CN114160218B - 一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法。主要由微流控芯片(流动聚焦微通道)、表面声波控制系统(包括信号发生器、压电基底与弧形叉指换能器)，注射器、导管与储液池组成。本发明装置可实现单分散的非牛顿微液滴的高效制备。流动聚焦微通道中具有非牛顿性质的离散相在直通道中形成稳定的射流柱，表面声波控制系统施加聚焦型表面声波，产生的声辐射能将不稳定的射流柱尖端切除后，持续高频的切割均匀射流柱，生成尺寸均匀的非牛顿微液滴。本发明提供的一种设计巧妙、操作简单的单分散非牛顿微液滴制备技术及微流控装置，在化学、生物、医学和材料科学领域均有较好应用前景。

Description

一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法

技术领域

本发明属于微流控芯片领域，具体涉及一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法。

背景技术

液滴微流控是近二十年来微流控发展最快的分支之一。液滴可为化学、生物、医学和材料科学领域的各种功能实现提供互不干扰的微尺度封闭空间，具有低消耗、易操控、高通量等优势。液滴尺寸的精准控制是建立均匀微环境以确保成分均匀、药物或化学反应物剂量准确的先决条件。非牛顿流体在自然界和工业中无处不在，诸多重要应用如药物合成、细胞封装、药物筛选和递送等中所使用流动介质往往是非牛顿流体。基于微流控芯片的单分散牛顿微液滴生成技术已日趋成熟，但一旦涉及复杂非牛顿流体，液滴生成时总会伴随着大量卫星液滴，难以可控地制备单分散非牛顿微液滴。因此，亟需建立一种有效的单分散非牛顿微液滴制备技术。

基于微流控技术的液滴方法主要分为两类，一类为被动方法，即利用通道结构和流动特性来构建界面不稳定而实现液滴生成，例如下壁面外凸的微流控芯片(专利号：201510921373)、一液滴生成装置、液滴微流控芯片及应用(专利号：201810910976)等；另一类为主动方法，即利用外场的作用诱导或增强界面不稳定性而主动控制液滴生成，如电场，磁场，温度场，磁场等，例如一种基于磁操控实现双重液滴分选的微流控装置(专利号：201822151181)、具有多个温度区和增强的温度控制的微流控器件(专利号：201810543914)等。然而，尽管上述方法可以实现单分散性较好的牛顿液滴生成，但涉及非牛顿流体时，主液滴总会伴随卫星液滴，尺寸均匀的非牛顿液滴生成较难实现。

需要指出，基于微流控芯片的液滴生成一般具有滴流和射流两种模态。相交于滴流模态，射流模态下的液滴生成的通量会大幅提高，因为获得更多关注。然而，射流模态下非牛顿流体液桥的断裂动力学极其复杂，且往往产生更紊乱的卫星液滴串，严重影响生成液滴单分散性。此外，由于非牛顿流体射流液柱界面不稳定性的复杂特性，现有主动和被动方法均较难实现非牛顿液滴制备的单分散性要求。

基于此，本发明提出一种单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法。不同于现有主动方法诱导或增强液柱界面不稳定性的理念，本发明提出利用声场作用截断界面不稳定的液柱段而构建均匀液柱的新策略。在构建均匀液柱的基础上，利用声场作用截取尺寸均匀的液柱段，并通过改变声场频率来调节单分散非牛顿液滴的生成频率。

发明内容

本发明旨在提供提出一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法。不同于现有主动方法诱导或增强界面不稳定性的理念，本发明提出利用声场作用截断界面不稳定的液柱段而构建均匀液桥的新策略，实现单分散非牛顿微液滴的制备。

本发明中，装置结构由微流控芯片、声波控制系统、注射器、储液池及导管构成(图1)。在非牛顿液滴生成的射流模态下，利用声场作用截断界面不稳定的液柱段而构建均匀液柱，在均匀液柱的基础上调控声场强度和频率，实现液滴尺寸和生成频率的可控调节。

本发明的技术方案：

一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置。所述的微流控装置主要由微流控芯片3、声波控制系统、注射器1、导管2及储液池7组成。

所述的微流控芯片3由连续相入口3-1、离散相入口3-2、交叉通道3-3、直通道3-4和样品出口3-6组成流动聚焦通道。连续相入口3-1、离散相入口3-2分别用于引入连续相和具有非牛顿性质的离散相，与连续相入口3-1相连的微通道分成两条分支，两条分支分别对称位于与离散相入口3-2相连的微通道的两侧，三路微通道汇聚在交叉通道3-3处，离散相在直通道3-4内形成稳定的射流柱3-5。直通道3-4的出口端为样品出口3-6，样品出口3-6连接储液池7用作收集形成的微液滴。

所述的声波控制系统包括压电基底5、压电基底5上设有两组对称的弧形叉指换能器4以及信号发生器6。所述压电基底5与微流控芯片3贴合，所述压电基底5上设有两组对称的弧形叉指换能器4，在水平方向上远离交叉通道3-3，垂直方向上关于直通道3-4对称。所述信号发生器6的正负两极与弧形叉指换能器4连接，用于调节输出的表面声波的振幅及频率。

进一步地，所述的微通道的主体是长度为厘米级的直通道，直通道截面的宽度与高度均为百微米级。直通道宽高比为1。

进一步地，弧形叉指换能器4的中心点距离直通道的边界要求：在确保封闭微流控通道无泄漏的情况下，使弧形叉指换能器4与直通道3-4边缘的距离尽可能缩小(如10μm)。

进一步地，所述注射器1、导管2及储液池7构成流路。其中，注射器1通过导管2与微流控芯片3的连续相入口3-1、离散相入口3-2连接，用于将离散相和连续相引入微流控通道。

进一步地，微流控芯片3使用PDMS材料，经过配胶、匀胶、倒胶、干燥、切胶、打孔、清洗等标准化的微加工方法，通过与洁净的载玻片键合而成。

进一步地，所述的弧形叉指换能器4弧度呈60°，包括10对叉指，指条宽度为25μm。

进一步地，所述压电基底5为双面抛光的128°Y切铌酸锂(128°Y-cut LiNbO3)与微流控芯片3贴合。

采用上述装置制备单分散非牛顿微液滴的方法：将离散相和连续相同时注入通道中，二者在交叉通道3-3相遇，两侧连续相对离散相的挤压以及拉伸主导的流场将离散相驱动成一个稳定的射流柱3-5，然后开启声波控制系统，装置即开始工作。在声场作用下射流柱3-5不稳定界面段被截断丢弃，构建均匀的液柱，之后通过信号发生器6调节表面声波的频率及振幅，生成稳定单分散的非牛顿微液滴，生成的液滴由储液池7收集。微流控芯片3中直通道3-4是射流柱3-5及液滴生成的物理空间，液滴生成是在表面声波效应作用下实现的，通过控制声场强度及频率，实现尺寸不同、生成频率不同的液滴生成。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法，利用声场作用截断界面不稳定的液柱段而构建均匀液柱，继而截取尺寸均匀的液柱段，避免了常规方法中卫星液滴的生成，以达成高度单分散非牛顿液滴生成之目的，并通过改变声场强度和频率来调控非牛顿液滴的尺寸和生成频率。

附图说明

图1是一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置的结构示意图。

图2是微流控通道设计图，其中，(a)为主视图，(b)为剖面图。

图3是声场截断液柱的工作原理图。

图4是单分散非牛顿液滴生成图。

图5是一种单分散非牛顿微液滴制备的微流控系统示意图。

图中：1注射器；2导管；3微流控芯片；3-1连续相入口；3-2离散相入口；3-3交叉通道；3-4直通道；3-5射流柱；3-6样品出口；4弧形叉指换能器；5压电基底；6信号发生器；7储液池；8显微镜；9高速CCD相机；10计算机。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

图1所示为本发明提出的制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置的结构示意图。所述的单分散非牛顿微液滴的微流控装置主要由微流控芯片3、声波控制系统、注射器1、导管2及储液池7组成。

如图2所示，所述微流控通道位于微流控芯片3中，通道的长度为厘米级别，整个通道截面的宽度为百微米级别，宽高比为1。

如图3所示，所述声场截断液柱原理包括非牛顿射流液柱生成和声场截断两部分。声场有声波控制系统产生，声波控制系统包括弧形叉指换能器4，压电基底5以及信号发生器6；弧形叉指换能器为两组，关于直通道3-4对称嵌入微流控芯片中。将信号发生器输出信号的正负极分别与弧形叉指换能器的两极相连，实现“电-声换能”，设置信号发生器的输出信号为正弦输出，声场将将界面不稳定段的射流柱部分截断，之后在叉指换能器汇聚点处持续截断均匀尺寸液桥段，实现单分散性液滴制备。

如图4所示，所述交叉通道3-3处，离散相与连续相相遇，在连续相挤压及流场驱动下，形成薄的非牛顿射流柱3-5。在表面声波作用下，不稳定的射流柱部分被截断，此后生成大小均匀的液滴，无卫星液滴生成。所述液滴生成在微通道中，微通道包括连续相入口3-1、离散相入口3-2、交叉通道3-3、直通道3-4和样品出口3-6，射流柱3-5在直通道中形成。其中，连续相入口3-1与离散相入口3-2用于引入流体，二者在交叉通道3-3相遇，交叉通道的主体是100×100×100μm的正方体，与直通道3-4连接，直通道截面的宽度和高度均为100μm，直通道的出口端为样品出口3-6用于收集生成的液滴。

如图5所示，本发明装置的流路由注射器1、三根导管2和储液池7组成。注射器通过导管与微流控芯片入口连接，储液池通过导管与微流控芯片的样品出口3-5连接，实现流体引入与液滴收集。本发明实施中，还设置显微镜8、高速CCD相机9、计算机10，共同构成了一种单分散非牛顿微液滴制备的微流控系统。

表面声波效应：直通道下游两侧对称安装弧形叉指换能器，分别与直通道两侧保持相等距离，弧形叉指换能器为聚焦性叉指换能器，启动声波控制系统产生表面声波，其产生的聚焦的声辐射能穿过PDMS薄层，到达离散相射流液柱界面。从表面声波汇聚点到射流柱尖端，原本不稳定的射流部分被切除，之后在表面声波汇聚点射流柱被截断成尺寸均匀的液柱段，实现单分散的非牛顿液滴生成。

一种单分散非牛顿微液滴制备步骤如下：

将装置搭建完成后，配置聚环氧乙烷水溶液作为非牛顿流体模型，作为离散相，橄榄油作为连续相；开启注射泵，将注射器1和导管2连续相和离散相流体泵入微流控通道中，调节连续相、离散相流量至可以在弧形叉指换能器4对称中心形成稳定的离散相射流柱后，启动信号发生器6，在弧形叉指换能器4产生表面声波，在表面声波汇聚点，射流柱被声场截断实现非牛顿微液滴制备。

不加表面声波时，当射流柱受到的粘性阻力不能支撑表面张力时，射流柱尖端不稳定断裂成液滴，液滴的尺寸只能根据流量调控，响应时间长；特别的，液滴相为非牛顿流体时，液滴生成过程中总伴有大量卫星液滴导致生成的非牛顿微液滴单分散性极差；加表面声波时，弧形叉指换能器4产生表面声波，可以将不稳定的射流柱尖端截去，之后调节声场强度和频率，可实现对液滴尺寸和频率的任意控制，如图3和4所示。

本实施例中，微流控芯片采用标准软光刻方法加工，通过配胶、匀胶、倒胶、干燥、切胶、打孔、清洗等标准化的微加工方法制成含有微通道的PDMS芯片，将PDMS与洁净的载玻片键合，构成具有良好光学透性和生物相容性的PDMS芯片。其中，载玻片厚度为1.1mm，PDMS厚度为0.8-1.2mm，整个通道包括交叉通道3-3和直通道3-4宽度和高度H＝W＝100μm，直通道长度L＝2.5cm，如图2所示。

本实施例中，弧形叉指换能器是以双面抛光的128°Y切铌酸锂(128°Y-cutLiNbO3)为基底，弧形叉指换能器弧度呈60°包括10对叉指，指条宽度为25μm，所述信号发生器用于给叉指换能器发送正弦波，实现“声-电换能”。

本实施例中，具体应用时，本发明的微流控装置、显微镜8、高速CCD相机9和计算机10构成完整的液滴生成系统(如图5)。选用橄榄油作为连续相，非牛顿流体为离散相。通过调节输入流量，在弧形叉指换能器对称中心形成稳定离散相射流柱，通过信号发生器调节输入表面声波的振幅与频率实现不同尺寸液滴生成。显微镜8放大微通道内液滴生成图像，经过高速CCD相机9采集，最后显示在计算机10屏幕上。

本发明提供的一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法，设计巧妙，操作简单高效。在非牛顿液滴生成的射流模态下，利用声场作用截断界面不稳定的液柱段而构建均匀液柱，通过调节声场强度和频率，实现液滴尺寸和生成频率的主动控制，在化学、生物、医学和材料科学领域均有较好应用前景。

Claims (8)

1.一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置，其特征在于，所述的微流控装置主要由微流控芯片(3)、声波控制系统及储液池(7)组成；

所述的微流控芯片(3)由连续相入口(3-1)、离散相入口(3-2)、交叉通道(3-3)、直通道(3-4)和样品出口(3-6)组成流动聚焦通道；连续相入口(3-1)、离散相入口(3-2)分别用于引入连续相和具有非牛顿性质的离散相，与连续相入口(3-1)相连的微通道分成两条分支，两条分支分别对称位于与离散相入口(3-2)相连的微通道的两侧，三路微通道汇聚在交叉通道(3-3)处，离散相在直通道(3-4)内形成稳定的射流柱(3-5)；直通道(3-4)的出口端为样品出口(3-6)，样品出口(3-6)连接储液池(7)用作收集形成的微液滴；

所述的声波控制系统包括压电基底(5)、压电基底(5)上设有两组对称的弧形叉指换能器(4)以及信号发生器(6)；所述压电基底(5)与微流控芯片(3)贴合，所述压电基底(5)上设有两组对称的弧形叉指换能器(4)，在水平方向上远离交叉通道(3-3)，垂直方向上关于直通道(3-4)对称；所述信号发生器(6)的正负两极与弧形叉指换能器(4)连接，用于调节输出的表面声波的振幅及频率。

2.根据权利要求1所述的一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置，其特征在于，所述的微通道的主体是长度为厘米级的直通道，直通道截面的宽度与高度均为百微米级；直通道宽高比为1。

3.根据权利要求1所述的一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置，其特征在于，弧形叉指换能器(4)的中心点距离直通道的边界要求：在确保封闭微流控通道无泄漏的情况下，使弧形叉指换能器(4)与直通道(3-4)边缘的距离缩小至10μm。

4.根据权利要求1所述的一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置，其特征在于，注射器(1)、导管(2)及储液池(7)构成流路；其中，注射器(1)通过导管(2)与微流控芯片(3)的连续相入口(3-1)、离散相入口(3-2)连接，用于将离散相和连续相引入微流控通道。

5.根据权利要求1所述的一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置，其特征在于，微流控芯片(3)使用PDMS材料，经过配胶、匀胶、倒胶、干燥、切胶、打孔、清洗的微加工方法，通过与洁净的载玻片键合而成。

6.根据权利要求1所述的一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置，其特征在于，所述的弧形叉指换能器(4)弧度呈60°，包括10对叉指，指条宽度为25μm。

7.根据权利要求1所述的一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置，其特征在于，所述压电基底(5)为双面抛光的128°Y切铌酸锂(128°Y-cut LiNbO3)与微流控芯片(3)贴合。

8.采用权利要求1-7任一所述的微流控装置制备单分散非牛顿微液滴的方法，其特征在于，具体过程为：将离散相和连续相同时注入通道中，二者在交叉通道(3-3)相遇，两侧连续相对离散相的挤压以及拉伸主导的流场将离散相驱动成一个稳定的射流柱(3-5)，然后开启声波控制系统，装置即开始工作；在声场作用下射流柱(3-5)不稳定界面段被截断丢弃，构建均匀的液柱，之后通过信号发生器(6)调节表面声波的频率及振幅，生成稳定单分散的非牛顿微液滴，生成的液滴由储液池(7)收集；微流控芯片(3)中直通道(3-4)是射流柱(3-5)及液滴生成的物理空间，液滴生成是在表面声波效应作用下实现的，通过控制声场强度及频率，实现尺寸不同、生成频率不同的液滴生成。

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