微流控法制備功能性微納米液珠

水玲玲， 朱云飛

(華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院，彩色動(dòng)態(tài)電子紙研究所，廣東廣州 510006)

微流控法制備功能性微納米液珠

水玲玲*， 朱云飛

(華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院，彩色動(dòng)態(tài)電子紙研究所，廣東廣州 510006)

簡(jiǎn)述了微流控法制備微納米液珠的幾種典型方法及其優(yōu)缺點(diǎn). 微流控主要通過(guò)對(duì)流體物質(zhì)的驅(qū)動(dòng)和控制，結(jié)合幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將流體分割成相同等分的液珠，液珠由液體構(gòu)成，其大小、形貌和特性容易控制,從而可進(jìn)行功能化. 總結(jié)了目前常用的幾種微流控制備液珠的方法，分別為：共軸流、T-型通道流、共聚流和階梯流.

微流控; 液珠; 共軸流; T-型通道流; 共聚流; 階梯流

“微流控芯片實(shí)驗(yàn)室”(Lab on a Chip)，亦稱微全息分析系統(tǒng)(μ-TAS: micro Total Analysis System)[1-2]. 該技術(shù)將多種原來(lái)在實(shí)驗(yàn)室才能完成的功能集成在一個(gè)微小芯片上，是一種跨學(xué)科的新型科研領(lǐng)域. 微流控是指以流體為媒介對(duì)對(duì)象樣品進(jìn)行各項(xiàng)處理和分析，得出試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論. 可以利用一小塊(厘米)芯片，花費(fèi)極少量(皮升到微升)的樣品，在極短的時(shí)間(秒到分鐘)內(nèi)完成大量實(shí)驗(yàn)，從而獲得大量的數(shù)據(jù)和信息. 隨著微納米加工技術(shù)的發(fā)展，最近20年，該技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，從最初的以化學(xué)和生物樣品為研究對(duì)象，近幾年發(fā)展到光電、能源、醫(yī)療、新藥開(kāi)發(fā)、環(huán)境污染和食品衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域[3-8]. 在微流控芯片中，各種功能單元由微通道貫穿形成網(wǎng)絡(luò)，可控流體貫穿整個(gè)系統(tǒng).

微流控芯片微液珠操控系統(tǒng)是指將兩相互不相溶的液體同時(shí)注入微流控通道系統(tǒng)中，在固定位置讓兩相液體相遇，通過(guò)流體力和界面張力等作用將其中一相流體分割成液珠，而另外一相包裹液珠形成連續(xù)相. 利用微流控法制備的微液珠具有大小可控、粒徑均勻和適用性廣泛等特點(diǎn)[9-10]. 微流控液珠操作系統(tǒng)具有很多潛在優(yōu)勢(shì)：(1)易于精確控制，微流控最大的特點(diǎn)即對(duì)微觀尺寸流體樣品的精確控制，通過(guò)對(duì)芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和流體驅(qū)動(dòng)方法的設(shè)計(jì)，可以精確控制微通道網(wǎng)絡(luò)中各相的流動(dòng)速度、位置和溫度等；(2)樣品需求量少，將分析樣品根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求分割為微液珠，每個(gè)微液珠即為一個(gè)獨(dú)立的微反應(yīng)器，體積在皮升到微升級(jí)，不但避免了試劑浪費(fèi)，而且可以對(duì)單個(gè)微反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)研究；(3)混合速度快，大多數(shù)樣品的分析都涉及到物質(zhì)的混合反應(yīng)，在微納米級(jí)的微通道中，由于雷諾系數(shù)小，微通道內(nèi)流體一般形成層流，混合主要靠分子擴(kuò)散，在微液珠中，液珠可以轉(zhuǎn)動(dòng)，因此混合速度很快，一般只需數(shù)秒甚至數(shù)微秒便可以實(shí)現(xiàn)快速均勻的混合；(4)重復(fù)性好，在微流控通道中，微液珠被互不相溶的連續(xù)相包圍著，每個(gè)液珠之間和液珠與器件壁之間都充斥著連續(xù)相，每個(gè)液珠形成一個(gè)獨(dú)立的微小空間，這增強(qiáng)了微液珠內(nèi)組分的抗干擾性，而且，每個(gè)微液珠都是一個(gè)獨(dú)立的分析單元，相應(yīng)地提高了檢測(cè)的重復(fù)性.

基于以上優(yōu)點(diǎn)，微流控液珠系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，包括微反應(yīng)器、功能性液珠、固體顆粒制備、光學(xué)單元等. 本文主要闡述微流控法制備微納米液珠的幾種常用方法和原理.

1 利用微流控法制備微液珠的方法

利用微流控法產(chǎn)生微液珠的主要思路是，通過(guò)控制不相溶的兩種液體在微通道中的流動(dòng)，設(shè)計(jì)一定的幾何通道，使兩種液體在通道中相遇，相互作用，破壞原來(lái)的界面張力和穩(wěn)定性，從而使一相液體被分割形成液珠(分散相或內(nèi)相)包埋在另一相(連續(xù)相或外相). 由于微通道的尺寸在微米甚至納米級(jí)，通道內(nèi)的液珠幾乎不受重力影響，所以液珠的產(chǎn)生主要是通過(guò)控制流體力和界面張力等.

1.1 共軸流通道(Co-flowing Device)

共軸流通道是出現(xiàn)的比較早的一種兩相流實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)備簡(jiǎn)單. CRAMER[11]等描述了共軸流通道產(chǎn)生液珠的過(guò)程，分析并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩相流的影響因素. 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，分別用針筒泵和齒輪泵控制分散相和連續(xù)相，分散相通過(guò)一個(gè)毛細(xì)管通道進(jìn)入連續(xù)相中，毛細(xì)管位于通道的正中央，這樣可以得到連續(xù)相的最大速度. 整個(gè)通道是透明的，液珠產(chǎn)生速度的快慢用激光計(jì)數(shù)，液珠的形成過(guò)程用CCD(圖像傳感器)觀測(cè). 整個(gè)裝置安放在可以自由垂直移動(dòng)的平臺(tái)，使液珠的下落均沿重力方向.

圖1 共軸流實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

共軸流產(chǎn)生液珠分為2種形式，即噴射流和滴流(圖2). 在滴流形成中，影響液珠形成的主要因素有4個(gè)：連續(xù)相流速、分散相流速、液珠的黏度和表面張力.

圖2 滴流(A)和噴射流(B)

1.1.1 連續(xù)相流速 連續(xù)相流速主要改變液珠分離時(shí)的拉力，用于反抗液珠的表面張力使液珠分離，圖3給出了在分散相流速一定的情況下，連續(xù)相流速與液珠大小的關(guān)系. 連續(xù)相速度越快，液珠形成所需要的時(shí)間越短，幾乎成線性關(guān)系.

圖3 連續(xù)相速度與液珠直徑的關(guān)系

1.1.2 分散相流速 由于液珠分離速度的加快，而分散相的流速固定，所以形成液珠的流體變少使得液珠體積變小，液珠大小的計(jì)算公式[1]：

ddrop=((6/π)QdispTn)1/3，

(1)

式中ddrop為產(chǎn)生液滴的直徑，Qdisp為分散相的體積流速，Tn為2個(gè)連續(xù)液滴之間的時(shí)間間隔. 在分散相流速較低的情況下，加快分散相流速可以縮短液珠形成的時(shí)間，但當(dāng)分散相流速減小到一定值后，提高分散相流速不再提高液珠的生成速度(圖4). 通過(guò)加快分散相速度的方法，不僅可以增加液珠生成速度，還可以增大液珠體積.

圖4 連續(xù)相速度與液珠形成時(shí)間的關(guān)系

1.1.3 液珠的黏度 影響液珠形成的因素是分散相的黏度，可以通過(guò)添加表面活性劑(如k-Carrageenan)的方法改變分散相黏度，液珠分離時(shí)，黏度越大形成的滴流越長(zhǎng)(圖5)，而分散相的黏度對(duì)液珠的大小幾乎沒(méi)有影響.

1.1.4 表面張力 PEG溶液的表面張力比k-Carragee溶液的表面張力小，在其他條件相同的情況下，使用PEG溶液作為分散相的液珠直徑小于使用k-Carrageenan溶液作為分散相的液珠直徑(圖6).

圖5 黏度對(duì)液珠形成的影響

圖6 不同表面張力的分散相液珠直徑隨連續(xù)相速度的變化情況

Figure 6 The change of droplet diameter with velocity of continuous phase

1.2 T型垂微通道(T-junction Device)

T型微通道是一種用于μL和nL液珠生成常用的最簡(jiǎn)單的幾何構(gòu)型，典型的構(gòu)型如THORSEN等[12]使用的微通道結(jié)構(gòu)(圖7). 該結(jié)構(gòu)由聚二甲基硅氧烷(PDMS)構(gòu)筑，使用硅油加表面活性劑作為連續(xù)相，水相為分散相，在水油相接觸的T型通道位置設(shè)計(jì)了一個(gè)相對(duì)較窄的通道，便于形成體積較小的液珠，同時(shí)在液珠形成后進(jìn)入較寬通道的過(guò)程中，可以清晰地觀測(cè)到液珠排列的形貌和壓強(qiáng)之間的關(guān)系.

圖7 T-型微通道及其實(shí)驗(yàn)

液珠直徑與分散相壓強(qiáng)的關(guān)系如圖8所示(1 psi=6.895 kPa,下同)，液珠的形貌與水油壓強(qiáng)比的函數(shù)關(guān)系如圖9所示，縱坐標(biāo)表示水油壓強(qiáng)差與平均壓強(qiáng)的比值，橫坐標(biāo)表示水油的平均壓強(qiáng).

圖8 液珠直徑與分散相壓強(qiáng)的關(guān)系

在T型微通道中影響生成液珠大小和形貌的主要因素是流體的壓力和相對(duì)壓力差. 當(dāng)拉普拉斯壓力(Laplace pressure)等于剪切力時(shí)液珠產(chǎn)生，因此液珠的半徑為：

r≈σ/ηε，

(2)

式中，r表示生成液珠的半徑，σ表示表面張力，η表示連續(xù)相即油相的黏度，ε是剪切速率. 他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)值和理論值相吻合.

1.3 匯聚流通道(Flow-focusing Device)

匯聚流通道是目前使用比較廣泛的兩相流微流控液珠的產(chǎn)生方法. 具有代表性的研究是2003年ANNA[13]等的工作，幾何圖像如圖10A所示，通道的材質(zhì)是PDMS疏水性材質(zhì)，使用硅油加表面活性劑作為連續(xù)相，水相作為分散相，分別用不同的泵控制3個(gè)通道里液體的流速. 油相和水相匯聚后通過(guò)1個(gè)更窄的通道，油相擠壓水相產(chǎn)生剪切力，使水的表面張力被破壞，產(chǎn)生油包水的液珠(圖10B). 保持油水流速比不變，改變油相速度時(shí)觀測(cè)到的油包水液珠的圖像(圖10C).

這種方法產(chǎn)生的液珠體積可以等于或小于通道寬度，液珠的尺寸是油相的流速Q(mào)o和水相與油相的流速比Qi/Qo的函數(shù)，液珠大小相對(duì)穩(wěn)定. 流速變大時(shí)，產(chǎn)生的液珠容易融合，最終形成兩相平行流.

為了提高液珠生成速度，HASHIMOTO等[14]在匯聚流的基礎(chǔ)上提出了多重匯聚流通道的方法，并對(duì)這種通道形成氣泡和液珠進(jìn)行了研究. 多重匯聚流的幾何圖形如圖11A所示，通道均為PDMS材質(zhì)，因此外相是油相，內(nèi)相是水相.

圖11A，B和C分別是單一匯聚流通道、雙重匯聚流通道和四重匯聚流通道. 液珠在3種通道中形成的圖像如圖12所示. 對(duì)于單一匯聚流通道，可以產(chǎn)生均一的液珠，液珠的大小隨分散相流速增大而增大，隨連續(xù)相流速增大而減小. 對(duì)于2個(gè)出口的雙重匯聚流通道，液珠的大小不隨2個(gè)通道之間的相互作用而改變，液珠大小仍然只與分散相和連續(xù)相的流速有關(guān). 通過(guò)控制兩相的流速，存在2種液珠形成模式：一種是2個(gè)孔道同時(shí)產(chǎn)生液珠，即in-phase mode，另一種是2個(gè)孔道輪流產(chǎn)生液珠，即out-phase mode. 在改變兩相流速的過(guò)程中，2種形式交替轉(zhuǎn)換，這種通道之間或合作或互補(bǔ)的作用不會(huì)影響液珠的大小. 對(duì)于4個(gè)出口的四重匯聚流通道，4個(gè)通道之間的相互作用會(huì)影響到液珠的大小，可分為外相2個(gè)通道和中間2個(gè)通道兩組，每組都可以形成大小均一的液珠，中間2個(gè)通道的液珠可以大于也可以小于外側(cè)2個(gè)通道的液珠. 與雙重匯聚流通道相同的是，也會(huì)出現(xiàn)in-phase mode 和out-phase mode 2種液珠形成模式. 而液珠的大小與通道之間的作用仍然沒(méi)有關(guān)系，只與兩相的流速有關(guān).

圖9 T型通道產(chǎn)生液珠的形貌與水油壓強(qiáng)比的關(guān)系(A)及水油壓強(qiáng)差與平均壓強(qiáng)的關(guān)系(B)

圖10 匯聚流通道(A)、匯聚流通道中產(chǎn)生的液珠(B)及不同水、油流速下液珠形成圖像(C)

圖11 多重匯聚流的幾何設(shè)計(jì)圖形

圖12 3種通道中液珠在不同流速下形成的圖像

1.4 階梯流通道(Step-flowing Device)

階梯型通道是指兩相流體在通過(guò)幾何結(jié)構(gòu)上存在階梯的通道時(shí)，由于界面張力的作用，內(nèi)相流體會(huì)被分割成微液珠單元. SHUI等[15]采用納米通道和微米通道幾何階梯制備了微納米液珠，其幾何結(jié)構(gòu)如圖13A所示. 圖13B顯示了兩相流體中的內(nèi)相在經(jīng)過(guò)納米通道到微米通道時(shí)，會(huì)自發(fā)產(chǎn)生微小的液珠. 圖13C顯示了液珠的大小和流體速度的關(guān)系，以及液珠大小和納米通道尺寸的關(guān)系.

圖13 階梯流的幾何結(jié)構(gòu)示意圖(A)、微液珠在納米和微米通道階梯上產(chǎn)生的情況(B)、階梯流中產(chǎn)生的液珠大小和流體速度及幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系(C)及內(nèi)相形成兩股液體頭同時(shí)產(chǎn)生液珠(D)

Figure 13 Schematic of step-flow device (A), the representative images show droplet created in step-flow devices (B), the relation of droplet size with flow rate and geometry (C) and the image showing droplet formation at the same time in two liquid filaments (D)

這種階梯流通道的作用原理主要是界面張力的作用，從圖13B可知，即使是在納米通道中形成的大液珠，在經(jīng)過(guò)階梯時(shí)仍然被分割成更微小的微液珠. 在流體速度較小時(shí)，界面張力起決定性作用，液珠的大小不隨流體速度變化，而只與通道的幾何尺寸相關(guān)；當(dāng)流速超過(guò)一定值以后，流體克服了界面張力，產(chǎn)生的液滴融合，最終形成兩相平行流. 這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可以同時(shí)產(chǎn)生單個(gè)、雙個(gè)甚至多個(gè)內(nèi)相液體線頭，因此可以像多重匯聚流一樣，如圖13D中2個(gè)液體頭同時(shí)產(chǎn)生微液珠，因此產(chǎn)生液滴的速度較快. 這種方法可以制備微米甚至納米尺寸的粒徑非常均勻的微液珠，納米級(jí)的液珠可以用于納米凝膠等研究領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣泛.

2 結(jié)論與展望

微流控方法可以精密的控制流體在微器件中的流動(dòng)，在兩相微流體體系中，可以將其中一相液體分割成單個(gè)的微小單元，每個(gè)液珠被另外一相包圍，不會(huì)相互污染，單元重復(fù)性好，因此可以廣泛用于微反應(yīng)器、功能液珠、功能顆粒和光學(xué)單元等的研究. 目前微流控制備微液珠的方法主要有共軸流通道、T型通道、匯聚流通道和階梯型通道等，微流控制備微液珠的主要工作原理是通過(guò)流體力或者界面張力控制流體通過(guò)特定的位置時(shí)，讓兩相互不相溶的流體相互作用，從而其中一相被分割成微液珠包埋在另一相中繼續(xù)流動(dòng). 這種在微流控系統(tǒng)中產(chǎn)生的微液珠大小可控(從幾百微米到幾十納米)，粒徑均勻(多分散性一般<5%)，具有樣品量小、精密可控、重復(fù)性好和混合速度快等特點(diǎn)，作為一種研究手段可以用于研究許多宏觀上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，必將對(duì)生物、化學(xué)、醫(yī)藥、能源等方面起到重要的推動(dòng)作用.

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Keywords： microfluidic; droplets; co-flowing; T-junction; flow-focusing; step-flowing

MicrofluidicsforMicro-andNano-DropletsCreation

SHUI Lingling*, ZHU Yunfei

(Electronic Paper Display Institute, South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

We report the typical methods of creating micro- and nano-droplets using microfluidic technology. By combining the fluidic manipulation and microchannel geometrical design, microfluidics can divide liquid into equal volume droplets. Microdroplets are composed of liquid, and their size, morphology and properties can be controlled and functionalized easily. This review summarizes the main microfluidic principles for creating functional microdroplets, including co-flowing, T-junction, flow-focusing and step-flowing.

2013-09-02

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(21303060)；華南師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金資助(2013KYJJ043)

*通訊作者:水玲玲，教授，國(guó)家“青年千人計(jì)劃”入選者，Email: shuill@scnu.edu.cn.

1000-5463(2013)06-0099-06

O363.2

A

10.6054/j.jscnun.2013.09.010

【中文責(zé)編：譚春林 英文責(zé)編：李海航】