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Chemistry

反相共流微流控毛细管装置制备高粘度水滴的方法

doi: 10.3791/57313 Published: April 17, 2018

Summary

本文展示了一种反相共流装置, 以产生单分散高粘度在 1 Pas 以上的液滴, 在液滴微流体中难以实现。

Abstract

高粘度的单分散液滴的产生一直是液滴微流体的挑战。在这里, 我们演示了一个相逆共流装置, 以产生均匀的高粘度液滴在低粘度流体。微流控毛细管装置有一个共同的共流结构, 其出口连接到一个更宽的管。低粘度流体的细长滴液首先由高粘度流体在共流结构中封装。当细长的低粘度水滴流过出口时, 被低粘度流体所润湿, 然后通过低粘度水滴与出口尖端的粘附来诱导相反转, 从而导致随后的反高粘度流体的封装。通过将低粘度流体的流速比转化为高粘度流体, 可以调节产生的高粘度水滴的大小。我们展示了几个典型的例子, 产生高粘度的水滴, 粘度高达 11.9 Pas, 如甘油, 蜂蜜, 淀粉和聚合物溶液。该方法提供了一种简单而直接的方法来生成单分散高粘度滴, 可用于各种液滴的应用, 如材料合成, 药物输送, 细胞化验, 生物工程和食品工程。

Introduction

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水滴的产生正在成为各种应用的关键技术, 如药物输送, 材料合成, 3D 生物打印, 细胞化验, 食品工程 1, 2, 3, 4,5,6. 带 T 形连接78、co 流19或流聚焦1011结构的微流控设备广泛用于生成单分散单乳液滴。选择一个更粘性的连续相将有助于形成水滴12, 并且连续和分散的流体的粘度通常低于 0.1 Pas 在液滴微流体 13.然而, 在许多应用中, 分散相的粘度可能比水高几倍, 例如甘油14、含有纳米粒子15、蛋白质16或聚合物17的溶液。,18,19, 而在微流控设备中, 很难直接从稳定的滴水状态11中的高粘度流体中实现单分散液滴, 特别是对于具有η > 1 Pa·s14的粘度的流体.,17,18,19。此外, 还报告了1318 , 认为液滴形成的典型微流控方法要求流体具有相对较低的粘度和适度的界面张力, 形成稳定滴水中的均匀水滴。政权。

对于具有稍大于 0.1 Pas 的粘度的分散相位, 有几种可能的方法可以通过典型的 T 连接、共流或流聚焦微流控装置来促进液滴的形成: (1) 降低分散的粘度在挥发性溶剂11,20中稀释它的相位;(2) 通过增加连续相位1,11的粘度, 减少分散到连续的粘度比;(3) 将分散相的流速降低到极低的值, 同时保持高连续到分散的流量比率14,19。但是, 这些方法对于粘度高得多的流体来说是不切实际的, 因为它们会显著降低生产速率, 同时显著提高挥发性溶剂或连续相的消耗。在百货商店, 据报道, 一些高粘度聚合物溶液与η > 1 Pa·s 仍然没有分解成水滴与上述方法17,19

还有几种改进的微流控装置的设计, 将第三阶段的流体引入到系统中, 从而促进了高粘度滴的产生。创新包括: 引入气泡将喷射螺纹切割成水滴21, 一种具有中等粘度的不溶做伴流体, 引入 dipsersed 相和连续相18之间的中间相, 并微反应器介绍了从两个低粘度前体生成高粘度的小水滴 21, 22, 23.然而, 随着这个过程中的一个流体越来越多, 这个系统变得更加复杂, 而这些装置通常在比生成单乳液滴的典型装置更窄的流动机制中工作。

为了直接从高粘度流体中产生单分散液滴与η > 1 Pa·s, 研究了表面控相反演方法的24。由于低黏度水滴的产生比高粘度水滴容易得多12, 高粘度连续相的细长低黏度水滴首先使用典型的共流结构产生, 然后被分解为在共流结构的下游表面润湿性的变化。释放的低粘度流体将下游高粘度流体封装成水滴, 从而完成了相位反演。根据相变机理, 单分散高粘度液滴可根据典型的共流装置产生, 而该共流装置的出口被处理为由低粘度流体润湿, 然后连接到更宽的管24 ,25

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Protocol

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1. 生产一种相反转的共流毛细管装置, 用于观察含直径为500微米的高粘度水滴的生成过程。

注: 此处使用的方形外管用于拍摄高粘度水滴的生成过程的图像。如果不需要拍摄图像, 则可以根据协议步骤2对设备进行简化版本。

  1. 为毛细管装置的组装准备三个不同尺寸的玻璃管。
    1. 取一个方形的玻璃管, 内部尺寸为1.05 毫米, 并切割一条管子的长度为4厘米。这将是设备的外管。
    2. 取一圆玻璃管, 内径为580微米, 外径 (外径) 为1毫米, 并切割一条管子的长度为3厘米。这将是设备的中间管。
    3. 取一圆玻璃管与身份证 = 200 微米和外径 = 330 微米, 并且切开管子的片断 ~ 2 cm 长度。这将是设备的内管。
  2. 修改中间管一端的表面润湿性为疏水性。
    1. 取一个1毫升的玻璃瓶, 并添加0.3 毫升的氯 () 硅烷 (升) 到玻璃瓶。
    2. 把中间管与身份证 = 580 微米准备在协议步骤 1.1.2, 并把它的一端浸入玻璃瓶中的十年代。
    3. 取出中间管, 用氮气从未处理的末端冲洗管子。
  3. 为毛细管装置的入口准备针头。
    1. 采取一个20G 钝尖配药针, 并削减一个插槽与0.5 毫米 x 0.5 毫米的边缘, 塑料鲁尔轮毂与刀片。
      注: 此针可作为低粘度油相的入口。
    2. 再拿一个20G 钝尖配药针, 在塑料鲁尔中心的边缘切两个插槽。将两个插槽与通过鲁尔集线器直径的直线对齐。
      注: 一个插槽的尺寸为0.5 毫米 x 0.5 毫米, 而另一个插槽的尺寸为1.0 毫米 x 1.0 毫米。该针可作为高粘度水相的入口。
    3. 再拿一个20G 钝尖配药针, 在塑料鲁尔中心的边缘切两个插槽。将两个插槽与通过鲁尔集线器直径的直线对齐。
      注: 一个插槽的尺寸为1.5 毫米 x 1.5 毫米;而另一个插槽的尺寸为1.0 毫米 x 1.0 毫米。此针可作为清洗用的入口。
  4. 按下装配玻璃管图 1A
    1. 以常规的7.62 厘米 x 2.54 厘米的玻璃幻灯片作为毛细管装置的基板。
    2. 把外管与 id = 1.05 毫米, 准备在协议步骤 1.1.1, 在玻璃幻灯片与〜1厘米挤出玻璃滑动的短边缘。
    3. 带 id 为580微米的中间管, 在协议步骤1.2 中制备, 并将中间管的疏水端插入玻璃滑动端的外管, 并将中间管的1厘米保持在外管外。
    4. 取内径为200微米的内管, 在协议步骤1.1.3 中制备, 并将内管一端插入中间管, 并将内管的1厘米保持在中间管外。
    5. 使用环氧树脂胶固定在玻璃滑块中心位置的三管。然后等待 ~ 5 分钟或更长的胶水完全凝固。
  5. 在毛细管装置上装配入口。
    1. 采取在协议步骤1.3.1 中制备的低粘度油相的入口针, 并让鲁尔集线器覆盖基体上的内管末端, 然后使用环氧树脂胶固定基板上的鲁尔轮毂。
    2. 采用进口针为高粘度水相, 在协议步骤1.3.2 中制备, 并让鲁尔集线器覆盖内管和中间管之间的连接, 然后用环氧树脂胶将鲁尔轮毂固定到基体上。
    3. 取入口针, 准备在协议步骤 1.3.3, 并为清洗, 让鲁尔枢纽覆盖中间管和外管之间的连接, 然后使用环氧树脂胶固定在基板上的鲁尔集线器。
    4. 等待 ~ 5 分钟或更长的胶水完全凝固。
    5. 使用环氧树脂胶封在基板上的针鲁尔集线器。
  6. 等待 ~ 30 分钟或更长的胶水完全凝固, 然后设备准备使用。

2. 制作一种相反转、共流毛细管装置, 用于制造直径为500微米的水性高粘度水滴。

注意: 此处所做的设备是协议步骤1中设备的简化版本。

  1. 为毛细管装置的组装准备两个不同尺寸的玻璃管。
    1. 取一圆玻璃管与身份证 = 580 微米和外径 = 1 毫米, 并且切开一条管子与 3 cm 长度。这将是设备的中间管。
    2. 取一圆玻璃管与身份证 = 200 微米和外径 = 330 微米, 并且切开一条管子与 2 cm 长度。这将是设备的内管。
  2. 修改中间管一端的表面润湿性为疏水性。
    1. 在1毫升的玻璃瓶中加入0.3 毫升的培养基。
    2. 用 id 为580微米的中间管, 在协议步骤2.1.1 中准备, 并将它的一端浸入玻璃瓶中的 "十年代"。
    3. 取出中间管, 然后用氮气从未处理的末端冲洗管子。
  3. 为毛细管装置的入口准备针头。
    1. 准备一个20G 钝尖配药针, 这将成为低粘油阶段的入口。然后, 用刀片在塑料鲁尔集线器的边缘切割一个0.5 毫米 x 0.5 毫米的插槽。
    2. 再拿一个20G 钝尖配药针, 在塑料鲁尔中心的边缘切两个插槽。将两个插槽与通过鲁尔集线器直径的直线对齐。
      注: 一个插槽的尺寸为0.5 毫米 x 0.5 毫米, 而另一个插槽的尺寸为1.0 毫米 x 1.0 毫米。第二针将作为高粘度水相的入口。
  4. 按下装配玻璃管图 1A.
    1. 以常规的7.62 厘米 x 2.54 厘米的玻璃幻灯片作为毛细管装置的基板。
    2. 将中间管与 id = 580 微米, 准备在协议步骤 2.2, 在玻璃滑动与疏水性端挤出 ~ 1 厘米在玻璃滑梯的短边缘。
    3. 取内径为200微米的内管, 在协议步骤2.1.2 中进行制备, 并将内管的一端插入到中间管中, 从玻璃滑块上未处理的端部, 并在中间管外保持1厘米的内管。
    4. 使用环氧树脂胶固定在玻璃滑块中心位置的两个管。
    5. 等待5分钟或更长的胶水完全凝固。
  5. 在毛细管装置上装配入口。
    1. 采取在协议步骤2.3.1 中制备的低粘度油相的入口针, 并让鲁尔集线器覆盖基体上的内管末端, 然后使用环氧树脂胶固定基板上的鲁尔轮毂。
    2. 采用进口针为高粘度水相, 在协议步骤2.3.2 中制备, 并让鲁尔轮毂覆盖内管和中间管之间的连接, 然后使用环氧树脂胶固定在基板上的鲁尔轮毂。
      注: 中间管的另一端是装置的出口。
    3. 等待 ~ 5 分钟或更长的胶水完全凝固。
    4. 使用环氧树脂胶封在基板上的针鲁尔集线器。
  6. 等待 ~ 30 分钟或更长的胶水完全凝固。
  7. 将中间管的自由端与出口油管连接, i. e., 带 id 的聚乙烯油管长度为0.86 毫米和 ~ 20 毫米。
    注意: 外部油管的轻微变形将确保连接的密封, 因此这里不需要胶水。出口油管作为一个更广泛的外管的相反转。此时, 设备可以使用。

3. 制作相逆共流毛细管装置, 观察直径为200微米的高粘度水滴的生成过程。

注意: 此处所做的设备是协议步骤1的设备的较小版本, 可以制作更小的水滴。

  1. 为毛细管装置的组装准备三个不同尺寸的玻璃管。
    1. 取一个方形的玻璃管与身份证 = 400 微米, 并且切开管子的片断〜 4 cm 长度, 将是设备的外在管子。
    2. 取一圆玻璃管与身份证 = 200 微米和外径 = 330 微米, 并且切开管子的片断 ~ 3 cm 长度, 将是设备的中间管子。
    3. 取一圆玻璃管与身份证 = 100 微米和外径 = 170 微米, 并且切开管子的片断 ~ 2 cm 长度, 将是设备的内管。
  2. 修改中间管一端的表面润湿性为疏水性。
    1. 拿一个1毫升的玻璃瓶, 并添加0.3 毫升的增加到玻璃瓶。
    2. 用 id 为200微米的中间管, 在协议步骤3.1.2 中准备, 并将它的一端浸入玻璃瓶中的 "十年代"。
    3. 取出中间管, 然后用氮气从未处理的末端冲洗管子。
  3. 为毛细管装置的入口准备针头。
    1. 准备一个20G 钝尖配药针, 这将成为低粘油阶段的入口。然后, 用刀片, 切一个插槽〜0.2 毫米 x 0.2 毫米的边缘的塑料鲁尔枢纽。
    2. 准备另一20G 钝尖配药针, 并削减两个插槽的边缘塑料鲁尔枢纽。将两个插槽与通过鲁尔集线器直径的直线对齐。
      注: 一个插槽的尺寸为0.2 毫米 x 0.2 毫米, 而另一个插槽的尺寸为0.4 毫米 x 0.4 毫米。第二针将作为高粘度水相的入口。
    3. 再拿一个20G 钝尖配药针, 在塑料鲁尔中心的边缘切两个插槽。两个插槽在通过鲁尔中心直径的线对齐。
      注: 一个插槽的尺寸为0.8 毫米 x 0.8 毫米, 而另一个插槽的尺寸为0.4 毫米 x 0.4 毫米。这第三针将作为一个入口为清洁目的。
  4. 按照协议步骤 1.4-1.6 完成该设备, 使用在协议步骤3.1 中编写的玻璃管, 而不是在协议步骤1.1 中编写的, 使用在协议步骤3.3 中编写的针, 而不是在协议步骤1.3 中编写的。

4. 观察液体石蜡中甘油滴的产生

注: 为拍摄图1B 中显示的图像, 请使用在协议步骤1中编写的设备;要拍摄图 3中显示的图像, 请使用在协议步骤3中准备的设备。

  1. 准备在实验中使用的解决方案。
    1. 以甘油为高粘度水相, 并加0.5 的甲苯胺蓝 O 染成蓝色。
    2. 采用液体石蜡作为低粘度油相, 并在其上加入1% 的 80, 作为表面活性剂。
  2. 准备三1毫升注射器和三注射器泵。
    注: 三在议定书步骤4.1 中制备的液体用注射器: 一种用于注射在协议步骤4.1.1 中制备的高粘度甘油, 另两种用于注射低黏度液体石蜡, 分别在协议步骤4.1.2 中制备。
    1. 将含有甘油的注射器连接到中间管。
    2. 将含有液体石蜡的注射器连接到内胎的入口, 同时将其连接到入口以进行清洗。
  3. 将在1号协议步骤中准备的设备放置在倒置显微镜下, 并将一块 Kimwipe 置于外管的出口处, 以吸收泄漏的液体。
    注意: 不要让流体在 Kimwipe 区域外泄漏。
  4. 设置注射器泵的流速。
    注: 当中间管出口周围有陷泡或水滴时, 使用与外管连接的注射器泵进行清洗。否则, 就把水泵停了。
    1. 将甘油的流速设置为Qw = 10 ul/分钟的中间管。
    2. 设置向Qo = 30 ul/分钟内管注入液体石蜡的流速。
    3. 运行两个泵产生甘油滴。
  5. 等待0.5 分钟, 直到流量稳定, 甘油滴在中间管出口均匀生成。然后, 拍下水滴生成过程的视频或图像。
    注意: 图1B 中的图像可以使用在协议步骤1中编写的设备, 而图 3A中的图像可以使用在协议步骤3中编写的设备进行。一旦拍摄完视频或图像, 立即停止所有的水泵, 立即将设备从显微镜上取出。
  6. 准备收集高粘度的水滴。
    1. 将设备放在垂直平面上, 并将插座指向下方, 并将培养皿放在插座下。使用胶带修复设备与出口〜2毫米以上的培养皿底部。
    2. 将在协议步骤4.1.2 中制备的液体石蜡倒入培养皿中, 然后浸入装置的出口。
  7. 再次运行两个注射器泵在Qw = 10 ul/分钟和Qo = 30 ul/分钟, 并收集在培养皿中的甘油滴。
    注: 等待 ~ 1 分钟, 直到流量稳定, 甘油滴在外管出口均匀生成, 可以采取培养皿中的水滴的图像, 如图 1D中所示的协议1中编写的设备, 或者是在协议步骤3中准备的设备的图 3B

5. 用步骤2中制备的简化装置在液体石蜡中生成和收集甘油滴。

注: 这是为了拍摄在不同流速比的Qo/Qw生成的甘油水滴的图像, 并测量图 2中数据点的相应大小变化。

  1. 按照协议步骤 4.1, 准备在实验中使用的解决方案。
  2. 准备两个1毫升注射器和两个注射器泵。
    注: 在协议步骤4.1 中制备的液体用两个注射器: 一种注射高粘度甘油, 在协议步骤4.1.1 中制备, 另一种用于注射低黏度液体石蜡, 分别在协议步骤4.1.2 中制备。
    1. 将含有0.8 毫升甘油的注射器连接到中间管的入口。
    2. 将含有0.8 毫升液体石蜡的注射器连接到内胎的入口。
  3. 准备收集高粘度的水滴。
    1. 将设备放在垂直平面上, 并将插座指向下方, 并将35毫米的培养皿放在插座下。使用胶带修复设备与出口〜2毫米以上的培养皿底部。
    2. 将在协议步骤4.1.2 中制备的液体石蜡倒入培养皿中, 然后浸入装置的出口。
  4. 设置注射器泵的流速。
    注: 对于图 2中的每个流量比率, 请固定甘油qw = 2 ul/分钟的流量, 同时根据所需的 q 的流速比率增加液体石蜡Qo到不同值的流量. o/Qw。对于每个流速比, 等待 ~ 1 分钟, 直到流稳定和均匀甘油滴在培养皿中收集, 然后采取水滴的图像。
    1. 设置在Qw = 2 ul/分钟的中间管中注入的甘油的流速。
    2. 设置在Qo = 6 ul/分钟内管中注入的液体石蜡的流速。
    3. 运行两个泵产生甘油滴。
      注: 水滴的产生过程可以用手机相机直接观察到, 或者是安装在三脚架上的数码相机。
  5. 等待 ~ 1 分钟, 直到流量稳定, 并改变一个新的培养皿收集均匀甘油滴。

6. 采用相倒置共流装置, 在液体石蜡中产生其它高粘度滴。

注意: 这是为图 4中的图像提供的。实验中使用的低粘度油相与协议步骤4.1.2 中所用的方法相同。

  1. 使用纯蜂蜜作为图 4A的高粘度水相。
  2. 图 4B准备 6% 的淀粉溶液。
    注意: 使用适当的高温玻璃介质瓶和高温帽。佩戴耐热手套。
    1. 在100毫升的玻璃介质瓶中添加47克水, 并在瓶子里放一个搅拌棒。
    2. 把瓶子放在水浴中, 把温度设置为100摄氏度。
    3. 水浴达到100摄氏度后, 将3克淀粉粉加入热水中。
    4. 盖子的瓶盖, 并保持搅拌4小时, 直到解决方案是明确的。
    5. 等到溶液冷却到室温, 然后再使用。
  3. 图 4C准备 10 PVA-124% 的解决方案。
    注意: 使用适当的高温玻璃介质瓶和高温帽。佩戴耐热手套。
    1. 在100毫升的玻璃介质瓶中添加45克水, 并在瓶子里放一个搅拌棒。
    2. 把瓶子放在水浴中, 把温度设置为70摄氏度。
    3. 在水浴达到70摄氏度后, 在瓶子中加入5克 PVA-124 粉。
    4. 盖子的瓶盖, 并保持搅拌1小时, 直到解决方案是明确的。
    5. 等到溶液冷却到室温, 然后再使用。
  4. 在液体石蜡中产生高粘度滴。
    1. 使用步骤 6.1-6.3 中准备的高粘度流体, 而不是在协议步骤5中的甘油, 遵循协议步骤5。
    2. 使用Qw = 1 ul/分钟的流速设置, Qo = 5 ul/分钟图 4

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Representative Results

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采用相反转、共流结构的微流控毛细管装置, 设计成单分散水性高粘度水滴, 如图 1A所示。在图 1中, 高粘度水相是甘油, 其黏度为ηw = 1.4 Pas;低粘度油相为液体石蜡, 其粘度为ηo = 0.029 Pas;两个阶段之间的表面张力为γ = 27.7 锰/米。在中间管, 拉长的油滴可以由甘油封装在一个良好控制的滴水模式9,13, 因为甘油的黏度远远高于液体石蜡, 和毛细管数, Ca, 两个阶段的低至 10-4-10-2, 其中Ca = ηU/γ, u = Q/a是流体的平均速度, 是十字架的区域通道的部分。当细长的油滴从中间管出口流出到一个更宽的外管时, 如图 1B所示, 油液滴在中间管的疏水尖端破裂, 并将甘油的下游盖反向封装, 使获得了高粘度甘油滴, 如图 1C所示。只要水滴的大小和任何两个相邻油滴之间的距离保持不变, 形成的甘油滴将是单分散的24,25图 1B-c中的图像是使用步骤1的设备和经过实验的协议步骤4获得的。在Qo = 30 ul/分钟和Qw = 10 uL/分钟生成的甘油水滴在图 1D中显示, 其中水滴的平均直径为521微米, 而变化系数 (CV)雾滴大小, 定义为标准偏差除以平均雾滴大小, 是CV = 0.9%, 这表明水滴是单分散的。

高黏度水滴的大小可以通过改变流量比率Qo/Qw与一个固定的qw调整。在图 2中显示了一组典型的实验结果, 这是通过协议步骤5与协议步骤2的设备进行的实验得出的。由于Qw是固定的, 因此雾滴大小随Qo的增加而减小。进一步增加流速比可能产生较小的水滴, 但水滴的体积分数将相应减少, 并会有一个戏剧性的增加的总阻力和内部压力的设备内。因此, 在图 2的流速比范围内, 水滴的大小与中间管的内径相当。

当使用较小管的装置时, 液滴尺寸可进一步降低。与协议步骤3中的设备有关的协议步骤4之后, 典型的实验结果显示在图 3中, 其中中间管的 id 为200微米。

相同的设备从协议步骤2可以用来产生单分散液滴从各种高粘度流体, 其黏度高于甘油。在图 4中显示了单分散滴蜂蜜 (11 pas)、淀粉溶液 (8.5 pas) 和聚合物溶液 (2.5 pas) 的典型结果。图 4中的流体的制备在协议步骤6中详细说明。

Figure 1
图 1: 采用相反转共流装置在低粘度液体石蜡中生成高粘度甘油滴.(A) 相反转共流装置的示意图。(B) 观察中间管内油中甘油塞状流中甘油滴的产生量, 以及外管中甘油油单乳液的生成。(C) 相反转过程的时间序列图像。(D)单分散甘油滴和液滴的大小分布。水滴的平均直径为521微米, CV = 0.9%。重印以允许从 [24]。版权所有2017美国化学学会。刻度条为500微米。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 水滴大小随流速比的变化而改变QO/qwqw = 2 ul/分钟对于每个数据点, 测量30个水滴, 并报告平均直径。由于标准偏差的误差线小于绘图中使用的符号, 因此此处不显示它们。重印以允许从 [24]。版权所有2017美国化学学会。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 从设备中生成的小甘油水滴与 id 的中间管 = 200 微米.(A) 观察装置外管中甘油滴的产生。(B) 产生的单分散甘油滴, 平均直径为212微米和CV = 1.9%。重印以允许从 [24]。版权所有2017美国化学学会。刻度条为200微米。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: 不同解决方案产生的高粘度水滴的典型例子.重印以允许从 [24]。版权所有2017美国化学学会。(A) 具有平均直径612微米和CV = 0.7% 的蜜滴。(B) 平均直径为600微米和cv = 0.9% 的淀粉水滴, (C) PVA-124 聚合物水滴, 平均直径为773微米, CV = 0.7%。所有的刻度条都是1.0 毫米.请单击此处查看此图的较大版本.

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Discussion

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反相共流装置提供了一种简单、直接的方法, 能产生单分散高粘度水滴。该装置与普通共流装置具有相似的结构, 因为基本的共流结构由插入在中间管中的内管组成, 其出口与出口油管相连。然而, 相逆共流装置与普通共流装置之间存在两个主要区别, 即产生粘度为η > 1 Pa·s 的高粘度水滴。

首先, 在常用的共流装置中, 采用锥形尖端的内管, 而直内管可用于相倒置的共流装置。圆锥尖通常有 id = 20 微米和外径 = 30 微米1,8, 因此, 通常需要一个吸管拉拔器, 使锥形尖端。在相倒置的共流装置中, 具有 100-200 微米的圆形玻璃管可以直接使用而不被锥形。

二是在常用的共流装置中, 将高粘度流体注入管内, 由低粘度流体封装;在反相共流装置中, 将低粘度流体注入管内, 由高粘度流体封装, 易于实现。例如, 当我们使用一个共同的共流装置在液体石蜡中产生甘油滴时, 流速比Qo/Qw应该至少为 25, 以实现一个控制良好的滴水模式, 从而导致体积分数甘油滴不高于4%。相反, 在相反转的共流装置中, 流量比Qo/Qw可以低至 2.5, 以实现一个良好的控制滴水模式, 因此, 一个体积分数的28% 甘油水滴可以实现。

在反相共流装置中, 在中间管疏水出口处, 细长油滴的断裂导致了相变。因此, 对中管出口表面润湿性的处理是反相法的关键步骤, 在该方法中, 中间管的出口必须经过低粘度相润湿, 以诱导相变。此外, 有一个临界流速, 上面的细长油滴不会破裂, 而相反转将不会发生24。当油滴不能在疏水出口处破裂时, 将两个流体的流速降低到固定的流速比, 直到细长的油滴断裂并诱发相反转。而且, 如果高粘度流体和低粘度流体在处理表面上具有相似的润湿性, 则相反演方法是无效的。

虽然我们只提供了在这项工作中产生水中高粘度水滴的协议和例子, 但相逆共流装置也可用于在低黏度水溶液中产生高粘度的油滴23。在这种装置中, 中间管的上游需要被高粘度相润湿, 而中间管的出口则需要被低粘度相润湿。相逆共流装置提供了一种简单的方法, 在快速发展的液滴应用中, 以良好的控制方式封装高粘度流体。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项工作得到了中国国家自然科学基金 (51420105006 和51322501号) 的支持。我们感谢丹尼尔对高粘度思想的有益讨论。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
VitroTubes Glass Tubing VitroCom 8240 Square - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.4mm, OD=0.8mm
VitroTubes Glass Tubing VitroCom CV2033 Round - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.2mm, O.D.=0.33mm
VitroTubes Glass Tubing VitroCom CV1017 Round - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.1mm, O.D.=0.17mm
VitroTubes Glass Tubing VitroCom Q14606 Square - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=1.05mm+0.1/-0, OD=1.5mm
Standard Glass Capillaries WPI 1B100-6 Round - Glass Tubing, I.D.=0.58mm, O.D.=1.00mm
Glycerol Sinopharm Chemical Reagent Beijing 10010618
Paraffin Liquid Sinopharm Chemical Reagent Beijing 30139828
Poly(vinyl alcohol), PVA-124 Sinopharm Chemical Reagent Beijing 30153084
Span 80 Sigma-Aldrich 85548
Starch Sigma-Aldrich S9765
Trichloro(octadecyl)silane Sigma-Aldrich 104817
Toluidine Blue O Sigma-Aldrich T3260
Honey Chaste tree honey, common food product purchased from supermarket
DEVCON 5 Minute Epoxy ITW  Epoxy glue
Blunt Tip Stainless Steel Dispensing Needles (Luer Lock) Suzhou Lanbo Needle, China LTA820050 20G x 1/2" 
Tungsten/Carbide Scriber Ullman 1830 For cutting glass tubing
Microscope Slides Sail Brand 7101 76.2 mm x 25.4 mm, Thickness 1 - 1.2 mm
Polyethylene Tubing Scientific Commodities BB31695-PE/5 I.D. = 0.86 mm, O.D. = 1.32 mm
Syringe Pumps Longer Pump, China LSP01-1A 3 pumps needed for the experiments

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References

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反相共流微流控毛细管装置制备高粘度水滴的方法
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Li, J., Man, J., Li, Z., Chen, H. Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure. J. Vis. Exp. (134), e57313, doi:10.3791/57313 (2018).More

Li, J., Man, J., Li, Z., Chen, H. Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure. J. Vis. Exp. (134), e57313, doi:10.3791/57313 (2018).

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