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

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。

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