CN118080032A - 一种复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
一种复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片，包括了基底层(100)、键合在基底层上表面的液滴单元生成层(200)、以及键合在液滴单元生成层上表面的液体传输分配层，所述液滴单元生成层下表面具有若干以环形排列的液滴生成单元，每个所述液滴生成单元用于生成微液滴，所述的液体传输分配层(300)的下表面设有用于连续相流体与分散相流体流动的分配流道，所述的液滴单元生成层与液滴传输分配层之间通过通孔互相连接，使得连续相与分散相流体通过各自的分配流道分别进入到每个液滴生成单元之中。本发明所述的多层三维结构的微流控芯片通过以梯状设计，以环形方式排列了数组微液滴生成单元，可以实现更小尺寸的芯片上完成复杂乳液微滴的快速制备与生产。
Description
技术领域
本发明属于液滴微流控技术领域，特别涉及一种通过并行化实现复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片及工作方法。
背景技术
液滴微流控技术是微流控技术领域内的重要分支，液滴微流控技术利用了不同流体间表面张力与剪切力的相互作用，将连续流体剪切成一个个微小液滴。这项技术具有许多无与伦比的优势，比如可以通过芯片的设计或者对于每种流体量的精确控制，而去得到具有高度单分散、高度均匀性的微液滴。在材料合成、细胞封装、药物测试等领域均有重要应用。
而具有该复杂结构的乳液微滴是无法通过传统技术包括高速搅拌法、膜乳化法以及界面聚合法来制备，制备该乳液通常需要进行多级处理以及所需特定的乳液合成配方，但即使这样也无法实现对于其核壳乳液壳层厚度以及其内部腔室结构尺寸的精确调控。尽管通过液滴微流控技术能够制备具有可控的带有复杂结构的乳液微滴，但是单个液滴生成单元的生成速率是有限的，通常小于10mL h-1，这对于工业生产来说是远远不够的。通过将多组液滴生成单元并行排列设计，能够大大提高乳液微滴的产率。
中国专利CN 102405098公开了用于在流体中聚焦和/或形成具有相似或不相似尺寸的不连续部分的微流方法和装置的并行使用。在一些方面涉及流动聚焦式技术，并且还涉及微流控制技术，更具体地，涉及并行使用微流系统和用于将流体组分输送到多个这样的装置的系统，所述微流系统布置用于控制分散剂中的分散相和所述多相流体系统中分散相的尺寸及尺寸分布。公布了采用流动聚焦微流装置的尺度放大，该设计采用了梯状的设计原则，但其设计在空间上占用较多面积，在并行相同数量的液滴生成单元时，会占用更多的芯片空间。
中国专利CN104069757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。本发明的微液滴快速制备装置，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。
中国专利(公布号：CN 107433213 A)公布了一种三维并联式多重乳液快速制备装置，包括一个内流体分配通道，其上连接有内流体入口接管；若干个外流体分配通道，其上连接有外流体入口接管；一个乳液收集通道，其上连接有出口接管；所述内流体分配通道和乳液收集通道之间连接有若干个乳液生成单元，并且所述乳液生成单元分别与每个外流体分配通道连接。这种三维并联式多重乳液生成装置，采用模块化设计。总体而言，在以上列举的公开技术之中所处理的样品的粘度是有限的，通常只能处理粘度为10mPa.s以下的流体，其芯片或装置的应用范围大大减小。
发明内容
本发明的目的是，解决如下技术问题，针对与上述现有的制备复杂乳液微滴包括Janus乳液、核壳乳液等复杂乳液通过单个液滴生成单元产率不高的缺点，而提供了一种通过以梯状设计将数个液滴生成单元以并行化的方式去实现复杂乳液微滴的快速生产；本发明的目的还在于，提供一种三维微流控芯片，是一种复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片及工作方法，提供了供连续相与分散相流体通过的分配流道，连续相流体与分散相流体均匀的流入各个液滴生成单元之中，各个液滴生成单元以环形的方式并行化排列，且两两单元之间通过采用共用流道且引入角度的设计，使得芯片整体结构更加紧凑，芯片的尺寸得到进一步的缩小，芯片打孔数量进一步降低，芯片的制作难度进一步降低；同时在液滴生成单元之中的流道采用了不同的高度，以确保因为共用流道设计而不会使得各相流体倒流回它相流体流道之中，与此同时，引入不同的流道高度可以使得该芯片可以处理粘度范围更大的样品流体，提高芯片的应用范围；并该三维微流控芯片可以在保证复杂乳液微球形度与均一性的条件下大幅度的去提高微球的制备效率。本发明的另一个目的是提供利用以上芯片制备复杂乳液液滴的方法。
本发明的技术方案：一种用于复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片，包括基底层(100)、键合在基底层(100)上表面的液滴单元生成层(200)、以及键合在液滴单元生成层(200)上表面的液体传输分配层(300)，所述液滴单元生成层(200)下表面具有若干以环形排列的液滴生成单元，每个所述液滴生成单元用于生成微液滴，所述的液体传输分配层(300)的下表面设有用于连续相流体与分散相流体流动的分配流道，所述的液滴单元生成层与液滴传输分配层之间通过通孔互相连接，使得连续相与分散相流体通过各自的分配流道分别进入到每个液滴生成单元之中。本发明通过引入多层微流控芯片流道的设计，以梯状的设计以环形的方式去并行数组液滴生成单元，其中液体传输分配层中的各相流体的环形流道与键合在其下表面的液滴单元生成层通过通孔互相连接，同时液滴单元生成层中央的液滴收集区域与上方液体传输分配层中的液滴收集口相通。
所述的液滴单元生成层(200)包括了若干以环形排列的液滴生成单元和微滴收集口流道(211)，所述的各组液滴生成单元包括与分散相分配流道一一对应且联通的分散相流体入口、与若干分散相入口一一对应且联通的分散相流道，两两液滴生成单元之间包括了与连续相分配流道一一对应且联通的连续相流体入口、与若干分散相入口一一对应且联通的分散性流道。在每个液滴生成单元之中，各个分散相流体沿着分散相流道流动，直至一相流体裹挟着另一相流体继续向前流动，连续相流体连着连续相流体沿着连续相流道流动，且在连续相流道与分散相流道交汇位置处，连续相流道与分散相混合流道以一定的角度相互贯通，且连续相流道与分散相的混合流道在流道交汇前具有一定的高度A，当连续相流道与分散相流道在交汇位置处，流道由高度A变化至高度B，且连续相混合流体与分散相流体在表面张力的作用下，分散相的混合流体会在表面张力的作用下，被连续相流体剪切成微液滴，所生成的微液滴沿着具有高度B的汇集流道向着芯片中央液滴收集口流动，由液滴收集口(211)与其所连接贯通的液滴收集口接头(307)排出。
所述的三维微流控芯片的外表面设有三个液体的入口接头与一个收集口接头，使用塑料材质软管与连续相入口接头(301)、第一分散相入口接头(302)与第二分散相入口接头(303)所相连接，所述的液体入口接头包括连续相入口接头(304)、第一分散相入口接头(305)、第二分散相入口接头(303)与微液滴收集口接头(307)，所述液体传输分配层(300)设有与连续相入口接头(304)连通的连续相分配流道(308)、与第一分散相入口接头(305)连通的第一分散相分配流道(309)以及与第二分散相入口接头(306)连通的第二分散相分配流道(310)。
所述的流道设计结构均为矩形截面流道，液滴单元生成层(200)中各个液滴生成单元之中的连续相流道为对称设计，且与相邻单元之间的连续相流道两两互通，所述各个液滴生成单元之中的分散相流道均为对称设计，且各分散相流体汇集后互相裹挟着向前流动，所述的分散相流道与连续相流道以一定的角度互相交汇，且流道高度在交汇位置处发生变化，连续相流体与分散相流体在交汇处以该流聚焦的结构方式剪切生成微液滴。
进一步的，根据梯状设计规则，各个分配流道其中两两液滴生成单元各相流体两两入口之间的距离及其所对应的上方分配流道中该段流道内的流体流动阻力要远远小于各个微液生成单元之中的流体流动阻力，以确保通过分配流道进入到各个单元中的流体的量相同。
进一步的，连续相流体与各分散相流体通过分配流道且通过通孔到达各个液滴生成单元的连续相流体入口与分散相流体入口，连续相流体从连续相流体入口向下流动，流经对称的流道设计，该连续相流体均匀的分为两股流体继续向下流动，在下方再次经过与相邻的液滴生成单元所连通的对称的流道设计，连续相流体再次均匀的分成两股流体向下流动；第一分散相从第一分散相流体入口向下流动，经过对称的流道设计，该第一分散相流体被均匀的分为两股流体继续向下流动，直至与第二分散相流体流道交汇，便继续裹挟着第二分散相流体继续向下流动，同时第二分散相流体从第二分散相流体入口向下流动，直至与第一分散相流体交汇并被裹挟着向下流动。
进一步的，各个液滴生成单元之中的连续相流道与分散相流道在相互交汇处，连续相流体流道与分散相流体流道之间存在45度以内的夹角，以保证连续相流体能够以更快的流速去剪切混合的分散相流体；同时，该连续相流道与分散相流道在交汇位置前均为25微米的高度，当流道交互及其连通的下方微液滴收集流道以及与微液滴收集流道连通的微液滴收集区域均为50微米，流道与流道之间存在着高度差，连续相流体与分散相流体在交汇位置处，在表面张力的作用下，剪切生成具有复杂结构的乳液微滴，所生成的微滴随着微液滴收集流道继续向下流动，直至液滴收集区域，并通过液滴收集口且与之相通的液滴收集口接头所连接的毛细管路排出。
进一步的，根据梯状设计原则，所述的液体传输分配层内的流道高度均相等，高度范围为10-1000微米，宽度范围为100-5000微米，所述的液滴单元生成层内的各组液滴生成单元中的连续相与分散相流道在交汇位置前等高，高度范围为10-1000微米，所述的液滴单元生成层内的各组液滴生成单元中的连续相与分散相流道在交汇位置处以及所连通的微液滴收集流道以及各个液滴生成单元微液滴收集流道所连通的微液滴收集区域等高，高度范围为10-2000微米。每一组生成微液滴的流道成为一个单元。流道不同高度的实施例3内进行了对比，有高度差以及无高度差的对比，对所制备微球的单分散性进行了分析。实施例中给出了并行40组微滴生产单元，适用于生产多相微滴，及因为动力学作用所形成的核壳结构微液滴。
进一步的，所述的三维微流控芯片表面设有各相流体入口接头，各个接头分别与各相流体分配流道相通，液体传输分配层中的各相流体分配流道与键合在其下表面的液滴单元生成层中的各相流体入口通过通孔互相连接贯通。
进一步的，所述的三维微流控芯片通过软光刻的方法制备，芯片的液体传输分配层与微滴单元生成层均为PDMS材质，基底层为玻璃材质，层与层之间采用等离子处理键合(紧贴接触)，键合完的芯片层与层之间非常牢固，可以承受一定的进样压力，以免因为压力过大而产生芯片开裂或层与层之间脱落的现象发生，且PDMS材质具有较好的透光性，便于观察，同时芯片的制备材料也可以是其他有机高分子材料或玻璃或石英，其中有机高分子材料可以为：环烯烃类共聚物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)等等。
进一步的，将所述的三维微流控芯片固定在微流控专用操作平台之上，通过显微镜所连接的高速摄像机去观察微滴的生成情况，通过使用钢针与芯片表面的各个入口接头相连接，钢针与塑料材质软管相连接，或者直接将各个入口接头与塑料材质软管相连接，使用注射泵或压力泵进样，微液滴收集口通过不同尺寸的导管与微滴收集容器相连接。
有益效果：本发明所述的一种用于复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片可以克服目前针对于复杂乳液如核壳乳液、Janus乳液及单乳微滴等的制备效率低，产量少的缺点，本三维微流控芯片采用梯状的设计原则，以环形排列的方式并行了数组液滴生成单元，同时，各个单元之间采用共用流道的设计，使得在同样尺寸的平面能够容纳更多数量的液滴生成单元，同时能够进一步减少芯片的打孔数量，与此同时，本发明的液滴生成采用流聚焦型设计生成微滴，与传统流聚焦型生成微滴设计结构所不同的是，本设计的各个液滴生成单元在微滴剪切处，各相流体流道采用了带有一定角度相连接，使得连续相流体在同样的进样流量下能够获得能快的流速，更好的剪切微液滴，同时通过上述方案可以使得芯片流道结构更加紧凑，布局合理，大大提高了芯片利用率；同时，本设计与传统的流聚焦型生成微滴的设计结构所不同的是在连续相与分散相流道的交汇位置处采用了高度差的设计，该设计具有两项优势，一是能够保证该芯片能够处理具有较大粘度分散相流体，实施例中的连续相流体动力粘度为1.95*10-3Pa.s，分散相流体动力粘度为66*10-3Pa.s。本发明提高了芯片的适用率；二是本芯片采用共用流道的设计，高度差的存在能够保证分散相流体在一定的流速下进入到具有不同高度的交汇位置流道之中，而不会因为阻力原因倒流进与之贯通的连续相流道之中。同理，本三维微流控芯片可以进一步的增大平面尺寸，在相同的设计原则之下并行更多数量的液滴生成单元，能够实现复杂乳液微滴的高通量生产。本三维微流控芯片可以实现复杂乳液的快速制备，且当分散相流体之一换成气体时，也可以实现微气泡复杂乳液结构微滴的快速制备。
附图说明
下文将参照附图通过示例来描述本发明的非限制性实施例，附图为示意性绘图，并非完全按比例绘制。附图之中所示出的相同部件或几乎相同的部件由一个数字表述。为了能够清楚描述，并不是附图之中的每一个部件均会一一在图中标示。
图1是本发明的三维微流控芯片的整体外观结构示意图；
图2是本发明的三维微流控芯片分层结构爆炸图；
图3是本发明的三维微流控芯片内的液体传输分配层中流道结构示意图；
图4是本发明的三维微流控芯片内的液滴单元生成层中流道结构示意图；
图5(a)是本发明的三维微流控芯片内的液滴生成单元中微液滴生成原理图，(b)是本发明的三维微流控芯片内的的液滴生成单元流道结构示意图；
图6为是根据实施例2中的三维微流控芯片内的左右共两列分别为无高度差与有高度差流道设计微液滴生成模拟图；每列有五幅在不同时间生成模拟图；
图7是根据实施例3中三维微流控芯片内无高度差与有高度差流道设计微液滴生成情况显微镜对比图；
图8是根据实施例3中所收集微滴粒径分析图；
图9(a)、图9(b)是根据实施例4中所收集微液滴显微镜拍摄图；图9(b)是图9(a)的局部放大图；
图10是根据实施例4中所收集微滴粒径分析图；
图11(a)是根据实施例5中三维微流控芯片实物图，11(b)是根据实施例5中的三维微流控芯片内的单个液滴生成单元中微液滴生成过程拍摄图；图11(b)，是用于生成微液滴的流道结构成为一组液滴生成单元。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
本发明的使用流程是，参照图1、图2，将本芯片固定在液滴微流控专用的操作平台之上，通过使用塑料材质软管与连续相入口接头(301)、第一分散相入口接头(302)与第二分散相入口接头(303)所相连接，使用导管与连续相入口接头(304)相连接，将导管与收集容器所相连接，使用高速摄像机连接平台显微镜观察液滴生成情况，使用压力泵进样。
图2包括了基底层(100)、键合在基底层(100)上表面的液滴单元生成层(200)、以及键合在液滴单元生成层(200)上表面的液体传输分配层(300)，所述液滴单元生成层(200)下表面具有若干以环形排列的液滴生成单元，每个所述液滴生成单元用于生成微液滴，所述的液体传输分配层(300)的下表面设有用于连续相流体与分散相流体流动的分配流道，所述的液滴单元生成层(200)与液滴传输分配层(300)之间通过通孔互相连接，使得连续相与分散相流体通过各自的分配流道分别进入到每个液滴生成单元之中。
所述的液滴单元生成层(200)包括了若干以环形排列的液滴生成单元和微滴收集口流道(211)，所述的各组液滴生成单元包括与分散相分配流道一一对应且联通的分散相流体入口、与若干分散相入口一一对应且联通的分散相流道，两两液滴生成单元之间包括了与连续相分配流道一一对应且联通的连续相流体入口、与若干分散相入口一一对应且联通的分散性流道。在每个液滴生成单元之中，各个分散相流体沿着分散相流道流动，直至一相流体裹挟着另一相流体继续向前流动，连续相流体连着连续相流体沿着连续相流道流动，且在连续相流道与分散相流道交汇位置处，连续相流道与分散相混合流道以一定的角度相互贯通，且连续相流道与分散相的混合流道在流道交汇前具有一定的高度A，当连续相流道与分散相流道在交汇位置处，流道由高度A变化至高度B，且连续相混合流体与分散相流体在表面张力的作用下，分散相的混合流体会在表面张力的作用下，被连续相流体剪切成微液滴，所生成的微液滴沿着具有高度B的汇集流道向着芯片中央液滴收集口流动，由液滴收集口(211)与其所连接贯通的液滴收集口接头(307)排出。
通过使用塑料材质软管与连续相入口接头(301)、第一分散相入口接头(302)与第二分散相入口接头(303)所相连接所述的三维微流控芯片的外表面设有三个液体的入口接头与一个收集口接头，所述的液体入口接头包括连续相入口接头(304)、第一分散相入口接头(305)、第二分散相入口接头(303)与微液滴收集口接头(307)，所述液体传输分配层(300)设有与连续相入口接头(304)连通的连续相分配流道(308)、与第一分散相入口接头(305)连通的第一分散相分配流道(309)以及与第二分散相入口接头(306)连通的第二分散相分配流道(310)。
本发明的流道流动原理，参照图3、图4，连续相与分散相流体分别流入位于液体传输分配层中的连续相分配流道(308)、第一分散相分配流道(309)与第二分散相分配流道(310)，流体在环形的分配流道之中流动，各相流体通过通孔流入位于液滴单元生成层(200)中的各相流体入口单元，以液滴单元生成层中的一组液滴生成单元为例，连续相流体从连续相流体入口(201)进入单元，经过以对称设计的连续相流道(204)，连续相流体便会均匀的分成两股流体继续向下流动，第一分散相流体从第一分散相流体入口(202)进入单元，经过以对称设计的第一分散相流道(205)，第一分散相流体便会均匀的分成两股流体继续向下流动，第二分散相流体从第二分散相流体入口(203)进入单元；上述任一股连续相流体继续向下流动，经过对称设计的流道(207)处，再次被分为均匀的两股流体继续相下流动，连续相流体与分散相流体在流道位置(208)处交汇，所生成的微液滴沿着流道(209)继续向下流动，直至液滴收集缓冲区域(210)，再随着液滴收集口(211)，所沿着液滴收集口接头(304)随着导管排出。
实施例1
本发明的液滴生成单元结构原理，参照图5，从横向上看，连续相流体沿着流道(2001A)与(2001B)流动，第一分散相流体沿着流道(2002A)与(2002B流动，第二分散相流体沿着流道(2003)流动，流道(2001A)、(2001B)与分散相流道交汇于流道(2004)，流道(2001A)、(2001B)与分散相流道之间以45度斜角相交汇，第一分散相流体(2006)裹挟着第二分散相流体(2005)，在交汇位置(2004)处，被连续相流体剪切，在表面张力的作用下，剪切生成具有复杂结构的乳液微滴，所生成的微滴外相(2007)为第一分散相流体，内相(2008)为第二分散相流体。从纵向上看，连续相与分散相流体流经各自的流道在到达流道交汇位置(2004)前，均为25微米，流道(2004)及其所连通的流道(2009)以及所相连通的液滴收集缓冲区域的流道高度为50微米。
各相流体通过通孔流入位于液滴单元生成层(200)中的各相流体入口单元：通孔是贯穿整个芯片的液滴单元生成层以及液体传输分配层，直径2-5mm。内部高度不同是指的是在液滴单元生成层表面，制备出不同高度的流道，分别为25微米或50微米(这并不是上下贯通的)，最终它们汇集汇合到中央的通孔，通孔的直径约2-3mm，高度就是液滴单元生成层的厚度以及液滴传输分配层的总共高度约1cm。
实施例2
液滴生成芯片工作原理与实施例1中一致。
本实施例提供本发明所述的三维微流控芯片内的微滴单元生成层(200)内的单个微液滴生成单元内微液滴生成的Comsol仿真模拟图，如图6所示，具体参数设置如下：
参照图6左侧，微流道尺寸高度均为50μm；参照图6右侧，微流道设计高度差，尺寸高度为25μm至50μm；设置连续相流体为层流流动，速度大小为V1＝0.4e-6/3600*step1(t[1/s])(m^3/s)；分散相流体为层流流动，速度大小为V2＝0.2e-6/3600*step1(t[1/s])(m^3/s)；流道出口压力P＝0Pa；设置连续相流体流量Qc与分散相流体流量Qd比为2:1；设置连续相流体动力粘度为1.95*10-3Pa.s，分散相流体动力粘度为66*10-3Pa.s；设置两相流体之间的界面张力为5e-3N/m；流道所有壁面均为润湿壁，壁面接触角为135°；仿真模拟计算根据上述微液滴生成原理，设置计算时间为0.1s，计算步长为1e-3s；在表面张力的作用下，剪切生成微滴，分别模拟了带有高度差设计与无高度差设计的两种液滴生成单元，参照图6，并分别列举了其在0s、0.01s、0.02s、0.03s、0.04s时刻微滴生成情况，可以看出无高度差设计相较于高度差设计的流道，在处理粘度较大的分散相流体时，所生成微液滴尺寸较大，出现了严重的滞流脱尾现象。
实施例3
液滴生成芯片工作原理与实施例1中一致。
将表面活性剂(FE-surf)溶于氟油7500之中配制成质量分数2％，并作为连续相流体；称取600mg双键明胶(Gel-MA)，溶解于6mL去离子水中，配成10％(w/v)的双键明胶溶液，称取30mg光引发剂(LAP)，称取120mg氯化钠(NaCl)，均溶解于上述双键明胶溶液中，并作为第一分散相流体；称取60mg羧甲基纤维素钠(CMC)并溶解于6mL的去离子水中，配置成1％(w/v)的CMC溶液，并作为第二分散相流体。
分别制备并行了四十组(图1-图4均有表示)带有高度差的液滴生成单元的三维微流控芯片以及无高度差的三维微流控芯片，并进行实际测试，如图7所示；图7左侧与右侧分别为无高度差设计与有高度差设计的芯片内部微液滴生成情况，通过左右两侧对比，无高度差设计的芯片出现了由于流体偏流导致液滴无法正常剪切的现象，只有少数流道能够正常剪切微液滴，而右侧集成了高度差设计的芯片展现出较好的液滴制备效果。
使用具有高度差设计的三维微流控芯片制备微滴(以下皆默认为具有高度差设计)，收集所制备的微滴并进一步观察，将所收集的微滴在10x倒置式显微镜下进行观察，可以看到所制备出来的颗粒具有较好的单分散性，如图8所示，Cv＝6.98％(<10％)。Cv是变异系数，指的是概率分布离散程度的一个归一化量度，其定义为标准差与平均值之比。
实施例4
液滴生成芯片工作原理与实施例1中一致。
将表面活性剂(FE-surf)溶于氟油7500之中配制成质量分数2％，并作为连续相流体；称取1g HB-PEGDA，溶解于10mL去离子水中，配成10％(w/v)的超支化的聚乙二醇二丙烯酸酯(HB-PEGDA)溶液，并作为第一分散相流体；称取0.2g巯基化透明质酸(SH-HA)并溶解于10mL的去离子水中，配置成2％(w/v)的SH-HA溶液，并作为第二分散相流体。
收集所制备的微滴并进一步观察，如图9所示，将所收集的微滴在10x倒置式显微镜下进行观察，可以看出所制备出来的微滴同样具有较好的单分散性，如图10所示，Cv<10％。
实施例5
以PDMS材质为例制备上述三维微流控芯片，以下为具体步骤：
1.光刻：使用二次曝光技术在单晶硅表面刻蚀出带有预设高度差的流道结构，并将带有流道结构的硅片作为母版；
2.配胶：称取PDMS(胶A：胶B＝10:1(wt％))，并搅匀并倒于母版之上，使用真空干燥器抽真空，除去气泡；
3.固化：将母版放置于70℃烘箱进行烘培2h以上，直至PDMS完全固化；
4.切割打孔：取下母版上的PDMS层，并沿着预设图案进行切割并进行打孔；
5.键合：将所切割好的多块PDMS层，于等离子清洗机内，使用氧气进行等离子处理，多次操作，将多块PDMS层以及基底层进行对准键合，将键合完成的芯片再放置于170℃烘箱内，高温键合2h以上；
6.改性：将改性剂通过注射器连接软管，由预设入口注入芯片内部，进行改性操作，并与75摄氏度烘箱内烘干；
7.组装：将改性完成的芯片放置于微流控液滴操纵平台之上，并使用注射器与导管相连接，并与芯片表面的各个流体入口相连接，并使用胶水在各相流体入口处进行加固。
图11(a)所示，并行了四十组液滴生成单元的三维微流控芯片实物图尺寸约为4*4cm，并使用与实施例2中相同体系进行测试，并观察了芯片内部单个的液滴生成单元中的液滴生成情况，如图11(b)所示，可以看出液滴剪切效果良好，未出现脱尾、偏流、射流等不正常现象。借助微流控液滴操纵平台，使用注射泵进行进样，芯片能够实现微液滴的快速制备与收集。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种用于复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片，其特征是：包括了基底层(100)、键合在基底层(100)上表面的液滴单元生成层(200)、以及键合在液滴单元生成层(200)上表面的液体传输分配层(300)，所述液滴单元生成层(200)下表面具有若干以环形排列的液滴生成单元，每个所述液滴生成单元用于生成微液滴，所述的液体传输分配层(300)的下表面设有用于连续相流体与分散相流体流动的分配流道，所述的液滴单元生成层(200)与液滴传输分配层(300)之间通过通孔互相连接，使得连续相与分散相流体通过各自的分配流道分别进入到每个液滴生成单元之中。
2.根据权利要求1所述的一种用于复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片，其特征是：所述的液滴单元生成层(200)包括了若干以环形排列的液滴生成单元和微滴收集口流道(211)，所述的各组液滴生成单元包括与分散相分配流道一一对应且联通的分散相流体入口、与若干分散相入口一一对应且联通的分散相流道，两两液滴生成单元之间包括了与连续相分配流道一一对应且联通的连续相流体入口、与若干分散相入口一一对应且联通的分散性流道。在每个液滴生成单元之中，各个分散相流体沿着分散相流道流动，直至一相流体裹挟着另一相流体继续向前流动，连续相流体连着连续相流体沿着连续相流道流动，且在连续相流道与分散相流道交汇位置处，连续相流道与分散相混合流道以一定的角度相互贯通，且连续相流道与分散相的混合流道在流道交汇前具有一定的高度A，当连续相流道与分散相流道在交汇位置处，流道由高度A变化至高度B，且连续相混合流体与分散相流体在表面张力的作用下，分散相的混合流体会在表面张力的作用下，被连续相流体剪切成微液滴，所生成的微液滴沿着具有高度B的汇集流道向着芯片中央液滴收集口流动，由液滴收集口(211)与其所连接贯通的液滴收集口接头(307)排出。
3.根据权利要求1所述的一种用于复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片，其特征是：所述的三维微流控芯片的外表面设有三个液体的入口接头与一个收集口接头，所述的液体入口接头包括连续相入口接头(304)、第一分散相入口接头(305)、第二分散相入口接头(303)与微液滴收集口接头(307)，所述液体传输分配层(300)设有与连续相入口接头(304)连通的连续相分配流道(308)、与第一分散相入口接头(305)连通的第一分散相分配流道(309)以及与第二分散相入口接头(306)连通的第二分散相分配流道(310)。
4.根据权利要求2所述的一种用于复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片，其特征是：所述的流道设计结构均为矩形截面流道，液滴单元生成层(200)中各个液滴生成单元之中的连续相流道为对称设计，且与相邻单元之间的连续相流道两两互通，所述各个液滴生成单元之中的分散相流道均为对称设计，且各分散相流体汇集后互相裹挟着向前流动，所述的分散相流道与连续相流道以一定的角度互相交汇，且流道高度在交汇位置处发生变化，连续相流体与分散相流体在交汇处以该流聚焦的结构方式剪切生成微液滴。
5.根据权利要求4所述的一种用于复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片，其特征是：所述的液体传输分配层(300)内的流道高度均相等，高度范围为10-1000微米，宽度范围为100-5000微米，所述的液滴单元生成层(200)内的各组液滴生成单元中的连续相与分散相流道在交汇位置前等高，高度范围为10-1000微米，所述的液滴单元生成层(200)内的各组液滴生成单元中的连续相与分散相流道在交汇位置处以及所连通的微液滴收集流道以及各个液滴生成单元微液滴收集流道所连通的微液滴收集区域等高，高度范围为10-2000微米。
6.根据权利要求1所述的一种用于复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片，其特征是：所述的液滴单元生成层与液体传输分配层材料均为PDMS，基底层为玻璃。
7.根据权利要求1-6任何一项所述的一种用于复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片，其特征是：芯片表面设有两个分散相入口接头、一个连续相入口接头、与一个微液滴收集口接头，接头分别使用钢针连接，钢针与塑料材质软管连接，或接头直接与塑料材质软管相连接，使用压力泵或注射泵与毛细管连接进样，可以实现Janus乳液、核-壳乳液微滴的快速制备。
8.根据权利要求1-6任何一项所述的一种用于复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片，其特征是：液滴生成单元之中的连续相流道与分散相流道在相互交汇处，连续相流体流道与分散相流体流道之间存在45度以内的夹角。
Priority Applications (1)
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| CN202311671939.6A CN118080032A (zh) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 一种复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片 |
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2023
- 2023-12-07 CN CN202311671939.6A patent/CN118080032A/zh active Pending
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