基硫酸甲酯铵或烷基叔胺盐中的一种或多种；氟碳溶剂为全氟己烷、全氟环己烷、全氟十氢化萘、全氟全氢菲、HFE/Novec、FC 40、FC 70、FC 77或FC 3283中的一种或多种；相应的表面活性剂为全氟辛醇、全氟癸醇、全氟十四酸、全氟聚醚酸、全氟聚醚碳酸铵、全氟聚醚聚乙二醇、全氟聚醚二吗啉磷酸盐中的一种或多种。
本发明同时提供所述的基于微流控芯片的双尺寸微液滴的产生方法，包括如下步骤：
S1.制备分散相和连续相；
S2.搭建实验平台：将连续相和分散相计量后，通过外动力分别注入微流控芯片中；
S3.采用显微镜结合摄像机观察并记录液滴产生，测量和分析产生液滴的大小和频率。
依据毛细作用力结合几何结构设计，控制流体流速来提供合适的剪切力，提供一种基于液滴微流控技术产生及分离双尺寸微液滴的方法。
进一步地，微流控芯片的结构设计为流动共聚焦型，其中微通道的结构如图1所示。微通道的结构中，剪切口（1）长宽比会影响双尺寸液滴的产生，剪切比例越大，双尺寸液滴越难产生，比例越小，无法起到限制性作用，因此，共聚焦剪切通道的长宽比范围为10:1到1:1。
液滴形成后，流经通道（2）和缓冲池（3）。缓冲池的设计减缓了液滴在通道中的流速，能及时释放流体在通道中的压力，对双尺寸液滴的在下流微通道中的稳定性起到了关键作用。
进一步地，在制备芯片的步骤中，芯片的材料是PDMS、PC、PMMA或者玻璃、硅片等。其中，PDMS芯片的制备方法可通过模塑法得到，在阳模上浇注液态PDMS聚合物，待PDMS固化后脱模得到基片。阳模则采用光刻法得到即通过将光刻胶旋涂、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜等流程在基片上留下所要图案。PC芯片的制备方法可通过注塑法得到，在模具上浇注液态PC聚合物，待PC固化后脱模得到基片。阳膜则需要经过光刻、图片表面金属化、电铸得到。以上微流控芯片同样可以采用恰当的市售材料。
进一步地，所述分散相和连续相可以根据芯片材料的润湿性进行选择。亲水性通道形成水包油型液滴，疏水性通道形成油包水性液滴。以PDMS为例，分散相为水相，可以是去离子水、不同质量分数的甘油水溶液来调节粘度、含有生物分子的水溶液样品等。所述连续相可以选择，质量分数为1~5%的Span80的十六烷溶液、质量分数为1~5% Span 80的矿物油溶液或者质量分数为1~5% pico-sur的HEF-7100溶液等。
进一步地，在准备油相和水相时，用注射器过滤头先将溶液过滤，避免通道堵塞。
图1是本发明中采用的通道设计和双尺寸液滴的形成过程。双尺寸液滴产生的机理是低流速下，在一定流速区间和剪切通道长度下，通道结构的发生突变，液滴在产生过程中正好前端处于突变通道处，流速和通道结构匹配，在内相断裂产生大液滴的过程中，处于通道突变处的内相也同时断裂，因此实现同时产生两个液滴的功能，其中小液滴的尺寸在一定流速范围内保持不变。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点及效果：
本发明提供了一种基于液滴微流控技术，通过设计芯片的结构与尺寸，利用单一通道连续稳定产生双尺寸微液滴的方法，解决了传统技术多步液滴生成，分裂，分离及单一芯片中双尺寸液滴不连续及不稳定的问题。利用芯片独有的通道设计产生双尺寸液滴，为日后更好的研究双尺寸液滴奠定了基础，对未来液滴微流控的研究及实际应用有重大意义。
附图说明
图1 为双尺寸液滴产生的微流控芯片示意图。
图2为产生双尺寸微液滴的微通道（剪切口）结构示意图。
图3 为液滴产生的平台示意图。
图4为双尺寸液滴产生过程图（a）及出口处收集的液滴的显微镜图（b）（剪切口通道长度和宽度均为30 μm）。
图5 为图4所示芯片中产生的液滴大小分布图。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1
设计微流控芯片横纵微通道的结构及尺寸，微通道是共聚焦型结构，图1所示示意图中剪切口(1)的宽度为30 μm，限制通道长度30 μm。其中，微通道中剪切口的结构示意图见图2所示。
用微纳加工的方法制备微流控芯片，芯片的材质是PC；PC芯片的制备方法可通过注塑法得到，在阳模上浇注液态PC聚合物，待PC固化后脱模得到基片。阳膜采用电铸法即通过光刻、图片表面金属化、电铸等工序得到。
准备油相和水相：油相是质量分数为3%的Span80、Hexadecane溶液，水相是去离子水，电阻率为18.25 MΩ·cm。
如图3所示，实验平台的搭建：连接实验仪器和装置，将配置好的连续相和分散相分别量取在对应的注射器中，用硅胶软管连接注射器单元，硅胶软管和芯片入口处之间靠PEEK头连接，PEEK头靠AB胶粘贴在芯片入口处，软管和PEEK头之间则靠毛细管连接，最后将连接好的注射器单元装置在注射泵上。
制备液滴：将准备好的油相作为外相液体，不溶于所述油相的去离子水相作为内相液体。在注射泵两种不同流速下注入两相液体，在芯片通道剪切口处会形成两种不同尺寸的分散液滴。通过调节注射泵达到外相、内相的体积流速，使得所得的双尺寸微液滴在微通道中的液滴间隔稳定连续。工作时，分散相(水相)与分散相入口相连，连续相(油相)与连续相入口相连，在连续相施加给分散相的剪切力和压力共同作用下，在通道剪切口处生成处生成双尺寸微液滴。
液滴的观察与表征：通过改变与调节油水两相的流速及流速比，观察双尺寸液滴的产生过程。用高速摄像机观察并记录液滴产生的具体实验过程，倒置荧光显微镜观察液滴的直径。通过固定油相速率，改变水相速率，观察液滴的生成以及出口处的液滴大小情况。
如图4（a）所示，观察经过高速摄像机拍下的双尺寸微液滴，其大小液滴依次连续排出，相比较卫星液滴双尺寸，本发明提供的双尺寸微液滴更为连续。
如图5所示，双尺寸液滴产生结果：油相流速10 μL/min， 水相流速0.5~2.0 μL/min，大液滴直径48~65 μm，小液滴直径45 μm。
实施例2：
设计微流控芯片横纵微通道的结构及尺寸，微通道是共聚焦型结构，图1所示示意图中剪切口(1)的宽度为30 μm，限制通道长度60μm。
用微纳加工的方法制备微流控芯片，芯片的材质是PC；PC芯片的制备方法可通过注塑法得到，在阳模上浇注液态PC聚合物，待PC固化后脱模得到基片。阳膜采用电铸法即通过光刻、图片表面金属化、电铸等工序得到。
准备油相和水相：油相是质量分数为3%的Span80、Hexadecane溶液，水相是去离子水，电阻率为18.25 MΩ·cm。
实验平台的搭建：连接实验仪器和装置，将配置好的连续相和分散相分别量取在对应的注射器中，用硅胶软管连接注射器单元，硅胶软管和芯片入口处之间靠PEEK头连接，PEEK头靠AB胶粘贴在芯片入口处，软管和PEEK头之间则靠毛细管连接，最后将连接好的注射器单元装置在注射泵上。
制备液滴：将准备好的油相作为外相液体，不溶于所述油相的去离子水相作为内相液体。在注射泵两种不同流速下注入两相液体，在芯片通道剪切口处会形成两种不同尺寸的分散液滴。通过调节注射泵达到外相、内相的体积流速，使得所得的双尺寸微液滴在微通道中的液滴间隔稳定连续。工作时，分散相(水相)与分散相入口相连，连续相(油相)与连续相入口相连，在连续相施加给分散相的剪切力和压力共同作用下，在通道剪切口处生成处生成双尺寸微液滴。
液滴的观察与表征：通过改变与调节油水两相的流速及流速比，观察双尺寸液滴的产生过程。用高速摄像机观察并记录液滴产生的具体实验过程，倒置荧光显微镜观察液滴的直径。通过固定油相速率，改变水相速率，观察液滴的生成以及出口处的液滴大小情况。
双尺寸液滴产生结果：油相流速10 μL/min， 水相流速0.5~2.0 μL/min，大液滴直径48~65 μm，小液滴直径45 μm。
实施例3：
设计微流控芯片横纵微通道的结构及尺寸，微通道是共聚焦型结构，图1所示示意图中剪切口(1)的宽度为30 μm，限制通道长度为30 μm。
用微纳加工的方法制备微流控芯片，芯片的材质是PDMS和玻璃，PDMS中的微通道通过软光刻法得到，采用等离子表面处理以后和玻璃片键合形成。
准备油相和水相：油相是质量分数为3%的Span80、Hexadecane溶液，水相是去离子水，电阻率为18.25 MΩ·cm。
实验平台的搭建：连接实验仪器和装置，将配置好的连续相和分散相分别量取在对应的注射器中，用硅胶软管连接注射器单元，硅胶软管和芯片入口处之间靠PEEK头连接，PEEK头靠AB胶粘贴在芯片入口处，软管和PEEK头之间则靠毛细管连接，最后将连接好的注射器单元装置在注射泵上。
制备液滴：将准备好的油相作为外相液体，不溶于所述油相的去离子水相作为内相液体。在注射泵两种不同流速下注入两相液体，在芯片通道剪切口处会形成两种不同尺寸的分散液滴。通过调节注射泵达到外相、内相的体积流速，使得所得的双尺寸微液滴在微通道中的液滴间隔稳定连续。工作时，分散相(水相)与分散相入口相连，连续相(油相)与连续相入口相连，在连续相施加给分散相的剪切力和压力共同作用下，在通道剪切口处生成处生成双尺寸微液滴。
液滴的观察与表征：通过改变与调节油水两相的流速及流速比，观察双尺寸液滴的产生过程。用高速摄像机观察并记录液滴产生的具体实验过程，倒置荧光显微镜观察液滴的直径。通过固定油相速率，改变水相速率，观察液滴的生成以及出口处的液滴大小情况。
双尺寸液滴产生结果：油相流速5~10 μL/min， 水相流速1~5 μL/min，大液滴直径40~80 μm，小液滴直径约45 μm。
从以上实施例可以看出，在特定的结构设计和流速下，产生的液滴尺寸基本不变，尤其是小液滴的尺寸不变，本发明能够利用单一通道连续稳定产生双尺寸微液滴，对未来液滴微流控的研究及实际应用有重大意义。

Claims (8)

1.一种基于微流控芯片的双尺寸微液滴的产生方法，其特征在于，将分散相和连续相注入微流控芯片中，在微流控芯片的剪切口处形成双尺寸微液滴，其中，微通道的剪切口高度为10~100微米，宽度为10~100微米，剪切口的长宽比为（10~1）：1；连续相的流速为5~10 μL/min，分散相的流速0.5~5.0 μL/min。
2.根据权利要求1所述的产生方法，其特征在于，微流控芯片的微通道为T型微通道、流动聚焦型微通道、共聚焦型微通道、Y 型微通道或十字型微通道。
3.根据权利要求2所述的产生方法，其特征在于，微流控芯片的微通道为共聚焦型微通道。
4.根据权利要求1所述的产生方法，其特征在于，微流控芯片的材质为聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃、硅或铜。
5.根据权利要求1所述的产生方法，其特征在于，连续相和分散相的组成为水溶液和/或有机溶液形成水包油乳液，或反之形成油包水乳液。
6.根据权利要求5所述的产生方法，其特征在于，形成水包油乳液的连续相为含有表面活性剂的水溶液，其中表面活性剂为表面活性剂为Tween 20、Tween 60、Tween 80、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、椰油酰胺丙基甜菜碱、乙氧基化烷基硫酸钠、烷基糖苷、月桂酰胺丙基甜菜碱、聚乙二醇或聚氧乙烯辛基苯酚醚-10中的一种或多种，分散相为具有流动性能的有机溶剂，包括烷烃、芳香烃、食用油以及以它们为溶剂的溶液。
7.根据权利要求5所述的产生方法，其特征在于，形成油包水乳液的连续相为含有表面活性剂的碳氢溶剂或者氟碳溶剂，分散相为水或者盐溶液，其中，碳氢溶剂为正十六烷、正十四烷、辛烷、二十烷、矿物油、石蜡油、植物油或橄榄油中的一种或多种；相应的表面活性剂为Span 20、Span 40、Span 60、Span 80、Tween 85、双硬脂酸乙酯基羟乙基甲基硫酸甲酯铵、三硬脂酸乙酯基羟乙基甲基硫酸甲酯铵或烷基叔胺盐中的一种或多种；氟碳溶剂为全氟己烷、全氟环己烷、全氟十氢化萘、全氟全氢菲、HFE/Novec、FC 40、FC 70、FC 77或FC3283中的一种或多种；相应的表面活性剂为全氟辛醇、全氟癸醇、全氟十四酸、全氟聚醚酸、全氟聚醚碳酸铵、全氟聚醚聚乙二醇、全氟聚醚二吗啉磷酸盐中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的产生方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.制备分散相和连续相；
S2.搭建实验平台：将连续相和分散相计量后，通过外动力分别注入微流控芯片中；
S3.采用显微镜结合摄像机观察并记录液滴产生，测量和分析产生液滴的大小和频率。
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