數(shù)字微流控：微流體液滴和乳液科學(xué)

2019-04-03 17:39:29 4713閱讀次數(shù)

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根據(jù)Christopher和Anna[1]的說法“微流體技術(shù)提供了一種產(chǎn)生高度均勻的液滴和氣泡的有效方法，也是一種操縱下游運(yùn)動(dòng)的便利機(jī)制。這些功能導(dǎo)致了一些使用其他技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的新應(yīng)用的開發(fā)”。在過去5年中，采用微流體的乳液科學(xué)領(lǐng)域發(fā)表了超過25%的已發(fā)表論文。數(shù)字微流控是微流體的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

微流體液滴的產(chǎn)生方法主要有被動(dòng)或主動(dòng)兩種方法，大多數(shù)采用被動(dòng)方法。在這里，我們主要學(xué)習(xí)被動(dòng)方法，它們是基于流體的應(yīng)用以使兩種流體界面變形而產(chǎn)生微流體液滴。

液滴幾何形狀

微流體器件中產(chǎn)生微流體液滴的Z常見的幾何形狀是：

1、交叉流動(dòng)，通常稱為T型結(jié)（T-shaped junction或T-junction）

2、拉伸流動(dòng)，通常稱為流動(dòng)聚焦（flow focusing）（使用交叉結(jié)/十字結(jié)，cross-junction），因?yàn)槭褂昧送ǖ赖膸缀涡螤睢?/div>

3、共軸流動(dòng)（co-flowing）

兩相流相遇的交叉點(diǎn)的幾何形狀，流速和流體的性質(zhì)（表面張力，粘度等）決定了局部的應(yīng)力，該局部應(yīng)力使界面變形并導(dǎo)致液滴的產(chǎn)生。

在具有微流體的乳液科學(xué)中，液滴基本上是在兩種不相混溶的流體流的交叉處形成的。在物理上，受Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性控制的兩相之間的界面張力的影響允許形成液滴。在乳液液滴上施加剪切應(yīng)用可導(dǎo)致其伸長，然后破裂。這一觀察結(jié)果使Taylor將毛細(xì)管數(shù)Ca定義為剪切應(yīng)力對(duì)表面張力的比值。

向任何微流體液滴生成幾何形狀的交叉點(diǎn)處輸送流體的方法主要有兩種：注射泵和壓力泵。我們將在這里描述液滴產(chǎn)生的常見方法：T-junction，流動(dòng)聚焦和共軸流，然后憑借注射泵和壓力泵在微流體中產(chǎn)生液滴。

T型結(jié)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生微流體液滴

T-junction是產(chǎn)生微流體液滴Z常見的一種幾何形狀，Z初由Thorsen等[2]人在2001年提出。微流體T型接頭中液滴的形成通常定義如下：連續(xù)相流過通道，而分散相通過垂直于連續(xù)相通道的通道。

T-junction交界處有3種微流體液滴生成方式：

1、dripping regime

2、squeezing regime

3、jetting regime

T型結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微流體液滴的三種方式可由一種優(yōu)于剪切應(yīng)力和表面張力的參數(shù)來定義，因此，squeezing regime是低毛細(xì)管數(shù)（Ca<0.01）的兩相系統(tǒng)之一。對(duì)于大多數(shù)毛細(xì)管數(shù)，它適用于jetting regime。dripping regime涉及到中間毛細(xì)管數(shù)。T型結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的微流體液滴也高度依賴于構(gòu)成微流體通道的材料的潤濕性質(zhì)[3]。

T-junction結(jié)微流控芯片產(chǎn)生的液滴

Dripping regime和T型結(jié)產(chǎn)生微流體液滴

Thorsen等[2]和Tice[4]等在數(shù)字微流控領(lǐng)域的參考工作表明，微流體液滴的分離與趨向于保持分散相在其通道中的表面張力和傾向于通過剪切應(yīng)力分離微流體液滴的粘性力之間的競爭有關(guān)。從毛細(xì)管數(shù)值（也取決于微流體液滴的半徑R）達(dá)到臨界值的那一刻起，微流體液滴就會(huì)破裂。

Squeezing regime和T型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微流體液滴

Garstecki等[5]人的工作定義了低毛細(xì)管數(shù)下微流體液滴產(chǎn)生的行為。該行為以下列方式定義：在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，分散相傾向于堵塞主要通道，主通道中分散相的存在局部地降低了通道中的壓力。當(dāng)分散相上的壓降變得太大時(shí)，微流體液滴發(fā)生分離。

Jetting regime和T型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微流體液滴

在連續(xù)相流和兩種不混溶流體之后的分散相在主通道中并排流動(dòng)并破裂，液滴產(chǎn)SF生在兩相流交叉點(diǎn)的遠(yuǎn)處。jetting regime可以產(chǎn)生較小的微流體液滴，但是，jetting regime并不容易獲得，而且即使能夠獲得，其狀態(tài)也不穩(wěn)定。此外，當(dāng)微流體液滴相對(duì)于微通道的直徑變得非常小時(shí)，jetting system趨向于變得混亂[6]。

無論您使用何種工作模式，所形成的的微流體液滴的大小都與上述介紹的兩相流的流速成比例。通常，微流體液滴在微流體通道的壁上完全不潤濕是一種優(yōu)先選擇的情況。壓力控制器對(duì)每個(gè)液相的流量控制可產(chǎn)生具有高水平單分散性的液滴。壓電式微流體發(fā)生器是控制流量和液滴產(chǎn)生的Z有效的壓力調(diào)節(jié)器，如果您想了解更多關(guān)于壓力控制器的信息，請(qǐng)單擊此處。

優(yōu)勢(shì)：

（1）使用方便

（2）非常基本的幾何形狀（易于設(shè)計(jì)）

（3）非常常見的幾何形狀（文獻(xiàn)中描述了許多這樣的系統(tǒng)）

缺點(diǎn)：

（1）難以形成微小的微流體液滴（小于通道尺寸）

（2）不靈活（液滴尺寸由通道尺寸定義）

T-junction產(chǎn)生的液滴：性能

（1）高通量液滴產(chǎn)生：>100Hz

（2）高度單分散性：尺寸分散性低至1%

T-junction產(chǎn)生的液滴：技巧和竅門

（1）克服氣泡擾動(dòng)

（2）控制壓力，使用流量傳感器比使用注射泵能更極ng確地跟蹤流速。

（3）使用微流控切換閥可以輕松的實(shí)現(xiàn)液滴運(yùn)動(dòng)與停止?fàn)顟B(tài)的控制

流動(dòng)聚焦的微流體液滴生成

**個(gè)微加工的流動(dòng)聚焦系統(tǒng)出現(xiàn)在2001年[7]，直到2003年，流動(dòng)聚焦幾何結(jié)構(gòu)才被應(yīng)用于微加工的平面幾何結(jié)構(gòu)中，以形成油中的微流體水滴（油包水液滴）[8]。微流體液滴的產(chǎn)生如下：將連續(xù)相引入兩個(gè)側(cè)通道中，并將分散相注入ZX通道。通常，連續(xù)相的兩股流體包圍分散相的流體，連續(xù)相流體與分散相流體不混溶。連續(xù)相的兩股流體通過幾何約束迫使微流體液滴形成。

流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu)芯片的液滴生成

流動(dòng)聚焦幾何形狀的一個(gè)特征在于在微流體液滴形成期間可以觀察到兩相不混溶流體的變化，從而可以獲得各種微流體液滴的大小，并且可以看到存在沒有液滴形成的區(qū)域[8]。與T型結(jié)形狀不同，流動(dòng)聚焦幾何形狀產(chǎn)生的液滴沒有簡單的模型根據(jù)控制參數(shù)來預(yù)測微流體液滴的尺寸。另一方面，微流體液滴的產(chǎn)生頻率通常相對(duì)較高，在kHz量級(jí)。然而，將jetting打破形成液滴通常會(huì)涉及到形成第二微流體液滴，其尺寸遠(yuǎn)低于主液滴尺寸，這種情況下產(chǎn)生的微液滴非常的不穩(wěn)定，液滴尺寸難以控制。

幾何微流體流動(dòng)聚焦系統(tǒng)有兩種變體：

（1）簡單的交叉連接

（2）交叉連接后有一個(gè)收縮

受約束型流動(dòng)聚焦幾何形狀的微流體液滴形成

利用該變體，所有三個(gè)液體流都被引導(dǎo)至變窄位置處，從而產(chǎn)生微流體液滴[8, 10]。分散相在兩個(gè)相反的連續(xù)相之間拉伸。產(chǎn)生的共層流通過收縮部分，收縮部分將其細(xì)化成射流（jetting）并且在收縮部分或收縮部分外的微流體液滴中引發(fā)射流的破裂。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的控制參數(shù)，沒有簡單的法則來估計(jì)液滴的尺寸、分布和產(chǎn)生速度。實(shí)際上，與T型接頭相比，增加了其他參數(shù)：收縮的尺寸，微流體液滴收集通道的長度和寬度。

簡單幾何交叉結(jié)型中微流體液滴形成

這種交叉連接幾何形狀中的微流體液滴形成以及兩相流的影響在2008年便被進(jìn)行了研究[9]。與T型結(jié)結(jié)構(gòu)相比，T型結(jié)結(jié)構(gòu)并沒有被同化，我們認(rèn)為只是添加了垂直通道而已。他們將流動(dòng)聚焦變量和T型結(jié)接頭之間的這些差異歸因于T型結(jié)接頭不對(duì)稱而交叉結(jié)是對(duì)稱的事實(shí)：通道壁被水/油界面取代。通道壁的影響在流動(dòng)聚焦中受到限制，并且連續(xù)相的剪切力的影響增加。

具有收縮結(jié)構(gòu)的微流體流動(dòng)聚焦系統(tǒng)的幾何變體是Z常用的。它可以更容易地獲得微小體積的微流體液滴。除了微流體流動(dòng)聚焦系統(tǒng)的兩種幾何變體之外，還有兩種使用流動(dòng)聚焦的微流體液滴方案：

（1）the dripping regime

（2）the jetting system

這兩種模式之間的過渡取決于施加的流量和壓力的強(qiáng)度，因此，其取決于毛細(xì)管數(shù)Ca和兩相流速的比率。

Dripping regime和流動(dòng)聚焦產(chǎn)生微流體液滴

在dripping模式下，微流體液滴在收縮處或非常接近收縮處破裂，并且破裂之后的界面保持在收縮區(qū)的相同位置。在該方案中，如果毛細(xì)管數(shù)非常高，則液滴的直徑小于收縮的尺寸，并且微流體液滴的尺寸具有高度的單分散性。小毛細(xì)管數(shù)意味著乳液具有更大的多分散性[11]。隨著毛細(xì)管數(shù)的增加，液滴直徑減小，流量比減小。此外，此種模式還可以形成非常小的微流體液滴，即其尺寸遠(yuǎn)小于流動(dòng)聚焦結(jié)中的通道尺寸。允許獲得這些尺寸的微流體液滴技術(shù)稱為流（tip-streaming）。流是液滴生成的一種方案，其中分散相的形狀是尖的，并且非常小的微流體液滴從分離。

Jetting regime和流動(dòng)聚焦產(chǎn)生微流體液滴

隨著毛細(xì)管數(shù)的增加，會(huì)逐步的從dripping regime過渡到j(luò)etting regime。在該方案中，分散相沿著射流從孔口延伸的距離至少是收縮部分尺寸的三倍。這種射流的界面會(huì)有漣漪出現(xiàn)并且會(huì)逐步增多，直到其破裂成微流體液滴。產(chǎn)生的微流體液滴與射流的大小成比例。得到的微流體液滴大于dripping regime下獲得的微流體液滴，并且尺寸更不均勻，因?yàn)樵跀嗔押螅缑娴奈恢貌还潭╗12]。

Z后，在與微流體液滴形成的相關(guān)工作中，您還應(yīng)該考慮其他參數(shù)的影響。對(duì)于流動(dòng)聚焦系統(tǒng)來說，表面活性劑的濃度在某些液滴生成模式中占據(jù)了非常重要的地位，這已經(jīng)得到證實(shí)[13, 14]。這些研究證實(shí)，隨著表面活性劑用量的增加，液滴尺寸減小。此外，分散相對(duì)通道壁的潤濕性比T型結(jié)接頭強(qiáng)烈影響射流形成和破裂動(dòng)態(tài)的情況起著更為關(guān)鍵的作用。

優(yōu)勢(shì)：

（1）使用方便

（2）簡單的幾何形狀

（3）易于獲得微小液滴的體積

（4）靈活的液滴尺寸

缺點(diǎn)：

（1）不可預(yù)知的液滴尺寸

（2）零散的伴隨小液滴

（3）多分散性

流動(dòng)聚焦微液滴：性能

亞微米微流體液滴

流動(dòng)聚焦產(chǎn)生液滴：技巧和竅門

（1）克服氣泡擾動(dòng)

（2）壓力控制器優(yōu)于注射泵的優(yōu)勢(shì)在于跟蹤液體的流速：使用流量傳感器

（3）使用微流體閥可輕松實(shí)現(xiàn)微液滴的運(yùn)行和停止?fàn)顟B(tài)的控制

共軸流產(chǎn)生微流體液滴

這種基于同心微通道原理的液滴生成方法已于2000年S次實(shí)施[15]，這是微流體液滴合成中使用Z少的一種方法。它包括將分散相注入位于另一個(gè)具有Zda尺寸的微通道中間的ZY微通道中。分散相在Reyleigh-Plateau階段變得不穩(wěn)定并且會(huì)分裂成液滴，液滴的形成取決于含有分散相的微通道的直徑[16, 17, 18]。

從浸入到連續(xù)共軸流液體中的毛細(xì)管的液滴破碎情況來看，破碎方式可以分成兩種不同的方式：dripping，液滴在毛細(xì)管附近被夾斷，以及jetting，液滴從毛細(xì)管延伸部分的螺紋下游被夾斷[19]。當(dāng)連續(xù)相速度增加到臨界值以上時(shí)，就會(huì)發(fā)生從dripping到j(luò)etting模式的過渡。

液滴尺寸已被表征為控制參數(shù)的函數(shù)。通常，當(dāng)連續(xù)相速度更快時(shí)，施加在界面上的較大剪切應(yīng)力導(dǎo)致液滴的尺寸較小。液滴尺寸通常隨著分散相流速的增加而增加。在夾斷期間，新出現(xiàn)的液滴會(huì)繼續(xù)填充，因此，較大的內(nèi)部流速導(dǎo)致在夾斷之前進(jìn)入液滴的體積更大。

在實(shí)驗(yàn)中，隨著連續(xù)相速度的增加，液滴直徑單調(diào)減小。由于降低的抗破碎型，降低的界面張力會(huì)導(dǎo)致更大的液滴。另一方面，在大范圍的連續(xù)相速度范圍內(nèi)，粘度比的變化對(duì)液滴尺寸幾乎沒有影響。

與流動(dòng)聚焦的幾何形狀一樣，使用共軸流方法可以產(chǎn)生亞微米的液滴。它也是流技術(shù)（tip-streaming technique），可以產(chǎn)生微小的液滴。Suryo和Basaran證明了這一過程的發(fā)生是由于成形液滴附近存在非線性拉伸流[20]。

優(yōu)勢(shì)：

（1）非常簡單的幾何形狀

（2）易于獲得微小的液滴

缺點(diǎn)：

（1）將一根小毛細(xì)管插入到另一根毛細(xì)管中

（2）零散的雜碎極微小液滴

（3）微流體芯片上流體連接的設(shè)計(jì)

（4）死體積高（特別是連續(xù)相）

共軸流產(chǎn)生的液滴：性能

（1）高吞吐量的液滴生成：>10 kHz

（2）高度單分散性：尺寸多分散性<2%

（3）快速的液滴量切換

共軸流產(chǎn)生的液滴：提示和技巧

（1）克服氣泡擾動(dòng)

（2）壓力控制：使用流量傳感器比使用注射泵會(huì)更準(zhǔn)確地了解液體流量

（3）使用微流體切換閥可輕松實(shí)現(xiàn)液滴的運(yùn)行和停止?fàn)顟B(tài)的控制

微流控液滴產(chǎn)生套裝：專門用于滿足研究人員Z常見的液滴生成需求

主要特點(diǎn)：

（1）高達(dá)10000個(gè)/秒

（2）液體流量：0.1 μL/min到5 mL/min

（3）液滴尺寸分散：0.3%

（4）液滴含量的變化：100 ms

參考文獻(xiàn)

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[20] Suryo R and Basaran O A 2006 Phys. Fluids 18 082102

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