本發(fā)明涉及一種合成單分散微乳液滴的新型微流控芯片，具體涉及一種廣泛適用于材料學(xué)、生物科學(xué)和醫(yī)藥工程等領(lǐng)域，基于流動(dòng)聚焦型微通道合成單/復(fù)乳液滴的微流控芯片。

背景技術(shù)：

微流控技術(shù)是在幾十到幾百微米尺度的通道結(jié)構(gòu)中，處理和操縱納升甚至皮升(10^-9～10^-12L)體積流體的一種新興科學(xué)技術(shù)。其中，微液滴技術(shù)是在微流控芯片上發(fā)展起來的一種全新的操縱微小體積液體的技術(shù)，它利用流動(dòng)剪切力與表面張力之間的相互作用實(shí)現(xiàn)對(duì)微尺度液滴的構(gòu)建和精確控制。微液滴最常見的應(yīng)用是作為微反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)生化反應(yīng)、試劑快速混合以及微顆粒合成等，極大程度地強(qiáng)化了微流控芯片的低消耗、自動(dòng)化和高通量等優(yōu)點(diǎn)。因此，如何便捷高效地合成大量具有較高均一度和單分散度的微乳液滴成為限制其應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)。

微乳液滴的傳統(tǒng)合成方法包括：高速攪拌法、膜乳化法和界面聚合法等，它們通常需要多級(jí)處理和特定的乳液合成配方，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)乳液滴殼層厚度或內(nèi)部腔室結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。并且引入的剪切力可變性高，致使合成微粒的尺寸、形態(tài)差異較大且單分散度有限。相比而言，微流控法作為一種新型、穩(wěn)健的液滴合成方法，不僅有效克服了上述方法的不足，同時(shí)在合成結(jié)構(gòu)、形貌、粒徑和均一度精確可控的微乳滴方面表現(xiàn)出極大的靈活性。

常見的被動(dòng)式液滴生成裝置有T型通道、Y型通道和流動(dòng)聚焦型微通道等。相比T型和Y型通道結(jié)構(gòu)而言，流動(dòng)聚焦作為一種新型的液滴生成方式，更能方便、高效地獲得均勻度好且大小可調(diào)的微液滴。其原理為從毛細(xì)管流出的流體由另一種高速運(yùn)動(dòng)的流體驅(qū)動(dòng)，經(jīng)小孔聚焦后形成穩(wěn)定的錐形，在錐的頂端產(chǎn)生一股微射流穿過小孔，射流因不穩(wěn)定性破碎成單分散性的微滴。該技術(shù)穩(wěn)定、易操作、適用范圍廣泛、沒有苛刻的環(huán)境條件，可以用來制備微米量級(jí)甚至數(shù)百納米量級(jí)的液滴、氣泡、顆粒和膠囊等微粒子，在科技領(lǐng)域和工程實(shí)際中均有重要的應(yīng)用價(jià)值。但目前利用微流控芯片技術(shù)合成結(jié)構(gòu)形貌精確可控的單分散性單/復(fù)乳液滴的研究還較缺乏，其實(shí)際應(yīng)用和推廣還有待于加強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于上述微乳液滴合成技術(shù)的缺陷和不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于流動(dòng)聚焦型微通道合成單/復(fù)乳液滴的微流控芯片及其具體合成過程。以實(shí)現(xiàn)對(duì)合成微乳液滴結(jié)構(gòu)、形貌等的精確調(diào)控。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

基于流動(dòng)聚焦型微通道合成微乳液滴的微流控芯片，其特征在于：該微流控芯片由主固體結(jié)構(gòu)層和底板層構(gòu)成，主固體結(jié)構(gòu)層為集成有流動(dòng)聚焦型通道結(jié)構(gòu)的基板通道層；主固體結(jié)構(gòu)層和底板層之間通過等離子鍵合的方式連接，底板層位于主體固體結(jié)構(gòu)的下方，用以支撐芯片主體結(jié)構(gòu)并提供液體流動(dòng)的空間。

與上述微流控芯片配合使用的微流控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其裝配方式如下：包括驅(qū)動(dòng)電源、微流控芯片、微泵、注射器、聚四氟乙烯毛細(xì)管、支架和液滴收集燒杯。驅(qū)動(dòng)電源與微泵連接，驅(qū)動(dòng)電源用于給微泵供電；微泵、微流控芯片和注射器均設(shè)置在支架上，微泵和注射器連接，用于為微流控芯片泵入溶液；注射器和微流控芯片之間通過聚四氟乙烯毛細(xì)管連接，在微流控芯片的出口端設(shè)置有液滴收集燒杯，用于收集生成的微乳液滴。

本發(fā)明涉及的基于流動(dòng)聚焦型微通道合成單乳液滴的微流控芯片的結(jié)構(gòu)如下：離散相入口1設(shè)置在離散相入口通道8的入口端，兩者連接后形成提供離散相液體流動(dòng)的空間；連續(xù)相上側(cè)入口2、連續(xù)相下側(cè)入口3分別設(shè)置在連續(xù)相上側(cè)通道9、連續(xù)相下側(cè)通道10的入口端，整體相連后形成提供連續(xù)相液體流動(dòng)的空間。

連續(xù)相上側(cè)通道9、連續(xù)相下側(cè)通道10、離散相入口通道8、主通道11構(gòu)成流動(dòng)聚焦型微通道結(jié)構(gòu)的主體，整體呈高度對(duì)稱的十字交叉結(jié)構(gòu)。離散相入口通道8和主通道11沿同一水平線方向，連續(xù)相上側(cè)通道9、連續(xù)相下側(cè)通道10沿同一豎直方向。主通道11的入口端通過縮頸孔7與離散相入口通道8的出口端相連；出口4設(shè)置在主通道11的出口端。

主通道11的入口端為開放式結(jié)構(gòu)，此開放式結(jié)構(gòu)為沿離散相入口通道8、主通道11方向進(jìn)行的擴(kuò)角，該擴(kuò)角為30°-60°；生成的液滴后沿主通道11流動(dòng)，從通道下游的出口4流出并進(jìn)入預(yù)先設(shè)計(jì)好的液滴收集燒杯12中。

本發(fā)明涉及的基于流動(dòng)聚焦型微通道合成復(fù)乳液滴的微流控芯片的結(jié)構(gòu)如下：離散相入口1設(shè)置在離散相入口通道8的入口端，兩者連接后形成提供離散相液體流動(dòng)的空間；第一連續(xù)相上側(cè)入口2.1、第一連續(xù)相下側(cè)入口3.1分別設(shè)置在第一連續(xù)相上側(cè)通道9.1、第一連續(xù)相下側(cè)通道10.1的入口端，整體相連后形成提供第一連續(xù)相液體流動(dòng)的空間。第二連續(xù)相上側(cè)入口2.2、第二連續(xù)相下側(cè)入口3.2分別設(shè)置在第二連續(xù)相上側(cè)通道9.2、第二連續(xù)相下側(cè)通道10.2的入口端，整體相連后形成提供第二連續(xù)相液體流動(dòng)的空間。

本發(fā)明涉及的合成復(fù)乳液滴的微流控芯片的主體包含兩個(gè)連續(xù)的流動(dòng)聚焦型結(jié)構(gòu)：第一個(gè)流動(dòng)聚焦型結(jié)構(gòu)與基于流動(dòng)聚焦型微通道合成單乳液滴的微流控芯片類似，由離散相入口通道8、第一連續(xù)相上側(cè)通道9.1、第一連續(xù)相下側(cè)通道10.1和第一主通道11.1構(gòu)成高度對(duì)稱的十字交叉結(jié)構(gòu)，離散相入口通道8、第一主通道11.1沿同一水平方向，第一連續(xù)相上側(cè)通道9.1、第一連續(xù)相下側(cè)通道10.1沿同一豎直方向。第一主通道11.1的入口端通過第一縮頸孔7.1與離散相入口通道8的出口端相連。

第二個(gè)流動(dòng)聚焦型結(jié)構(gòu)由第一主通道11.1、第二連續(xù)相上側(cè)通道9.2、第二連續(xù)相下側(cè)通道10.2、第二主通道11.2構(gòu)成，整體呈三叉戟結(jié)構(gòu)。第一主通道11.1、第二主通道11.2沿同一水平線方向，第二連續(xù)相上側(cè)通道9.2、第二連續(xù)相下側(cè)通道10.2對(duì)稱并斜向分布于水平方向的第一主通道11.1的兩側(cè)，第二連續(xù)相上側(cè)通道9.2、第二連續(xù)相下側(cè)通道10.2與第一主通道11.1之間的夾角為30°-90°，該結(jié)構(gòu)用于弱化第二連續(xù)相對(duì)液核的剪切作用，避免破乳。

第二主通道11.2的入口端為開放式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為沿同一水平線方向的第一主通道11.1、第二主通道11.2方向進(jìn)行的擴(kuò)角，該擴(kuò)角為30°-60°。第一主通道11.1的出口端和第二主通道11.2的入口端之間通過第二縮頸孔7.2相連接，出口4設(shè)置在第二主通道11.2的出口端。

該微流控芯片共包含兩個(gè)獨(dú)立的縮頸孔結(jié)構(gòu)：其中，第一縮頸孔7.1用于生成核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)乳液滴的內(nèi)核，第二縮頸孔7.2用于生成復(fù)乳液滴的外殼。通過修飾用于生成內(nèi)部液核和外部殼層的微通道壁面的親疏水性，實(shí)現(xiàn)O/W/O型或W/O/W型核-殼型復(fù)乳液滴的生成。生成的微液滴沿第二主通道11.2流動(dòng)，從通道下游的出口4流出并進(jìn)入預(yù)先設(shè)計(jì)好的液滴收集燒杯12中。

縮頸孔7、第一縮頸孔7.1、第二縮頸孔7.2的截面形狀均為正方形，連續(xù)相液體在縮頸孔處對(duì)離散相流體產(chǎn)生夾流聚焦的效果。在縮頸孔出口端設(shè)置的開放式結(jié)構(gòu)有助于使縮頸孔處的壓力得到快速釋放，使連續(xù)相產(chǎn)生的剪切力得到增強(qiáng)，從而更有利其對(duì)于離散相的擠壓和斷裂，使整個(gè)微流控芯片通道內(nèi)部的壓力狀況更穩(wěn)定，生成的液滴更為均一。

微流控芯片的材料為PMDS(polydimethylsiloxane)。

本發(fā)明的微流控芯片具有如下顯著優(yōu)勢(shì)：

1、流動(dòng)聚焦型通道結(jié)構(gòu)的引入使得生成的微乳液滴的粒徑均一度和單分散度更高，合成的微乳液滴尺寸規(guī)格更小，更易于實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控。

2、在流動(dòng)聚焦型微通道的縮頸孔和主通道的連接處設(shè)置有開放式結(jié)構(gòu)，有助于縮孔處的壓力快速得到釋放，讓連續(xù)相產(chǎn)生的剪切力在一定程度上得到增強(qiáng)，整個(gè)通道內(nèi)部的壓力狀況更穩(wěn)定，生成的液滴更為均一。

3、在合成單乳液滴時(shí)，通過改變連續(xù)相和離散相的流量比能實(shí)現(xiàn)對(duì)微乳液滴粒徑大小的精確調(diào)控。在合成復(fù)乳液滴時(shí)，通過調(diào)節(jié)離散相與第一連續(xù)相、第二連續(xù)相的流量比實(shí)現(xiàn)對(duì)合成復(fù)乳液滴內(nèi)部液核大小以及外部殼層厚度等的精確可控調(diào)節(jié)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的合成單乳液滴微流控裝置的工作過程示意圖。

圖2是本發(fā)明的合成單乳液滴的微流控芯片的三維總體輪廓封裝圖。

圖3是本發(fā)明的合成復(fù)乳液滴微流控裝置的工作過程示意圖。

圖4是本發(fā)明的合成復(fù)乳液滴的微流控芯片的三維總體輪廓封裝圖。

圖1，2中：1、離散相入口，2、連續(xù)相上側(cè)入口，3、連續(xù)相下側(cè)入口，4、出口，5、主體固體結(jié)構(gòu)，6、底板，7、縮頸孔，8、離散相通道，9、連續(xù)相上側(cè)通道，10、連續(xù)相下側(cè)通道，11、主通道，12、液滴收集燒杯。

圖3，4中：1、離散相入口，2.1、第一連續(xù)相上側(cè)入口，3.1、第一連續(xù)相下側(cè)入口，2.2、第二連續(xù)相上側(cè)入口，3.2、第二連續(xù)相下側(cè)入口，4、出口，5、主體固體結(jié)構(gòu)，6、底板，7.1、第一縮頸孔，7.2、第二縮頸孔，8、離散相通道，9.1、第一連續(xù)相上側(cè)通道，10.1、第一連續(xù)相下側(cè)通道，9.2、第二連續(xù)相上側(cè)通道，10.2、第二連續(xù)相下側(cè)通道，11.1、第一主通道，11.2、第二主通道，12、液滴收集燒杯。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合結(jié)構(gòu)附圖對(duì)本發(fā)明中基于流動(dòng)聚焦型微通道合成單、復(fù)乳液滴的過程及方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施實(shí)例1：

微流控法合成W/O型單乳液滴

(1)按照?qǐng)D2所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行微流控芯片的設(shè)計(jì)和制作。其具體操作過程如下：通過繪圖軟件繪制出所需的通道結(jié)構(gòu)，用于制作基礎(chǔ)模板，后利用軟刻蝕的方法在硅板上制備微流控芯片用的陽極模板，此模板設(shè)計(jì)有兩個(gè)連續(xù)油相入口，一個(gè)離散水相入口和一個(gè)出口。再將聚二甲基硅氧烷(PDMS)液態(tài)聚合物攪拌均勻后倒入制備好的微流控芯片的陽極模板上，后在65℃下抽真空，同時(shí)加熱6小時(shí)待PDMS液態(tài)聚合物完全固化后，脫模并用打孔器在各通道的入口處打孔，之后將主固體結(jié)構(gòu)和底板通過等離子體鍵合，制備出密封性完好的微流控芯片，以待進(jìn)行后續(xù)微流控系統(tǒng)的搭建。

(2)微流控法合成W/O型單乳液滴的具體操作過程。圖1為本發(fā)明搭建的用于合成單乳液滴的裝置示意圖。驅(qū)動(dòng)電源為微泵1、微泵2、微泵3提供動(dòng)力源，將注射器中的兩相液體以一定流量比通過聚四氟乙烯毛細(xì)管注入與之相連的兩相入口通道中，實(shí)現(xiàn)按照預(yù)設(shè)的兩相流量比對(duì)合成微乳液滴尺寸大小的調(diào)節(jié)。離散水相受到上、下兩側(cè)連續(xù)油相的剪切力作用，并在縮頸孔結(jié)構(gòu)7處斷裂形成大小均一的W/O型單乳液滴，后沿主通道11流入下游的出口4，并沿聚四氟乙烯毛細(xì)管流入預(yù)設(shè)的液滴收集燒杯12中，實(shí)現(xiàn)對(duì)合成微乳液滴的收集。在本實(shí)施實(shí)例中如果將離散水相換成能合成無機(jī)物、水凝膠、聚合物材料的前驅(qū)體溶液，則采用該套實(shí)驗(yàn)裝置能合成對(duì)應(yīng)顆粒材料的前驅(qū)體微乳液滴，后經(jīng)過合適的手段進(jìn)行固化，便得到大小均一、形貌可控的微顆粒材料。

實(shí)施實(shí)例2：

微流控法合成O/W/O型復(fù)乳液滴

(1)按照?qǐng)D4所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行微流控芯片的設(shè)計(jì)和制作。其具體操作過程與上述實(shí)施實(shí)例1中微流控芯片的制備基本相同。唯一的區(qū)別在于主固體通道結(jié)構(gòu)與合成單乳液滴的不同。隨后將制備出的微流控芯片用于后續(xù)微流控系統(tǒng)的搭建。

(2)微流控法合成O/W/O型復(fù)乳液滴的具體操作過程。圖3為本發(fā)明搭建的用于合成復(fù)液滴的裝置示意圖。驅(qū)動(dòng)電源為微泵1、微泵2、微泵3、微泵4、微泵5提供動(dòng)力源，將注射器中的離散水相、連續(xù)油相1、連續(xù)油相2以一定的流量比通過聚四氟乙烯毛細(xì)管分別注入與之相連的離散水相的通道入口1、連續(xù)油相1的第一連續(xù)相上側(cè)入口2.1、第一連續(xù)相下側(cè)入口3.1以及連續(xù)油相2的第二連續(xù)相上側(cè)入口2.2、第二連續(xù)相下側(cè)入口3.2中，通過調(diào)節(jié)離散水相與連續(xù)油相1、連續(xù)油相2的流量比實(shí)現(xiàn)對(duì)合成的核-殼型復(fù)乳液滴內(nèi)部液核大小以及外部殼層厚度的精確可控調(diào)節(jié)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包含兩個(gè)連續(xù)的流動(dòng)聚焦型通道結(jié)構(gòu)。其中，第一個(gè)流動(dòng)聚焦型通道結(jié)構(gòu)中離散水相受到上、下兩側(cè)的連續(xù)油相1的夾流聚焦作用，生成W/O型液核。包含內(nèi)部液核的連續(xù)油相1的流柱沿第一主通道11.1進(jìn)入第二個(gè)流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu)后，受到連續(xù)油相2的進(jìn)一步剪切作用，形成O/W/O型復(fù)乳液滴，后隨聚四氟乙烯毛細(xì)管流入預(yù)設(shè)的液滴收集燒杯12中，實(shí)現(xiàn)對(duì)合成的O/W/O型復(fù)乳液滴的收集。

在本實(shí)施實(shí)例中通過改變離散水相、連續(xù)油相1和連續(xù)油相2三者的流量比能實(shí)現(xiàn)對(duì)合成復(fù)乳液滴內(nèi)部液核尺寸和外部殼層厚度的精確調(diào)控。另外，如果引入多個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)聚焦型微通道結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的復(fù)乳液滴的精確可控生成(例如：包含多個(gè)內(nèi)核或外殼或包含不同組分的內(nèi)核或外殼的復(fù)乳液滴的合成)。同樣的，如果將離散水相、連續(xù)油相換成適于合成無機(jī)物、水凝膠、聚合物材料的前驅(qū)體溶液，則采用類似的實(shí)驗(yàn)裝置能合成對(duì)應(yīng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)微粒，用于顆粒材料合成、生物科學(xué)和醫(yī)藥工程等領(lǐng)域。