陈九生;蒋稼欢
【摘 要】微液滴技术因具有高通量两相分割分离能力,吸引众多不同领域研究者的关注.本文回顾了微流控液滴技术领域的一些基本技术思路,涉及微液滴的流控生成方法,包括水动力法、电动法、气动法、光控法等,以及液滴生成后的操控技术,如液滴定向位移、融合、裂分、混合、分选、捕获等,同时对这些方法作了简要评述.%The high-throughput two-phase partition ability of microdroplet technique attracts attentions from many researchers in many fields. This paper reviews main methods currently developed for microdroplet formation, including hydrodynamic method, pneumatic pressure method, optic-driven method, and also the microfluidic techniques for microdroplet manipulation, such as splitting, coalescence, mixing, sorting, trapping and droplet position control. Also, these methods are briefly reviewed.
【期刊名称】铝合金切削油《分析化学》
【年(卷),期】2012(040)008
【总页数】8页(P1293-1300)
【关键词】微流控;微液滴;生成;操控;综述
【作 者】陈九生;蒋稼欢
【作者单位】重庆大学生物工程学院生物流变科学与技术教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学生物工程学院生物流变科学与技术教育部重点实验室,重庆400044
【正文语种】中 文
微液滴技术是在微尺度通道内，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作用将连续流体分割分离成离散的纳升级及以下体积的液滴的一种微纳技术。它是近年来发展起来的一种全新的操纵微小液体体积的技术[1]。迄今为止，文献中报道的微液滴类型主要有气-液相液滴和液-液相液滴两种。气-液相液滴由于容易在微通道中挥发和造成交叉污染而限制了其应用。液-液相液滴根据连续相和分散相的不同又分为水包油(O/W)，油包水(W/O)，油包水包油(O/W/O)以及水包油包水(W/O/W)等，可以克服液滴挥发、交叉污染等缺点，因而是微流控液滴技术发展的侧重所在，也是本文关注的重点。液-液相微液滴由于体积小、液滴 样品间无扩散、可避免样品间的交叉污染、反应条件稳定、适当操控下可实现迅速混合等优点，是一种十分理想的微反应器，已经被用于化学和生命科学等领域研究微尺度条件下众多的反应及其过程[2]。如:化学合成[3～8]、微萃取[9～11]、蛋白质结晶[2,12～15]、酶合成及其活性分析[16,17]、细胞包埋[18,19]、液滴PCR[20,21]等。近年有文献对微液滴生成与控制的物理动力学过程[22]、微液滴操控[23～25]以及微液滴的应用方面做了综述[26～31]，本文将着重综述液滴生成及操控方面的进展，并对此作出展望。
微液滴的生成，其主要过程是如何施以足够大的作用力以扰动连续相与分散相之间存在的界面张力使之达到失稳。通常，当待分散相某处施加的力大于其界面张力时，该处微量液体会突破界面张力进入连续相中形成液滴。在微尺度下，界面张力和粘性都起着非常重要的作用。通常引入毛细管数Ca这一重要的动力学常数，Ca=μU/γ，即:体系粘性力与界面张力的比，其中μ表示连续相粘度，U表示连续相流体速度，γ表示两相之间的界面张力。在低毛细管数下，界面张力占据主要地位，液滴在传输过程中趋于形成球形来减少液滴的表面积。相反，在毛细管数较大时，粘度起主要作用，液滴在传输过程中容易变形，拉伸成不对称形状。另外，微流控通道内壁的亲水疏水性对生成O/W或W/O液滴也有影响，疏水性微通道有利于生成W/O液滴，而亲水性通道有助于生成O/W液滴。通常对聚合物如聚二
甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane;PDMS)作为基底材料的微通道进行氧等离子处理，可以改变通道的亲疏水性质。在两不溶相中加入表面活性剂也有助于获得O/W和W/O液滴。到目前为止，文献中通常采取以下技术途径来实现微流控液滴的生成。
2.1 水动力法
2.1.1 T型通道法(T-junctions) T型通道法是利用两微通道交叉处的几何特点，使待分散相流体的前沿在该交叉处转弯时在连续相剪切力推动下造成的动量变化而失稳，生成液滴(图1A)。Thorsen等[32]率先报道采用T型通道法生成液滴。当连续相施加的剪切力把分散相剪切成液滴时，液滴的大小取决于施加在连续相的剪切力与拉普拉斯力。因此，可利用这两种力之间的关系预测液滴的大小[32]:
其中，R是液滴的半径，σ是油水界面的界面张力，μ是连续相粘度，ε是剪切率。不过这种模型没有经过严格的论证。后来，Whitesides等［33］详细研究了T型通道法液滴生成的机理，并认为在T型微通道中，处于低Ca的分散相进入连续相被剪切分割形成液滴时，两相之间的压力差起主要作用，液滴的大小仅与两不溶相的流量比有关。可以用以下方程式来表示:
L是液滴沿通道纵向的长度，w是微通道的宽度，Qin/Qout是分散相与连续相的流速比，α是一个拟合常数，与通道的几何尺寸有关。后来，有进一步的研究表明，液滴的形成不仅跟两不溶相的流量比有关，还与毛细管数以及通道的几何尺寸比有关［34，35］。Baroud等［22］根据连续相通道和分散相通道几何尺寸的比值x=w in/w out以及连续相和分散相流速比的不同，将液滴生成分为3种模式:第一种是滴流模式(Dripping regime)，x≤1且毛细管数Ca足够大，在这种模式下，液滴形成完全是靠剪切力的作用。第二种是挤压模式(Squeezing regime)，x=1且毛细管数足够小。在此种情形下液滴逐渐长大并且会阻碍液滴上游连续相的流动，致使液滴上游通道的压力增大、液滴颈部变窄，最后夹断成独立的液滴。第三种模式，当分散相流速大于连续相流速时，分散相流体和连续相流体形成并行的层流。
由于简单易制，液滴生成过程的机理研究较为详细深入。因此，T型通道是微液滴技术的一种基本技术构型。现在，人们已经在单一的T型通道构型基础上，发展出双T型通道或多T型通道构型，甚至在T型通道上整合微泵/微阀装置。例如，Zeng等［36］在T型通道上整合气动泵微阀，通过控制微阀开/关的时间就能准确地控制液滴的尺寸。这类技术措施的发展，有助于T型通道法微液滴生成系统的缩微集成，也有助于液滴的按需生成。
2.1.2 流动聚焦法(Flow focusing) 人们在T型法(利用交叉处连续相通道一侧对分散相流体前沿部分施加作用力)的基础上，发展出流动聚焦法。流动聚焦法是使连续相流体从交叉处两侧来“挤压”分散相流体前沿，并利用液体前沿下游处通道的“颈状”结构，使该分散相流体前沿发生收缩变形而失稳，从而形成离散液滴。如图1B所示，液滴产生过程分为3个阶段[37]:(1)分散相与连续相在交叉处形成界面并向A位置及下游流动;(2)分散相在A位置处几何结构的协调制约下和连续相压力作用下形成一个“收缩颈”;(3)不断增加的“挤压”力梯度使“收缩颈”前端液体完全“失稳”，从而形成单个液滴。显然，从几何上，这种从两侧起“挤压”作用的通道结构，也可以看作为从“T型交叉”衍生而成的“十字交叉”，而A位置处的“颈状”几何结构设置则更有利于助推此处分散相流体的失稳。
防水牛津布Anna[38]和Dreyfus[39]等率先报道了流动聚焦法生成液滴。他们认为，液滴的大小与油水两相的流量和收缩颈的尺寸有关(图1B中的A)。2004年，Garstecki等[40]利用流动聚焦法生成了10～1000μm大小的气泡，推导出气泡体积Vb与分散相流体流速v，粘度μ以及气相压力p之间满足以下的关系:
并进一步证实了这一关系［37］。
水箅
人脸识别门2.1.3 共流聚焦法(Co-flow ing) 共流聚焦法是利用在微通道内嵌入一个毛细管，在毛细管内和微通道内分别通入分散相和连续相的一种方法。和流动聚焦法不同的是，共流聚焦法微流控通道没有“颈状”结构，连续相不是从两侧“挤压”分散相，而是环绕分散相“挤压”(图1C)形成“收缩颈”，使分散相流体前端“失稳”，从而生成液滴。
Cramer等[41]首次报道了使用共流聚焦法生成液滴的例子。他们发现，通过共流聚焦法生成液滴存在两种不同的机理，一种是像水滴一样在毛细管端形成——滴流原理(Dripping)，另一种是呈喷射状——喷射原理(Jetting)。这两种机理之间存在一个转换点:在滴流区，液滴的大小随着连续相流速的增加而减小。当液滴的直径约等于毛细管内径时，突然转变成第二种机理[42]。这是因为分散相的流速相对较低时，表面张力起主要作用，液滴形成呈现第一种模式;分散相流速足够大时，分散相流体的惯性力大于表面张力，惯性力起主要作用，液滴形成依靠第二种横式。同时，Cramer等[41]还研究了连续相流速、分散相流速、分散相粘度以及界面张力对液滴形成的影响。他们发现，液滴形成速率和液滴大小不仅与材料的性质有关，而且与过程参数也有关系。随着连续相的流速增加，液滴产生速率加快，液滴半径减小。可以用一个公式来预测液滴的半径:
