CN113145190A - 一种用于多结构复合微液滴规模化可控制备的微流控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于多结构复合微液滴规模化可控制备的微流控装置，由隔板间隔的三个功能区域堆叠构成，自上而下分别是阀门控制功能区、液滴制备功能区和流体分配功能区。阀门控制功能区以气或液/磁驱动阀门闭合/开启状态转换，实现多组分微液滴的结构调控。流体分配功能区以多形式蛇形通道结构组合，实现分配通道中各流体流速的均等分配，并将对应分散相(连续相)流体输送至液滴制备功能区。液滴制备功能区包含在二维平面上并联排布的多个相同液滴制备单元，其中液滴制备单元以交错流型或聚焦流型结构微通道多级串联构成，实现复合微液滴高通量制备。此微流控装置适用于多领域高单分散性、高结构性和高功能性复合颗粒材料的可控规模化制备。

Description

一种用于多结构复合微液滴规模化可控制备的微流控装置
技术领域
本发明属于微化工领域，具体涉及到一种用于多结构复合微液滴规模化可控制备的微流控装置。
技术背景
液滴微流控技术是当今备受关注的热点研究领域之一，在化工、能源、环境、医药等领域中都起到了非常重要的作用。与传统液滴成型方法相比，液滴微流控技术具有优异的流体微尺度相界面调控能力，可实现高单分散性、高结构性和高功能性复合微液滴的可控制备。但受限于单位时间内单一微通道中液滴制备较低的产能，难以满足工业级产量要求，且微通道装置结构一经确定不可变更，无法利用同一微流控装置实现多结构复合微液滴的可控制备。由于微通道本身具有可重复且不产生放大效应的特性，配合气/液/磁驱动阀门开启/闭合状态调控，可实现微通道结构转变，突破复杂结构复合微液滴的可控规模化制备的瓶颈。
中国发明专利(ZL201610641007.0)公开了一种规模化制备液滴的微流控模块，此发明采用多级模块化放大策略，模块设计包括并联、堆叠两个放大过程。在具体实施例中，借助蛇形通道均等分配分支流通道内流体流速，通过在单个芯片组以环形阵列方式并联排布八个微通道，再采用十个芯片组堆叠构成模块组，将壳聚糖微球产量提升至480mL/h。然而此芯片结构固定、不可变更，仅可实现单组份微液滴的批量制备，无法用于复杂结构多组分微液滴的可控规模化制备。
中国发明专利(ZL201510733141.9)公开了一种多组分微液滴微流控芯片及其加工方法，此发明通过对微通道结构设计和表面改性处理，实现了单一组份微液滴的连续制备。但当需要合成Janus液滴、O/W/O(油包水包油型)等复杂结构复合液滴时，则需利用多组分预混合或者多块芯片串联，通过前步过程首先获得内部微液滴，再将其作为分散相引入微流控芯片，结合连续相的再次剪切作用获得。此制备过程相对繁琐，且无法实现液滴的规模化制备。
发明内容
本发明的目的在于突破微流控技术在高通量制备复杂结构多组分微液滴的瓶颈，提供一种用于多结构复合微液滴规模化可控制备的微流控装置。本发明所涉及的微流控装置的液滴制备总产量为Q，Q＝η×M，其中η为液滴制备功能区中单个液滴制备单元的液滴产量，M为液滴制备单元数，M＝N×2i-1。蛇形通道数N可依据芯片基板尺寸进行调控，同时受加工精度的影响。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种用于多结构复合微液滴规模化可控制备的微流控装置，其特征在于，所述的微流控装置为一块由隔板间隔的三个纵向串联的功能区域组成的芯片，所述的功能区域自上而下分别是阀门控制功能区、液滴制备功能区和流体分配功能区；
所述的流体分配功能区位于最下方，自下而上为依次叠置的底板、连续相I流体分配层、微通道分隔层I、分散相流体分配层、以及s级间隔排列的微通道分隔层和连续相流体分配层，s＝1,2,3...，由液滴制备功能区中液滴制备微通道层微通道串联级数j决定，s＝j-1；每个流体分配层包括与之对应的独立流体进口，分别与外部独立的流体输送泵阀系统相连；所述的各个流体分配层呈中心圆孔结构，沿圆周等间距设置N个流体分配通道，通道数N由芯片基板尺寸和加工精度决定，其中N＝1,2,3…；每个流体分配通道采用扇形渐扩或矩形等宽排布的多级蛇形微通道i级串联构成，其中i＝2,3,4…，第i级采用扇形渐扩或矩形等宽排布的一种或两种蛇形微通道并联构成，末级蛇形通道流体出口与液滴制备功能区各液滴制备单元对应流体入口相连；
所述的液滴制备功能区位于流体分配功能区上方，自下而上依次包括下隔板和液滴制备微通道层，具有分散相流体进口、连续相流体进口和微液滴出口；液滴制备微通道层中各液滴制备单元采用交错流型或聚焦流型结构中的一种或两种微通道进行j级串联，并在二维平面上以线性或环形阵列方式并联排布，其中，j＝2,3,4…；液滴制备单元数M＝N×2i-1；
所述的阀门控制功能区位于芯片的最上部，自下而上依次包括带金属阀门的上隔板、阀门位移控制层、盖板。
所述的上隔板中安装有可上下移动的金属阀门，金属阀门与上隔板通孔间采用环形密封垫圈实现密封，每个阀门控制单元相互独立，阀门闭合/开启可单独控制，闭合/开启状态由气或液/磁驱动转换和调控，可实现单组分微液滴或复杂结构(一包一、一包多等)多组分微液滴的批量化制备。
所述的金属阀门的阀门数k，k＝1,2,3…，由液滴制备功能区中交错流型或聚焦流型微通道串联级数j决定，k＝j-1。
所述基板可采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、石英玻璃等材料中的一种或者多种组合，基板加工方式可采用软光刻、微铣削、3D打印、湿法刻蚀等方法中的一种或者多种组合，多层基板间的封装可采用键合成型、热压成型、胶状成型等方法中的一种或者多种组合，流体输送设备采用注射泵或恒压泵等，阀门材料需采用铁、钴等磁性金属或合金材料。
有益效果
本发明提出了一种用于多结构复合微液滴规模化可控制备的微流控装置，借助三个不同功能区内微通道的结构设计和串并联组合，通过金属阀门对微通道结构的独立控制，可实现对多组分微流体的精确调控和不同结构复合微液滴的批量制备，适用于化工、制药、生物等领域中吸附催化材料设计、药物缓释胶囊合成、多组分生物培养基配制等应用。
附图说明
图1二级串联十二通道微流控装置结构图
附图1为采用本发明内容开发的二级串联十二通道微流控装置结构图，所述的功能区域自上而下分别是12阀门控制功能区、13液滴制备功能区和14流体分配功能区。为简化作图以清晰表示，只绘制一个液滴制备单元，其余五个液滴制备单元沿圆周等间距排列。12阀门控制功能区自上而下依次包括1：盖板；2：阀门位移控制层；3：带金属阀门的上隔板。13液滴制备功能区自上而下依次包括4：液滴制备微通道层；5：下隔板。14流体分配功能区自上而下依次包括6：连续相II流体分配层；7：微通道分隔层II；8：分散相流体分配层；9：微通道分隔层I；10：连续相I流体分配层；11：底板。
图2连续相I流体分配层十二通道结构图
连续相I流体分配通道采用扇形渐扩与矩形等宽排布的蛇形微通道二级串联构成，其中第2级采用矩形等宽排布的蛇形微通道并联构成。
图3分散相流体分配层十二通道结构图
分散相流体分配通道采用扇形渐扩与矩形等宽排布的蛇形微通道二级串联构成，其中第2级采用矩形等宽排布的蛇形微通道并联构成。
图4连续相II流体分配层十二通道结构图
连续相II流体分配通道采用扇形渐扩与矩形等宽排布的蛇形微通道二级串联构成，其中第2级采用矩形等宽排布的蛇形微通道并联构成。
图5液滴制备微通道层十二通道结构图
液滴制备微通道层中各液滴制备单元采用一级交错流型和二级聚焦流型微通道的串联结构，并在二维平面上以环形阵列方式并联排布12个独立的液滴制备单元。
图6金属阀门装配图
具体装配过程为：金属片由上隔板中装有环形密封垫圈的双通孔插入，随后向两侧对应弯折90°，形成拱形金属阀门。其中6-1为带有双通孔的上隔板，6-2为装有环形密封垫圈的长方形通孔，6-3为金属阀门。
图7金属阀门工作原理图
如图7a所示，金属阀门通过气/液驱动，在金属阀门位移控制层中向下运动，直至完全阻断连续相II流体进入主通道，形成金属阀门的闭合状态。如图7b所示，金属阀门通过磁驱动在金属阀门位移控制层中向上运动，直至金属阀门顶端与盖板底端完全贴合，此时连续相II流体无阻隔直接进入主通道，形成金属阀门的开启状态。
图8复合液滴制备原理图
图8a对应金属阀门开启状态，液滴制备单元为一级交错流型微通道与二级聚焦流型微通道的串联结构。在此状态下，分散相流体首先在一级交错流型微通道中被连续相I流体剪切成为粒径均一的单组分微液滴，随后该微液滴随连续相I流体到达二级聚焦流型微通道处，被连续相II流体再次剪切，进而形成粒径均一的复杂结构(一包一、一包多等)多组分微液滴。图8b对应金属阀门闭合状态，液滴制备单元仅存在一级交错流型微通道。在此状态下，分散相流体在交错流型微通道中被连续相I流体剪切成为粒径均一的单组分微液滴。
图9一包一复合微液滴光学显微镜照片
利用二级串联十二通道微流控装置，将金属阀门置于开启状态，所制备的一包一复合微液滴光学显微镜照片。
图10一包三复合微液滴光学显微镜照片
利用二级串联十二通道微流控装置，将金属阀门置于开启状态，所制备的一包三复合微液滴光学显微镜照片。
图11单组分微液滴光学显微镜照片
利用二级串联十二通道微流控装置，将金属阀门置于闭合状态，所制备的单组分微液滴光学显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
以二级串联十二通道微流控装置制备多结构复合微液滴为例(见附图1)，其操作流程和液滴制备过程如下：
(1)借助外部独立的流体输送泵阀系统，分别将分散相、连续相I、连续相II流体以一定流速由微流控装置底板对应的分散相(A)、连续相I(B)、连续相II(C)流体进口导入微流控装置中。
(2)流体由流体分配层中心圆孔分别导入相应的一级扇形渐扩排布蛇形微通道，并在其中通过平衡压力和流动阻力，快速实现流速的均等分配。随后该流体经过二级矩形等宽排布蛇形微通道，实现流速的均等再分配。
(3)经过一级和二级蛇形微通道分配后的对应流体，分别进入到液滴制备功能区中环形阵列方式并联排布的12个液滴制备单元。通过调控分散相、连续相I、连续相II流体进口流速，间接实现液滴制备单元入口处各流体的进口流速的可控调节。
(4)在该实例中，液滴制备单元由交错流型和聚焦流型结构的两种微通道进行二级串联，并在二维平面上以环形阵列方式并联排布12个独立的液滴制备单元。
(5)借助外界独立的气/液驱动单元，使金属阀门在阀门位移控制层中向下运动，直至完全阻断连续相II流体进入液滴制备单元中的主通道，形成金属阀门的闭合状态。在该状态下，液滴制备单元为交错流型的微通道结构，分散相流体被正交的连续相I流体剪切为粒径均一的单组份微液滴。各液滴制备单元所制备的单组份微液滴最终汇集于中心圆形孔结构中，并由液滴制备微通道层的微液滴出口(D)引出。其中，单组份微液滴的尺寸控制可通过调节分散相、连续相I、连续相II三者的流速实现。
(6)借助外界独立的磁驱动单元，使金属阀门在阀门位移控制层中向上运动，直至金属阀门顶端与盖板底端完全贴合，保证连续相II流体无阻隔的进入液滴制备单元中的主通道，形成金属阀门的开启状态。在该状态下，液滴制备单元为一级交错流型和二级聚焦流型串联的微通道结构，分散相流体首先在一级交错流型微通道中被正交的连续相I流体剪切为粒径均一的单组份微液滴，随后连续相I流体携带着单组份微液滴进入二级聚焦流型微通道中，被连续相II流体再次剪切，进而形成粒径均一的复杂结构多组分微液滴。其中，一包一或一包多结构微液滴可通过调节分散相、连续相I、连续相II三者的流速实现，而其尺寸控制也可通过调节分散相、连续相I、连续相II三者的流速实现。各液滴制备单元所制备的多组分复合微液滴最终汇集于中心圆形孔结构中，并由液滴制备微通道层的微液滴出口(D)引出。
实施例1
选用石英玻璃作为基板材料，采用湿法刻蚀技术搭建微流控装置。
如附图1所示，微流控装置的基板尺寸大小为100mm×100mm。其中阀门控制功能区各板层厚度为：盖板0.5mm、阀门位移控制层1.2mm、上隔板0.5mm；液滴制备功能区各板层厚度为：下隔板0.5mm、液滴制备微通道层1.2mm；流体分配功能区各板层厚度为：微通道分隔层0.5mm(包括微通道分隔层I和微通道分隔层II)、流体分配层1.2mm(包括分散相、连续相I、连续相II流体分配层)、底板0.5mm。金属阀门厚度为0.2mm。
流体分配功能区的流体分配层(包括分散相、连续相I和连续相II流体分配层)中心位置均设有圆形孔结构，直径为5.5mm，等间距分布6个相同结构尺寸的流体分配通道。流体分配通道采用扇形渐扩和矩形等宽排布两种蛇形微通道串联构成(见附图2-4)，其中第1级采用扇形渐扩排布的1个蛇形微通道，第2级采用矩形等宽排布的2个蛇形微通道并联。第2级蛇形微通道出口与液滴制备功能区液滴制备单元对应的流体入口相连，蛇形微通道采用半刻透方式加工，截面尺寸为0.5mm×0.5mm。
在液滴制备功能区的液滴制备层中心设有圆形孔结构，直径为10mm，沿圆周等间距分布12个相同结构尺寸的液滴制备单元，每个液滴制备单元由一级交错流型和二级聚焦流型微通道串联组成(见图5)，微通道横截面尺寸均为1.2mm×1.2mm。
所有的芯片层单独加工，经过超声清洗和干燥后，按照顺序依次堆叠键合封装，制得二级串联十二通道微流控装置。采用去离子水对微流控装置进行渗漏测试。图1中A为分散相流体进口，B为连续相I流体进口，C为连续相II流体进口，D为微液滴出口。其中A、B、C进口分别通过PVC软管与独立的流体输送泵阀系统相连。
本实施例采用以甲基橙染色的2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液作为分散相，控制分散相流速为1mL/min；二甲基硅油作为连续相I，控制连续相I流速为5mL/min；5wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液作为连续相II，控制连续相II流速为18mL/min。分散相流体(甲基橙染色的聚乙烯醇(PVA)水溶液)、连续相I流体(二甲基硅油)和连续相II流体(聚乙烯醇(PVA)水溶液)首先在流体分配功能区内对应的流体分配层的二级蛇形微通道中实现流速均等分配，并导入液滴制备功能区中的液滴制备层。借助外界独立的磁驱动单元，使金属阀门在阀门位移控制层中向上运动，直至金属阀门顶端与盖板底端完全贴合，保证连续相II流体无阻隔的进入液滴制备单元中的主通道，形成金属阀门的开启状态。在该状态下，液滴制备单元为一级交错流型和二级聚焦流型串联的微通道结构，分散相流体首先在一级交错流型微通道中被正交的连续相I流体剪切为粒径均一的单组份微液滴，随后连续相I流体携带着单组份微液滴进入二级聚焦流型微通道中，被连续相II流体再次剪切，进而形成粒径均一的一包一复合微液滴(见附图9)，并由液滴制备微通道层的D出口引出。
实施例2
按照实施例1所述制备微流控装置。采用相同的流体组分配比，依次调节分散相流速为1.5mL/min，连续相I流速为6mL/min，连续相II流速为15mL/min。分散相流体(甲基橙染色的聚乙烯醇(PVA)水溶液)、连续相I流体(二甲基硅油)和连续相II流体(聚乙烯醇(PVA)水溶液)首先在流体分配功能区内对应的流体分配层的二级蛇形微通道中实现流速均等分配，并导入液滴制备功能区中的液滴制备层。借助外界独立的磁驱动单元，使金属阀门在阀门位移控制层中向上运动，直至金属阀门顶端与盖板底端完全贴合，保证连续相II流体无阻隔的进入液滴制备单元中的主通道，形成金属阀门的开启状态。在该状态下，液滴制备单元为一级交错流型和二级聚焦流型串联的微通道结构，分散相流体首先在一级交错流型微通道中被正交的连续相I流体剪切为粒径均一的单组份微液滴，随后连续相I流体携带着单组份微液滴进入二级聚焦流型微通道中，被连续相II流体再次剪切。在二次剪切过程中，3个单组份微液滴被包裹在连续相I流体中，进而形成粒径均一的一包三复合微液滴(见附图10)，并由液滴制备微通道层的D出口引出。
实施例3
按照实施例1所述制备微流控装置。采用相同的流体组分配比，依次调节分散相流速为1.5mL/min，连续相I流速为7.5mL/min。分散相流体(甲基橙染色的聚乙烯醇(PVA)水溶液)和连续相I流体(二甲基硅油)首先在流体分配功能区内对应的流体分配层的二级蛇形微通道中实现流速均等分配，并导入液滴制备功能区中的液滴制备层。借助外界独立的气源驱动单元，使金属阀门在阀门位移控制层中向下运动，完全阻断连续相II流体进入液滴制备单元中的主通道，形成金属阀门的闭合状态。在该状态下，液滴制备单元为交错流型的微通道结构，分散相流体被正交的连续相I流体剪切为粒径均一的单组份微液滴(见附图11)，并由液滴制备微通道层的D出口引出。

Claims (3)

1.一种用于多结构复合微液滴规模化可控制备的微流控装置，其特征在于，所述的微流控装置为一块由隔板间隔的三个纵向串联的功能区域组成的芯片，所述的功能区域自上而下分别是阀门控制功能区、液滴制备功能区和流体分配功能区；
所述的流体分配功能区位于最下方，自下而上为依次叠置的底板、连续相I流体分配层、微通道分隔层I、分散相流体分配层、以及s级间隔排列的微通道分隔层和连续相流体分配层，s＝1,2,3...，由液滴制备功能区中液滴制备微通道层微通道串联级数j决定，s＝j-1；每个流体分配层包括与之对应的独立流体进口，分别与外部独立的流体输送泵阀系统相连；所述的各个流体分配层呈中心圆孔结构，沿圆周等间距设置N个流体分配通道，通道数N由芯片基板尺寸和加工精度决定，其中N＝1,2,3…；每个流体分配通道采用扇形渐扩或矩形等宽排布的多级蛇形微通道i级串联构成，其中i＝2,3,4…，第i级采用扇形渐扩或矩形等宽排布的一种或两种蛇形微通道并联构成，末级蛇形通道流体出口与液滴制备功能区各液滴制备单元对应流体入口相连；
所述的液滴制备功能区位于流体分配功能区上方，自下而上依次包括下隔板和液滴制备微通道层，具有分散相流体进口、连续相流体进口和微液滴出口；液滴制备微通道层中各液滴制备单元采用交错流型或聚焦流型结构中的一种或两种微通道进行j级串联，并在二维平面上以线性或环形阵列方式并联排布，其中，j＝2,3,4…；液滴制备单元数M＝N×2i-1；
所述的阀门控制功能区位于芯片的最上部，自下而上依次包括带金属阀门的上隔板、阀门位移控制层、盖板。
2.如权利要求1所述的微流控装置，其特征在于，所述的上隔板中安装有可上下移动的金属阀门，金属阀门与上隔板通孔间采用环形密封垫圈实现密封，每个阀门控制单元相互独立，阀门闭合/开启可单独控制，闭合/开启状态由气或液/磁驱动转换和调控。
3.如权利要求1或2所述的微流控装置，其特征在于，所述的金属阀门的阀门数k，k＝1,2,3…，由液滴制备功能区中交错流型或聚焦流型微通道串联级数j决定，k＝j-1。
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