结合微流控与微流变学技术测定软物质在多次相变过程中的流变特性

本实验的总体目标是利用微流控技术，在单个软物质样品中通过更换周围流体来诱导连续的相变，同时使用多粒子追踪微流变学实时测量其流变学性质的变化。该方法能够回答软物质领域中的一些关键问题，例如相变（包括分子或胶体重排）对动态流变学性质的影响。该技术的主要优势在于，样品在经历多次相变过程中始终保持固定位置，从而实现对样品的实时表征。

这可以实现对流变学特性的定量分析，特别是对非均相系统中独特性质的分析。开始实验前，将微流控装置的负片打印在一张透明醋酸纤维片上，并预热高强度紫外灯。在另一张透明醋酸纤维片上，描出75毫米×50毫米载玻片的四个角。

在四个角上放置高度为1毫米的玻璃垫片。在垫片中央倒入约5毫升的紫外光固化巯基-烯树脂。小心地将一块75毫米×50毫米×1毫米的玻璃盖片放在垫片上，覆盖树脂。

确保载玻片与树脂之间无气泡。将打印好的负片置于玻璃载玻片上。小心地将组件移至紫外灯下，使树脂固化45秒。

然后，将组装件从紫外灯下移开，并取下带有图案的玻璃片或微流控印章。将微流控印章浸入丙酮中不超过10秒，随后将印章浸入乙醇中相同时间。重复此浸洗步骤一次。

然后，将印章浸入蒸馏水中。操作时尽量减少手部移动，用棉签轻轻擦去未反应的树脂，注意不要触碰已固化的树脂。当棉签吸水饱和时，应及时更换。

将印章在紫外光下再固化30分钟。然后，将70克PDMS基液与交联剂按1:10的比例混合，并对PDMS脱气一小时，直至PDMS不再浑浊。将微流控印章正面朝上放置于一个150毫米的塑料培养皿中。

将PDMS缓慢倒入培养皿中，倾倒时靠近培养皿表面以尽量减少气泡产生，确保完全覆盖印章。盖上培养皿，在55摄氏度下过夜固化PDMS。使用刀具切除多余的PDMS。

用手将图案化的PDMS与印章分离。从培养皿中移除印章和多余的PDMS。然后，将培养皿放在一张印有样品室对称外孔位置的纸上。

将图案化的PDMS与导引线对齐，并使用5毫米活检打孔器在标记位置穿过PDMS打孔。该装置的关键特征在于进样通道与同一腔室之间的对称性。这使得能够在不损失样品的情况下进行液体交换。

使用引导图案来确保切割通道时的准确性非常重要。最后，在样本室的中心、吸力室的内边缘以及两条长外通道的每一端各打一个孔。储存图案化PDMS时，应将培养皿盖好。

在装置组装前一日，制备用于在微流控装置中形成玻璃壁的预转化液体。开始装置组装时，将图案化的PDMS和薄玻璃载片进行40秒的等离子体处理。小心地将经过等离子体处理的玻璃载片表面与图案化PDMS表面压合在一起。

在PDMS与载玻片之间的接缝处涂抹紫外光固化树脂，并在低强度紫外光下照射五分钟以固化树脂。接着，将装有不锈钢接头的热塑性塑料管插入除一个角孔外的所有图案化PDMS角孔中。使用18号针头、热塑性塑料管和连接头，将一支3毫升预转化液体的注射器连接到剩余的角孔上。

用预转化液体填充微流控装置。然后，将装置置于加热至100摄氏度的加热板上，在10秒内使3毫升预转化液体流经装置，以制备玻璃壁。随后，将装置从加热板上取下。

使用一个30毫升的空气注射器排出多余的预转化液体。缓慢地将15毫升氯仿流经装置，随后在约一分钟内流经30毫升乙醇。然后，通入空气直至微流控装置完全干燥。

将管路从孔中取出。接着，使用紫外光固化树脂将厚度为1毫米的玻璃条粘附在装置长边的底面。剪取一块30毫米×30毫米的多余已固化PDMS，在其中心打一个比样品室更宽的孔，以形成溶剂池。

将培养皿和微流控装置进行等离子体处理40秒。将经等离子体处理的培养皿面朝下放置在装置上，使样品室位于孔的中心。施加轻柔压力，使培养皿固定在装置上。

最后，从多余的PDMS上切下六个5毫米见方的小块。使用5毫米活检打孔器在每块小方块上切出一个半穿透的孔。将不锈钢连接头插入每个孔中，形成PDMS塞子。

将软物质样品装入一个1毫升的注射器后，将热塑性塑料管插入装置的三个角部进样通道以及抽吸室出口。用去离子水填充另一个注射器，将热塑性塑料管连接到该注射器上，并排出所有气泡。

将注射器连接到第四个角的入口通道。用去离子水填充装置和溶剂槽。确保样品室和微流控通道中无气泡。

如有需要，使用移液管向溶剂槽中补加水。确保微流控装置正确安装至关重要。最重要的是，必须确保装置内无气泡，因为气泡可能干扰微流控流动和微流变学数据。

然后，以每秒约2微升的速度，通过中心入口将10微升软物质样品注入样品室。加样后封闭中心入口。使用倒置显微镜和高速相机，在适合相变持续时间的时间间隔内，记录样品混合物中探针布朗运动的至少20个视频。

对于凝胶化过程，需持续录制视频直至探针完全停止移动。对于降解过程，需持续录制视频直至探针完全呈现扩散状态。随后，将装置从显微镜载物台上取下。

为了将水更换为密度更高的液体，使用移液管从溶剂槽中吸出水，并向槽内加入四毫升密度更高的液体。将装置放回显微镜载物台，继续录制视频。若需将密度较高的液体更换为水或其他密度较低的液体，请通过18号针头和热塑性塑料管将注射器连接至吸力腔通道。

将注射器安装在设定为以每分钟1毫升速度进行抽取的注射泵上。用移液器移除溶剂槽中大部分高密度液体，并用低密度液体冲洗溶剂槽三次，切勿让溶剂槽完全排空。冲洗后，用低密度液体重新充满溶剂槽。

用移液管吸取低密度液体。然后，使用注射泵抽出高密度液体持续一分钟。在液体交换过程中，根据需要逐滴将低密度液体加入到容器中。

然后，塞住抽吸室，将装置放回显微镜载物台以进行记录。以这种方式获取降解-凝胶化循环的视频，循环次数根据需要设定，或直至探针数量不足以进行测量为止。在氢化蓖麻油体系从凝胶态到溶胶态的连续相变过程中，追踪了探针颗粒轨迹的集合平均均方位移。

通过重力流置换将水替换为密度更高的凝胶剂以诱导凝胶化。通过抽吸流置换将凝胶剂替换为水以诱导降解。当相行为表明凝胶剂未被完全从样品室中去除时，需重新用水冲洗样品室。

当样品在溶胶相中静置约600分钟且无流体交换时，其流变性能未观察到任何变化。多次相变未引起平衡流变性能的可观测变化，这通过均方位移（MSD）曲线的对数斜率或每次相变后α值恢复至相同数值得以证实。溶胶相的平衡α值小于1.0，表明即使在降解后，该材料仍保留了一定的结构。

在凝胶向溶胶相变过程中，凝胶的结构异质性增加，这由降解循环期间非高斯参数峰所表明。胶体重组可能在流体交换后立即发生，表现为 alpha 值的升高。我们最初提出该方法的设想是，用于确定相变是否会导致软材料流变学性质及其微观结构的永久性改变。

在HCO系统中，该装置能够测量导致这些永久性变化的两种可能机制：相变过程中的胶体重新排列，或样品制备过程中产生的剪切效应。一旦掌握，该技术可用于识别软物质系统在周围流体环境变化时，经历多次相变过程中的流变特性。