采用具有相转化共流结构的微流控毛细管装置制备高黏度液滴

摘要

本文展示了一种相转化同轴流动装置，可用于生成黏度高于1 Pas的单分散高黏性液滴，而此类液滴在液滴微流控技术中难以实现。

摘要

在液滴微流控技术中，生成高黏度的单分散液滴一直是一项挑战。本文展示了一种基于相转变的同轴流动装置，用于在低黏度流体中生成均匀的高黏度液滴。该微流控毛细管装置具有常见的同轴流动结构，其出口连接至一根更宽的管道。在同轴流动结构中，首先由高黏度流体包裹低黏度流体形成的细长液滴。当这些细长的低黏度液滴流经出口时，由于出口表面经过处理而倾向于被低黏度流体润湿，低黏度液滴会黏附在出口尖端，从而引发相转变，导致高黏度流体随后被反向包裹。所生成的高黏度液滴的尺寸可通过调节低黏度流体与高黏度流体的流速比进行调控。我们展示了多种典型实例，成功生成了黏度高达11.9 Pas的高黏度液滴，包括甘油、蜂蜜、淀粉和聚合物溶液。该方法为生成单分散高黏度液滴提供了一种简单直接的途径，可广泛应用于基于液滴的各种领域，如材料合成、药物递送、细胞检测、生物工程和食品工程。

引言

液滴的生成正成为多种应用中的关键技术，如药物递送、材料合成、3D生物打印、细胞检测和食品工程^1,2,3,4,5,6T型结微流控装置^7,8，共流^1,9，或流动聚焦^10,11 结构被广泛用于生成单分散的单乳液液滴。选择黏度更高的连续相将有助于液滴的形成。¹²，且在液滴微流控中，连续相和分散相流体的黏度通常均低于0.1 Pas¹³然而，在许多应用中，分散相的黏度可能比水高出数百倍，例如甘油¹⁴，含有纳米颗粒的溶液¹⁵蛋白质¹⁶或聚合物^17,18,19，而在稳定滴落状态下，直接从高粘性流体中获得单分散液滴较为困难¹¹ 在微流控装置中，尤其适用于黏度为 η > 1 Pa·s^14,17,18,19此外，已有报道称^13,18 典型的微流控液滴生成方法需要使用粘度相对较低且界面张力适中的流体，以在稳定的滴落模式下形成均一的液滴。

对于黏度略高于 0.1 Pas 的分散相，可采用多种方法促进在典型的 T 型接头、同轴流（co-flow）或流动聚焦（flow-focusing）微流控装置中形成液滴：（1）通过将分散相稀释于挥发性溶剂中以降低其黏度^11,20；（2）通过增加连续相的黏度来降低分散相与连续相的黏度比^1,11；（3）将分散相的流速降至极低值，同时保持较高的连续相与分散相流速比^14,19。然而，对于黏度显著更高的流体，这些方法并不实用，因为它们会显著降低生产速率，同时大幅增加挥发性溶剂或连续相的消耗量。此外，已有报道指出，某些黏度 η > 1 Pa·s 的高黏度聚合物溶液在采用上述方法时仍无法断裂形成液滴^17,19。

还有一些改进的微流控装置设计，通过向系统中引入第三相流体，促进了高黏性液滴的生成。相关创新包括：引入气泡将射流切割成液滴²¹；在分散相与连续相之间引入中等黏度的不混溶辅助流体作为中间相¹⁸；以及引入微反应器，利用两种低黏性前驱体生成高黏性液滴^21,22,23。然而，由于多引入了一种流体，系统变得更加复杂，且这些装置通常只能在比常规单乳液液滴生成装置更窄的流动范围内工作。

为了直接从黏度 η > 1 Pa·s 的高黏性流体中生成单分散液滴，研究人员已对基于表面控制的相转化方法进行了研究²⁴。由于低黏性液滴的生成比高黏性液滴更容易¹²，首先可利用典型的同轴流动结构在高黏性连续相中生成细长的低黏性液滴，随后这些液滴在同轴结构下游因表面润湿性的改变而发生断裂。释放出的低黏性流体反过来将下游的高黏性流体包裹成液滴，从而完成相转化过程。根据这一相转化机制，可在典型的同轴流动装置基础上生成单分散的高黏性液滴，条件是同轴装置出口处被处理为由低黏性流体润湿，并连接至一根更宽的管道^24,25。

方案

1. 制备相转化共流毛细管装置以观察直径约为500 μm的水相高黏性液滴的生成过程。

注意：此处使用的方形外管用于拍摄高粘性液滴生成过程的图像。若无需拍摄图像，可根据步骤2中的方案制备简化的装置。

1. 准备三种不同尺寸的玻璃管，用于毛细管装置的组装。
   1. 取一根内径为1.05 mm的方形玻璃管，截取约4 cm长的一段。此段将作为装置的外层玻璃管。
   2. 取一根内径（I.D.）为580 μm、外径（O.D.）为1 mm的圆形玻璃管，截取约3 cm长的一段。此段将作为装置的中层玻璃管。
   3. 取一根内径（I.D.）为200 μm、外径（O.D.）为330 μm的圆形玻璃管，截取约2 cm长的一段。此段将作为装置的内层玻璃管。
2. 将中层玻璃管一端的表面润湿性修饰为疏水性。
   1. 取一个1 mL玻璃小瓶，向其中加入0.3 mL十八烷基三氯硅烷（OTS）。
   2. 取步骤1.1.2中制备的内径为580 μm的中层玻璃管，将其一端浸入玻璃小瓶中的OTS溶液中约10秒。
   3. 取出中层玻璃管，从未经处理的一端通入氮气冲洗管内。
3. 准备毛细管装置的进样针入口。
   1. 取一支20G钝头分配针，在塑料鲁尔接头边缘用刀片切出一个约0.5 mm × 0.5 mm的槽口。
      注：该针将作为低粘度油相的进样口。
   2. 另取一支20G钝头分配针，在塑料鲁尔接头边缘切出两个槽口，使两个槽口位于通过鲁尔接头直径的一条直线上。
      注：一个槽口尺寸约为0.5 mm × 0.5 mm，另一个约为1.0 mm × 1.0 mm。该针将作为高粘度水相的进样口。
   3. 再取一支20G钝头分配针，在塑料鲁尔接头边缘切出两个槽口，使两个槽口位于通过鲁尔接头直径的一条直线上。
      注：一个槽口尺寸约为1.5 mm × 1.5 mm，另一个约为1.0 mm × 1.0 mm。该针将用于清洗目的。
4. 按照 图1A 所示组装玻璃管。
   1. 取一块标准尺寸为7.62 cm × 2.54 cm的玻璃载片，作为毛细管装置的基底。
   2. 将步骤1.1.1中制备的内径为1.05 mm的外层玻璃管放置在玻璃载片上，使其一端伸出载片短边约1 cm。
   3. 取步骤1.2中制备的内径为580 μm的中层玻璃管，将疏水端从载片一端插入外层玻璃管内，并使中层玻璃管约有1 cm长度露在外层玻璃管之外。
   4. 取步骤1.1.3中制备的内径为200 μm的内层玻璃管，将其一端插入中层玻璃管内，并使内层玻璃管约有1 cm长度露在中层玻璃管之外。
   5. 使用环氧胶沿玻璃载片中心线固定三根玻璃管，静置约5分钟或更长时间，使胶完全固化。
5. 在毛细管装置上组装进样口。
   1. 取步骤1.3.1中制备的低粘度油相进样针，使鲁尔接头覆盖基底上内层玻璃管的末端，然后用环氧胶将鲁尔接头固定在基底上。
   2. 取步骤1.3.2中制备的高粘度水相进样针，使鲁尔接头覆盖内层玻璃管与中层玻璃管的连接处，然后用环氧胶将鲁尔接头固定在基底上。
   3. 取步骤1.3.3中制备的进样针，用于清洗时使鲁尔接头覆盖中层玻璃管与外层玻璃管的连接处，然后用环氧胶将鲁尔接头固定在基底上。
   4. 静置约5分钟或更长时间，使胶完全固化。
   5. 使用环氧胶密封基底上各进样针的鲁尔接头。
6. 静置约30分钟或更长时间，使胶完全固化，随后装置即可使用。

2. 制备相转化同轴毛细管装置，用于制备直径约为500 μm的高黏度水相液滴。

注意：此处制作的装置是协议步骤1中装置的简化版本。

1. 准备两个不同尺寸的玻璃管，用于毛细管装置的组装。
   1. 取一根内径为580 μm、外径为1 mm的圆形玻璃管，截取约3 cm长的一段。该段将作为装置的中间管。
   2. 取一根内径为200 μm、外径为330 μm的圆形玻璃管，截取约2 cm长的一段，作为装置的内管。
2. 将中间管一端的表面润湿性改性为疏水性。
   1. 向1 mL玻璃小瓶中加入0.3 mL OTS。
   2. 取步骤2.1.1中制备的内径为580 μm的中间毛细管，将其一端浸入玻璃小瓶中的OTS溶液中约10秒。
   3. 取出中间的试管，然后从未经处理的一端用氮气冲洗试管。
3. 准备毛细管装置入口端的针头。
   1. 准备一支20G平头点样针，用作低粘度油相的入口。然后，用刀片在塑料鲁尔接头边缘切割一个约0.5 mm × 0.5 mm的槽口。
   2. 取另一支20G钝头分液针，在塑料鲁尔接头边缘切割两个槽口，使两个槽口位于通过鲁尔接头直径的一条直线上。
      注意：一个槽的尺寸约为 0.5 mm × 0.5 mm，另一个槽的尺寸约为 1.0 mm × 1.0 mm。第二个针将作为高粘度水相的入口。
4. 按照说明组装玻璃管 图1A.
   1. 取一块标准的7.62 cm × 2.54 cm玻璃载玻片作为毛细管装置的基底。
   2. 将步骤2.2中制备的内径为580 μm的中间管置于载玻片上，使其疏水端伸出载玻片短边约1 cm。
   3. 取内径为200 μm的内管（按步骤2.1.2制备），将其一端从载玻片上未处理的一端插入中层管，使内管约有1 cm保留在中层管外。
   4. 使用环氧树脂胶将两根管子沿玻璃载片的中心线固定到位。
   5. 等待约5分钟或更长时间，直至胶水完全固化。
5. 在毛细管装置上安装进样口。
   1. 取步骤2.3.1中制备的用于低粘度油相的进样针，使鲁尔接头覆盖基底上内管的末端，然后使用环氧胶将鲁尔接头固定在基底上。
   2. 取步骤2.3.2中制备的用于高粘度水相的进样针，使鲁尔接头覆盖内管与中层管之间的连接处，然后使用环氧胶将鲁尔接头固定在基底上。
      注意：中间管的另一端为装置的出口。
   3. 等待约5分钟或更长时间，直至胶水完全固化。
   4. 使用环氧树脂胶将针头的鲁尔接头固定在基底上。
6. 等待约30分钟或更长时间，直至胶水完全固化。
7. 将中间管的游离端与出口管路连接， 即，内径为0.86 mm、长约20 mm的聚乙烯管。
   注意：外层管路的轻微变形可确保连接处密封，因此此处无需使用胶水。出口管路在相转化过程中起到较宽的外层管作用。此时，装置已准备就绪，可供使用。

3. 制备相转化同轴流动毛细管装置，用于观察直径约为200 μm的高粘度水相液滴的生成过程。

注意：此处制作的装置是步骤1中装置的缩小版本，用于生成更小的液滴。

1. 准备三种不同尺寸的玻璃管，用于毛细管装置的组装。
   1. 取一根内径为 400 μm 的方形玻璃管，截取约 4 cm 长的一段，作为装置的外层玻璃管。
   2. 取一根内径为 200 μm、外径为 330 μm 的圆形玻璃管，截取约 3 cm 长的一段，作为装置的中间层玻璃管。
   3. 取一根内径为 100 μm、外径为 170 μm 的圆形玻璃管，截取约 2 cm 长的一段，作为装置的内层玻璃管。
2. 将中间玻璃管一端的表面润湿性修饰为疏水性。
   1. 取一个 1 mL 玻璃小瓶，向其中加入 0.3 mL 的 OTS。
   2. 取步骤 3.1.2 中制备的内径为 200 μm 的中间玻璃管，将其一端浸入玻璃小瓶中的 OTS 试剂中约 10 秒。
   3. 取出中间玻璃管，然后从未经处理的一端通入氮气冲洗管体。
3. 准备毛细管装置的进样针接口。
   1. 准备一支 20G 的平头分配针，作为低粘度油相的进样口。然后用刀片在塑料鲁尔接头边缘切割一个约 0.2 mm × 0.2 mm 的槽口。
   2. 另取一支 20G 的平头分配针，在塑料鲁尔接头边缘切割两个槽口，使两个槽口位于通过鲁尔接头直径的一条直线上。
      注：一个槽口尺寸约为 0.2 mm × 0.2 mm，另一个槽口尺寸约为 0.4 mm × 0.4 mm。该第二支针将作为高粘度水相的进样口。
   3. 再取一支 20G 的平头分配针，在塑料鲁尔接头边缘切割两个槽口，两个槽口位于通过鲁尔接头直径的一条直线上。
      注：一个槽口尺寸约为 0.8 mm × 0.8 mm，另一个槽口尺寸约为 0.4 mm × 0.4 mm。该第三支针将作为清洗用途的进样口。
4. 按照步骤 1.4–1.6 完成装置组装，但使用步骤 3.1 中制备的玻璃管替代步骤 1.1 中制备的玻璃管，并使用步骤 3.3 中制备的进样针替代步骤 1.3 中制备的进样针。

4. 观察液体石蜡中甘油液滴的生成

注意：拍摄图1B - D所示图像时，使用步骤1中制备的装置；拍摄图3所示图像时，使用步骤3中制备的装置。

1. 准备实验中要使用的溶液。
   1. 使用甘油作为高黏度水相，并加入0.5 wt.%的甲苯胺蓝O使其染成蓝色。
   2. 使用液体石蜡作为低黏度油相，并在其中加入1 wt.%的Span 80作为表面活性剂。
2. 准备三个1 mL注射器和三台注射泵。
   注意：三个注射器用于步骤4.1中制备的液体：一个用于注入步骤4.1.1中制备的高黏度甘油，另外两个分别用于注入步骤4.1.2中制备的低黏度液体石蜡。
   1. 将装有甘油的注射器连接至中间管的入口。
   2. 将一个装有液体石蜡的注射器连接至内管的入口，另一个连接至用于清洗的入口。
3. 将步骤1中制备的装置放置在倒置显微镜上，并在外部管出口下方放置一片Kimwipe以吸收泄漏的液体。
   警告：切勿让液体泄漏到Kimwipe区域之外。
4. 设定注射泵的流速。
   注意：当中间管出口周围存在滞留气泡或液滴时，使用连接至外管的注射泵进行清洗。否则，保持该泵停止运行。
   1. 设定注入中间管的甘油流速为 Q_w = 10 μL/min。
   2. 设定注入内管的液体石蜡流速为 Q_o = 30 μL/min。
   3. 启动两台泵以生成甘油液滴。
5. 等待约0.5分钟，直至流动稳定，并在中间管出口处均匀生成甘油液滴。然后，拍摄液滴生成过程的视频或图像。
   注意：图1B-C中的图像可使用步骤1中制备的装置拍摄，而图3A中的图像可使用步骤3中制备的装置拍摄。一旦完成视频或图像采集，立即停止 所有泵，并迅速将装置从显微镜上取下。
6. 准备收集高黏度液滴。
   1. 将装置垂直放置，出口朝下，并在出口下方放置一个培养皿。使用胶带固定装置，使出口位于培养皿底部上方约2 mm处。
   2. 将步骤4.1.2中制备的部分液体石蜡倒入培养皿中，使装置出口刚好浸没其中。
7. 再次以 Q_w = 10 μL/min 和 Q_o = 30 μL/min 的流速运行两台注射泵，并在培养皿中收集甘油液滴。
   注意：等待约1分钟，直至流动稳定，并在外管出口处均匀生成甘油液滴，此时可拍摄培养皿中液滴的图像，如针对步骤1中制备的装置所示的图1D，或针对步骤3中制备的装置所示的图3B。

5. 使用第2步制备的简化装置在液体石蜡中生成并收集甘油液滴。

注意：本步骤用于拍摄在不同油相与水相流速比 Q_o/Q_w 下生成的甘油液滴图像，并测量对应液滴尺寸变化，以获取图2中的数据点。

1. 按照方案步骤 4.1 准备实验中要使用的溶液。
2. 准备两个 1 mL 注射器和两台注射泵。
   注意：使用方案步骤 4.1 中制备的两种流体，分别用于注入高粘度甘油（方案步骤 4.1.1 制备）和低粘度液体石蜡（方案步骤 4.1.2 制备）。
   1. 将装有 0.8 mL 甘油的注射器连接至中间管道的入口。
   2. 将装有 0.8 mL 液体石蜡的注射器连接至内层管道的入口。
3. 准备收集高粘度液滴。
   1. 将装置垂直放置，出口朝下，并在出口下方放置一个 35 mm 培养皿。使用胶带固定装置，使出口位于培养皿底部上方约 2 mm 处。
   2. 将方案步骤 4.1.2 中制备的液体石蜡倒入培养皿中，使装置出口刚好浸没。
4. 设定注射泵的流速。
   注意：对于 图 2 中的每个流速比，固定甘油的流速 Q_w = 2 μL/min，同时根据所需的 Q_o/Q_w 流速比，将液体石蜡的流速 Q_o 调整至不同数值。对于每个流速比，等待约 1 分钟，直至流动稳定，并在培养皿中收集到均匀的甘油液滴，然后拍摄液滴图像。
   1. 设定注入中间管道的甘油流速为 Q_w = 2 μL/min。
   2. 设定注入内层管道的液体石蜡流速为 Q_o = 6 μL/min。
   3. 启动两台泵以生成甘油液滴。
      注意：液滴生成过程可通过手机摄像头或安装在三脚架上的数码相机直接观察。
5. 等待约 1 分钟，待流动稳定后，更换新的培养皿以收集均匀的甘油液滴。

6. 使用相变共流装置在液体石蜡中生成其他高黏性液滴。

注意：适用于图4中的图像。实验中使用的所有低粘度油相均与方案步骤4.1.2中使用的相同。

1. 使用纯蜂蜜作为图4A中的高黏性水相。
2. 制备6 wt.%的淀粉溶液用于图4B。
   警告：使用合适的耐高温玻璃培养瓶和耐高温瓶盖。佩戴耐热手套。
   1. 在100 mL玻璃培养瓶中加入47 g水，并放入搅拌子。
   2. 将瓶子置于水浴中，并将温度设定为100 °C。
   3. 当水浴温度达到100 °C后，向热水中加入3 g淀粉粉末。
   4. 盖上瓶盖，持续搅拌约4小时，直至溶液澄清。
   5. 待溶液冷却至室温后再使用。
3. 制备10 wt.%的PVA-124溶液用于图4C。
   警告：使用合适的耐高温玻璃培养瓶和耐高温瓶盖。佩戴耐热手套。
   1. 在100 mL玻璃培养瓶中加入45 g水，并放入搅拌子。
   2. 将瓶子置于水浴中，并将温度设定为70 °C。
   3. 当水浴温度达到70 °C后，向瓶中加入5 g PVA-124粉末。
   4. 盖上瓶盖，持续搅拌约1小时，直至溶液澄清。
   5. 待溶液冷却至室温后再使用。
4. 在液体石蜡中生成高黏性液滴。
   1. 按照第5步的实验流程操作，但使用第6.1–6.3步制备的高黏性流体替代第5步中的甘油。
   2. 对于图4，使用流速设置Q_w = 1 μL/min 和 Q_o = 5 μL/min。

结果

设计了一种具有相转化共流结构的微流控毛细管装置，用于生成单分散的高黏度水相液滴，如图1A所示。在图1中，高黏度水相为甘油，其黏度为η_w = 1.4 Pas；低黏度油相为液体石蜡，其黏度为η_o = 0.029 Pas；两相之间的表面张力为γ = 27.7 mN/m。在中间毛细管中，由于甘油的黏度远高于液体石蜡，且两相的毛细数Ca均低至10^-4–10^-2（其中Ca = ηU/γ，U = Q/A为流体的平均流速，A为通道横截面积），因此可在精确控制的滴落模式下将拉长的油相液滴包裹于甘油中^9,

讨论

相转化同轴流动装置为生成单分散的高黏性液滴提供了一种简单直接的方法。该装置的结构与常见的同轴流动装置相似，基本的同轴流动结构由插入中间管内的内管组成，其出口连接至出口管路。然而，在用于生成黏度为 η > 1 Pa·s 的高黏性液滴时，相转化同轴流动装置与常见同轴流动装置之间存在两个主要区别。

首先，在常见的同轴流动装置中，通常使用带有锥形尖端的内管，而在相转化同轴流动装置中则可以使用直的内管。锥形尖端的内径通常为 20 μm，外径为 30 μm^1,8，因此通常需要使用拉管仪来制备该锥形尖端。在相转化同轴流动装置中，可直接使用内径为 100 - 200 μm 的圆形玻璃管，无需进行锥形拉制。

其次，在常见的同轴流动装置中，高黏度流体被注入内管，由低黏度流体进行包覆；而在相转换同轴流动装置中，低黏度流体被注入内管，由高黏度流体进行包覆，后者更容易实现。例如，当使用常见的同轴流动装置在液体...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
VitroTubes 玻璃管	VitroCom	8240	方形 - 微型中空玻璃管，内径=0.4 mm，外径=0.8 mm
VitroTubes 玻璃管	VitroCom	CV2033	圆形 - 微型中空玻璃管，内径=0.2 mm，外径=0.33 mm
VitroTubes 玻璃管	VitroCom	CV1017	圆形 - 微型中空玻璃管，内径=0.1 mm，外径=0.17 mm
VitroTubes 玻璃管	VitroCom	Q14606	方形 - 微型中空玻璃管，内径=1.05 mm +0.1/-0，外径=1.5 mm
标准玻璃毛细管	WPI	1B100-6	圆形 - 玻璃管，内径=0.58 mm，外径=1.00 mm
甘油	国药集团化学试剂北京有限公司	10010618
液体石蜡	国药集团化学试剂北京有限公司	30139828
聚乙烯醇，PVA-124	国药集团化学试剂北京有限公司	30153084
司班 80	Sigma-Aldrich	85548
淀粉	Sigma-Aldrich	S9765
三氯（十八烷基）硅烷	Sigma-Aldrich	104817
甲苯胺蓝 O	Sigma-Aldrich	T3260
蜂蜜			贞桐蜂蜜，从超市购买的普通食品
DEVCON 5 分钟环氧树脂	ITW		环氧胶
钝头不锈钢分配针（鲁尔锁）	苏州兰博针业，中国	LTA820050	20G x 1/2"
碳化钨划线笔	Ullman	1830	用于切割玻璃管
显微镜载玻片	帆船牌	7101	76.2 mm × 25.4 mm，厚度 1 - 1.2 mm
聚乙烯管	Scientific Commodities	BB31695-PE/5	内径 = 0.86 mm，外径 = 1.32 mm
注射泵	兰格泵，中国	LSP01-1A	实验需要 3 台泵