CN110237874A - 用于生成非球形液滴的芯片及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生成非球形液滴的芯片及方法。该方法通过纳米粒子自组装在油水界面处，使液滴的形貌具有一定的可塑性，并结合液滴生成芯片，稳定快速地生成了均一的非球形的液滴。该方法具有简单，快速，可调控性强等优点。解决了之前非球形液滴生成步骤复杂，形貌调控灵活性不足，均一性不足等问题。本发明同样涉及这种均一非球形液滴的应用，此种非球形液滴可广泛应用于非球形微球合成，微纳米材料自组装，药物胶囊制备等生物、化学、材料、物理、医疗诊断及其相关领域。

Description

用于生成非球形液滴的芯片及方法
技术领域
本发明涉及一种用于生成非球形液滴的芯片以及方法，尤其是一种用于生成均一的非球形液滴的芯片以及生成方法
背景技术
非球形液滴具有各向异性，比表面积大，易分辨等优点，在纳米材料自组装、微胶囊式药物递送，非球形微球合成等生物、化学、材料、物理、医疗诊断及其相关方面有着很大的应用前景。
目前非球形液滴的合成方法主要有以下几种：一、以纳米粒子作为液滴稳定剂，利用电场调控液滴的形状，但是这一方法通量低，需要精准控制电场，限制了非球形液滴高通量的生成；二、利用液滴的融合，在电场作用下将两个或多个球形液滴融合成非球形液滴，但是该方法具有操作复杂，不易调控等缺点；三、利用不同种类液滴在单分散胶体盘上润湿性不同产生非球形液滴，这种液滴可用于合成形状可调的胶体，缺点在于需要额外进行单分散胶体盘的制备，并且效率不够高。
基于目前的非球形液滴合成方法存在着步骤复杂，通量低，形貌可调控性差等缺点，需要有一种简便、高通量、形貌调控灵活的非球形液滴生成方法。
发明内容
本发明目的针对现有的非球形液滴生成技术存在的步骤复杂，通量低，形貌可调控性差等缺点，提供一种简便、高通量、形貌调控灵的活非球形液滴生成方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
用于生成非球形液滴的芯片，包括上密封层以及通道层；
通道层包括：油相开口位置对应的油相入口，和离散相开口对应的离散相入口，和液滴收集出口位置对应的液滴存储区；离散相入口和液滴存储区之间用第一通道连接，油相入口连接一第二通道，所述的第二通道和第一通道交叉连通，交叉连通处形成液滴生成区，所述的液滴生成区和液滴储存区之间或液滴存储区入口处设有能够使液滴产生变形的液滴变形区。
在本发明的一实施例中，所述的液滴变形区为：在液滴存储区入口处设有台阶，或是在第一通道处设有台阶。
在本发明的一实施例中，台阶高度5μm-20mm。
在本发明的另一实施例中，所述的液滴变形区为：液滴生成区和液滴储存区之间的第一通道设有一直径或横截面积缩小的窄通道区。
在本发明的另一实施例中，窄通道区宽度为20μm—20mm，窄通道区长度为10μm-50mm。
在本发明的另一实施例中，第一通道长度为100μm-100mm，宽度为5μm-20mm，深度为3μm-20mm。
本发明的又一技术方案为：
一种非球形液滴生成方法，包括如下步骤：
1)制备前述的芯片；
2)将离散相与含纳米粒子的油相分别从芯片的离散相开口、油相开口注入；通过控制油相和离散相的流速比例，在液滴生成区形成大小均一的液滴；然后，液滴经过芯片中的液滴变形区，使液滴产生形变；
3)产生形变的液滴进入液滴存储区存储。
优选地，使用的油相溶液的纳米粒子大小在5nm-5μm，纳米粒子在油中的质量分数在0.1％-20％。
优选地，离散相流速小于等于油相流速。
优选地，控制油相和离散相的流速比为1-10:1。
本发明的原理如下：本发明通过离散相与连续相(例如含二氧化硅纳米粒子的氟油)分别从微流控芯片的离散相通道、连续相通道注入。在液滴生成区，油相中纳米粒子自组装在油水界面处，形成大小均一的液滴。然后，通过液滴运输通道进入液滴变形区，由于变形作用力，液滴产生形变，使液滴表面积增大，新暴露出来的油水界面会被油相中的纳米粒子迅速吸附。由于液滴的界面处密堆积着大量的纳米粒子，形成堵塞状态，所以，即使当液滴不受外力时，液滴依然可以保持非球形的状态，而不是恢复成球形。
本发明与背景技术相比具有的优点有：
1、生成的非球形液滴稳定性好，批次差异小，成本低，形状可调控。
2、可以一步法完成非球形液滴的生成，操作简便，对设备要求低，且可以高通量生成。
3、通过改变台阶高度，连续相和分散相的速比、改变油相纳米粒子浓度，离散相组成成分等，即可调控出不同形貌的液滴。
4、生成的非球形液滴可进一步应用于非球形微球合成、微纳米材料自组装、特殊形状胶体材料制备、微粒胶囊制备等生物、化学、材料、物理、医疗诊断及其相关领域。
附图说明
图1为实施例1用于非球形液滴生成的微流控芯片结构示意图。芯片结构包括上密封层、下密封层和通道层。
图2为图1中微流控芯片的部分结构示意图。A为俯视图；B为侧面剖视图
图3为实施例2用于非球形液滴生成的微流控芯片结构示意图。
图4为图3中微流控芯片的部分结构示意图。
图5为实施例1液滴生成芯片生成的非球形液滴。其中：图5a油相流速为0.8mL/h,离散相流速为0.2mL/h，台阶高度为20μm；图5b油相流速为0.8mL/h,离散相流速为0.3mL/h，台阶高度为20μm；其中图5c油相流速为0.8mL/h,离散相流速为0.3mL/h，台阶高度为30μm。
图6为实施例2窄通道式液滴生成芯片生成的非球形液滴。其中：图6a油相流速为0.9mL/h,离散相流速为0.15mL/h，窄通道宽度为40μm，窄通道长度为1mm；图6b油相流速为0.9mL/h,离散相流速为0.25mL/h，窄通道宽度为40μm，窄通道长度为1mm；其中图6c油相流速为0.9mL/h,离散相流速为0.4mL/h，窄通道宽度为40μm，窄通道长度为1mm。
具体实施方式
实施例1
参见图1和图2，芯片结构包括上密封层1、下密封层3和通道层2。其中，上密封层1设有
油相开口11，离散相开口12和液滴收集出口13，该油相开口11和离散相开口12位于上密封层1左侧，液滴收集出口13位于上密封层1的右侧。
通道层2包括：和上密封层的油相开口11位置对应的油相入口21，和离散相开口12对应的离散相入口22，和液滴收集出口13位置对应的液滴存储区27。离散相入口22和液滴存储区27用第一通道24连接，其中，第一通道24靠近液滴储存区27的一端设有锥形区26，该锥形的大口端连接液滴存储区27，所的液滴储存区的深度比锥形区深，由此在锥形区26和液滴储存区27的交界处形成台阶29。油相入口21连接第二通道，所述第二通道包括一长方形通道23，所述的长方形通道23的一边和第一通道24十字交叉连通，交叉连通处形成液滴生成区25。
优选地，第一通道24的长度范围为100μm-100mm，更优选为100μm-1mm；宽度为5μm-20mm，更优选为10μm-1mm；深度为3μm-20mm，更优选为10μm-2mm。
优选地，台阶高度5μm-20mm，更优选为10μm-1mm。
在本实施例中，台阶26为单个台阶，在其它实施例中，还可以设两个以上的台阶。
在其它实施例中，所述的台阶26也可以设在锥形区内。
实施例2
参见图3和图4，芯片结构包括上密封层1、下密封层3和通道层2。其中，上密封层1设有油相开口11，离散相开口12和液滴收集出口13，该油相开口11和离散相开口12位于上密封层1左侧，液滴收集出口13位于上密封层1的右侧。
通道层2包括：和上密封层的油相开口11位置对应的油相入口21，和离散相开口12对应的离散相入口22，和液滴收集出口13位置对应的液滴存储区27。离散相入口22和液滴存储区27用第一通道24连接；油相入口21连接第二通道，所述的第二通道包括一长方形通道23，所述的长方形通道23的一边和第一通道24十字交叉连通，交叉连通处形成液滴生成区25。
其中，液滴生成区25和液滴储存区27之间的第一通道24设有一直径缩小的窄通道区28。
优选地，第一通道24的长度范围为100μm-100mm，更优选为100μm-1mm；宽度为5μm-20mm，更优选为10μm-1mm；深度为3μm-20mm，更优选为10μm-2mm。
窄通道区28的直径范围为窄通道区宽度为20μm—20mm，更优选为100μm—1mm；窄通道区长度为10μm-50mm，更优选为50μm—5mm。
实施例3
在本发明中，纳米粒子的大小为100nm,纳米粒子浓度可以为2-5％，液滴直径可以为50-150μm。
使用的油相溶液可以是氟油(如HFE-7100、HFE-7200、HFE-7500、HFE-71DA、HFE-71DE、HFE-72DA、HFE-72DE、HFE-71IPA、FC-3251、FC-3252、FC-3255、FC-3275、FC-3280、FC-3283、FC-3284、FC-40、FC-41、FC-43、FC-5311、FC-5312、FC-5320、FC-6003、FC-6064、FC-6047、FC-70、FC-72、FC-726、FC-75、FC-77、FC-770、FC-8270、FC-84、FC-87、GH135)，烃油(如矿物油，甲苯，环己烷)，硅油(如氟代硅氧烷、环戊硅氧烷、脂肪基硅氧烷、低聚二甲基硅氧烷)。油相溶液中含有纳米粒子作为液滴稳定剂，纳米粒子大小在5nm-5μm，纳米粒子在油中的质量分数在0.1％-20％。
纳米粒子包括无机纳米粒子(如二氧化硅纳米粒子，二氧化钛纳米粒子，三氧化二铝纳米粒子，金纳米粒子，铂纳米粒子,二氧化硅介孔纳米粒子，金-四氧化三铁两面纳米粒子，金-四氧化三铁-金多面纳米粒子等)，有机纳米颗粒(如凝胶纳米颗粒，多肽纳米颗粒，核酸纳米颗粒，壳聚糖纳米粒子，聚苯乙烯纳米粒子，聚苯乙烯-聚丙烯酰胺两面或多面纳米粒子，聚苯乙烯介孔纳米粒子等)，无机有机复合物纳米颗粒(如氧化锌纳米粒子表面嫁接聚苯乙烯，磁性聚苯乙烯多层纳米粒子，聚苯乙烯-金两面或多面纳米粒子等)
使用的离散相溶液可以是水，水溶液，有机溶液等。
采用实施例1的芯片生成均一非球形液滴时，具体步骤如下：
首先是流体的注入，用注射器分别吸入分散有二氧化硅纳米粒子的氟油连续相(油相)与戊二醇水溶液离散相，然后通过聚四氟乙烯管分别与油相开口11和离散相开口12连接，在微量注射泵驱动下注入流体。通过调整微量注射泵的驱动力，将油相与离散相的流速比调至合适大小范围，即可得均一的非球形液滴。
非球形液滴变形程度可通过改变台阶29的高度，改变台阶阶数，改变连续相和分散相的流速比、改变油相纳米粒子浓度，改变离散相组成等进行调整。
例如，油相流速为0.8mL/h,离散相流速为0.2mL/h，台阶高度为40μm时，可以得到图5a所示的“椭球形”液滴；油相流速为0.8mL/h,离散相流速为0.4mL/h，台阶高度为40μm时，可以得到图5b所示的“葫芦形”液滴；油相流速为0.8mL/h,离散相流速为0.2mL/h，台阶高度为60μm时，可以得到其中图5c所示的“勾玉形”液滴。
实施例4
采用实施例2的液滴生成芯片,基于窄通道式液滴生成芯片生成均一
非球形液滴时，具体步骤如下：
首先是流体的注入，用注射器分别吸入分散有二氧化硅纳米粒子的氟油连续相(油相)与戊二醇水溶液离散相，然后通过聚四氟乙烯管分别与油相开口11和离散相开口12连接，在微量注射泵驱动下注入流体。通过调整微量注射泵的驱动力，将油相与离散相的流速比调至合适大小范围，即可得均一的非球形液滴。非球形液滴变形程度可通过改变窄通道的宽度、改变窄通道的长度，改变连续相和分散相的流速比、改变油相纳米粒子浓度，改变离散相组成等进行调整。
例如，在窄通道宽度为70μm，窄通道长度为500μm的条件下，当油相流速为0.9mL/h,离散相流速为0.15mL/h时，可以得到如图6a所示的“椭球形”液滴；当油相流速为0.8mL/h,离散相流速为0.35mL/h时,可以得到如图6b所示的“橄榄球形”液滴；当油相流速为0.8mL/h,离散相流速为0.45mL/h，时可以得到如图6c所示的“短棒形”液滴。

Claims (10)

1.用于生成非球形液滴的芯片，包括上密封层以及通道层，其特征在于，所述的上密封层设有油相开口、离散相开口和液滴收集出口；
通道层包括：和上密封层的油相开口位置对应的油相入口，和离散相开口对应的离散相入口，和液滴收集出口位置对应的液滴存储区；离散相入口和液滴存储区之间用第一通道连接，油相入口连接一第二通道，所述的第二通道和第一通道交叉连通，交叉连通处形成液滴生成区，所述的液滴生成区和液滴储存区之间、或液滴存储区入口处设有能够使液滴产生变形的液滴变形区。
2.如权利要求1所述的用于生成非球形液滴的芯片，其特征在于，所述的液滴变形区为：在液滴存储区入口处设有台阶，或是在第一通道处设有台阶。
3.如权利要求2所述的用于生成非球形液滴的芯片，其特征在于：台阶高度5μm-20mm。
4.如权利要求1所述的用于生成非球形液滴的芯片，其特征在于：所述的液滴变形区为：液滴生成区和液滴储存区之间的第一通道设有一直径或横截面积缩小的窄通道区。
5.如权利要求4所述的用于生成非球形液滴的芯片，其特征在于：第一通道长度为100μm-100mm，宽度为5μm-20mm，深度为3μm-20mm。
6.如权利要求5所述的用于生成非球形液滴的芯片，其特征在于：窄通道区宽度为20μm—20mm，窄通道区长度为10μm-50mm。
7.一种非球形液滴生成方法，包括如下步骤：
1)制备权利要求1至6任一项所述的芯片；
2)将离散相与含纳米粒子的油相分别从芯片的离散相开口、油相开口注入；通过控制油相和离散相的流速比例，在液滴生成区形成大小均一的液滴；然后，液滴经过芯片中的液滴变形区，使液滴产生形变；
3)形变之后的液滴进入液滴存储区保存。
8.如权利要求7所述的非球形液滴生成方法，其特征在于：使用的油相溶液的纳米粒子大小在5nm-5μm，纳米粒子在油中的质量分数在0.1％-20％。
9.如权利要求7所述的非球形液滴生成方法，其特征在于：离散相流速小于等于油相流速。
10.如权利要求7所述的非球形液滴生成方法，其特征在于：控制油相和离散相的流速比为1-10:1。
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