使用具有相转化同轴流结构的微流控毛细管装置制备高黏度液滴

本实验的总体目标是通过简单的同轴流微流控装置中的相转化方法，生成黏度高于1帕·秒的单分散高黏性液滴，以及低黏性的连续相。该方法能够解决液滴微流控领域中一个关键问题，即对 inherently 高黏性流体（如高浓度甘油聚合物溶液和纳米颗粒悬浮液）的操作难题。该技术的主要优势在于，它最初生成的是低黏性液滴，相较于高黏性液滴更易于形成和控制。

当低黏性液滴从同轴流结构出口流出时，会引发后续的相分离过程，从而生成高黏性液滴。本实验操作由清华大学研究生钟南楠先生进行演示。开始准备装置时，使用碳化钨刻划笔切割一段长度为三厘米的圆形玻璃管，其内径和外径分别为580微米和1毫米。

这将构成装置的中间管。要制作装置的内管，请截取一段长度为两厘米的圆形玻璃管，其内径和外径分别为200和330微米。在1.5毫升离心管中加入一毫升ODTS。

将中间管的一端浸入ODTS中10秒。然后从未经处理的一端通入氮气冲洗管子，直至管子干燥。接下来，使用刀片切割出一个0.5毫米×0.5毫米的缺口。

在20号半英寸钝头针塑料鲁尔接头的边缘，在第二个针头接头相对的两侧分别切割一个0.5毫米×0.5毫米的缺口和一个1毫米×1毫米的缺口。然后将中间管沿长度方向放置在标准玻璃显微镜载片上，使疏水性ODTS涂层端向外延伸约一厘米，超过载片的窄端。将内管插入中间管未处理的一端，使约一厘米的内管露在中间管外。

使用环氧树脂将管子沿载玻片的中线固定到位。为了获得更好的性能，调整内管的位置，使其大致集中在中间管附近。待环氧树脂固化后，将单缺口针置于内管末端，使管子嵌入缺口内。

用环氧树脂将针头固定到位，形成低粘度油相入口。然后将双缺口针头固定在内管和中管之间的连接处，形成高粘度水溶液入口。使用环氧树脂在管周及针座处进行密封，并将针座固定在玻璃基底上。

为确保高黏度进样针牢固地固定在基底上，将中管插入大凹槽，内管插入小凹槽。环氧树脂干燥后，将一段长20毫米、内径为0.86毫米的聚乙烯管套在中管的疏水端，以完成装置组装。开始操作时，用1毫升注射器吸取0.8毫升添加了蓝色染料的甘油。

用第二个1毫升注射器吸取0.8毫升轻质石蜡油。通过内径为0.86毫米的聚乙烯管将甘油注射器连接至装置的高黏度水相溶液入口。将液体石蜡注射器连接至低黏度油相入口。

将两个注射器安装在注射泵上。然后使用双指夹具和实验台支架将装置垂直固定在直径35毫米的培养皿上方。调整装置位置，使出口管路末端位于培养皿底部上方约2毫米处。

向培养皿中倒入足量的液体石蜡，使装置出口刚好浸没。向第二个35毫米的培养皿中加入等量的液体石蜡。将甘油注射泵的流速设置为2 µL/min。

将液体石蜡注射泵的流速设置为每分钟六微升。启动两个泵以开始生成甘油液滴。如有需要，可使用相机监测液滴生成过程。

等待约一分钟，使甘油和液体石蜡的流动充分稳定，形成均匀的甘油液滴。然后将装置出口下方的培养皿更换为第二个盛有液体石蜡的培养皿，以收集均匀的液滴。通过相转化同轴流动装置生成单分散甘油液滴，其中间管直径分别为200或500微米。

单分散液滴还通过其他高粘度流体生成，包括蜂蜜、淀粉溶液和聚乙烯醇溶液。使用500微米装置，在油相和甘油流速分别为30和10微升/分钟的条件下生成的甘油液滴，其平均直径为521微米。在相同流速下，使用200微米装置生成的甘油液滴，其平均直径为212微米。

甘油液滴的尺寸随着油相流速与甘油流速之比的变化而改变。在保持甘油流速恒定的情况下增加油相流速，会导致颗粒尺寸减小。观看本视频后，您应能够充分理解如何使用相变共流装置制备单分散的高黏度液滴。

与常见的同轴流动装置不同，制备相转化同轴流动装置时，无需将内层玻璃毛细管拉制成尖锐的尖端。该相转化同轴流动装置可用于生成动态黏度高达12帕斯卡·秒的高黏性液滴。一旦掌握，若操作得当，该技术可在30分钟内完成。