数字微流控：微流体液滴和乳液科学

根据Christopher和Anna[1]的说法“微流体技术提供了一种产生高度均匀的液滴和气泡的有效方法，也是一种操纵下游运动的便利机制。这些功能导致了一些使用其他技术无法实现的新应用的开发”。在过去5年中，采用微流体的乳液科学领域发表了超过25%的已发表论文。数字微流控是微流体的主要应用领域之一。

微流体液滴的产生方法主要有被动或主动两种方法，大多数采用被动方法。在这里，我们主要学习被动方法，它们是基于流体的应用以使两种流体界面变形而产生微流体液滴。

微流体器件中产生微流体液滴的Z常见的几何形状是：

1、交叉流动，通常称为T型结（T-shaped junction或T-junction）

2、拉伸流动，通常称为流动聚焦（flow focusing）（使用交叉结/十字结，cross-junction），因为使用了通道的几何形状。

3、共轴流动（co-flowing）

两相流相遇的交叉点的几何形状，流速和流体的性质（表面张力，粘度等）决定了局部的应力，该局部应力使界面变形并导致液滴的产生。

在具有微流体的乳液科学中，液滴基本上是在两种不相混溶的流体流的交叉处形成的。在物理上，受Rayleigh-Plateau不稳定性控制的两相之间的界面张力的影响允许形成液滴。在乳液液滴上施加剪切应用可导致其伸长，然后破裂。这一观察结果使Taylor将毛细管数Ca定义为剪切应力对表面张力的比值。

向任何微流体液滴生成几何形状的交叉点处输送流体的方法主要有两种：注射泵和压力泵。我们将在这里描述液滴产生的常见方法：T-junction，流动聚焦和共轴流，然后凭借注射泵和压力泵在微流体中产生液滴。

T-junction是产生微流体液滴Z常见的一种几何形状，Z初由Thorsen等[2]人在2001年提出。微流体T型接头中液滴的形成通常定义如下：连续相流过通道，而分散相通过垂直于连续相通道的通道。

T-junction交界处有3种微流体液滴生成方式：

1、dripping regime

2、squeezing regime

3、jetting regime

T型结结构产生微流体液滴的三种方式可由一种优于剪切应力和表面张力的参数来定义，因此，squeezing regime是低毛细管数（Ca<0.01）的两相系统之一。对于大多数毛细管数，它适用于jetting regime。dripping regime涉及到中间毛细管数。T型结结构产生的微流体液滴也高度依赖于构成微流体通道的材料的润湿性质[3]。

Thorsen等[2]和Tice[4]等在数字微流控领域的参考工作表明，微流体液滴的分离与趋向于保持分散相在其通道中的表面张力和倾向于通过剪切应力分离微流体液滴的粘性力之间的竞争有关。从毛细管数值（也取决于微流体液滴的半径R）达到临界值的那一刻起，微流体液滴就会破裂。

Garstecki等[5]人的工作定义了低毛细管数下微流体液滴产生的行为。该行为以下列方式定义：在实验进行过程中，分散相倾向于堵塞主要通道，主通道中分散相的存在局部地降低了通道中的压力。当分散相上的压降变得太大时，微流体液滴发生分离。

在连续相流和两种不混溶流体之后的分散相在主通道中并排流动并破裂，液滴产SF生在两相流交叉点的远处。jetting regime可以产生较小的微流体液滴，但是，jetting regime并不容易获得，而且即使能够获得，其状态也不稳定。此外，当微流体液滴相对于微通道的直径变得非常小时，jetting system趋向于变得混乱[6]。

无论您使用何种工作模式，所形成的的微流体液滴的大小都与上述介绍的两相流的流速成比例。通常，微流体液滴在微流体通道的壁上完全不润湿是一种优先选择的情况。压力控制器对每个液相的流量控制可产生具有高水平单分散性的液滴。压电式微流体发生器是控制流量和液滴产生的Z有效的压力调节器，如果您想了解更多关于压力控制器的信息，请单击 此处。

（1）使用方便

（2）非常基本的几何形状（易于设计）

（3）非常常见的几何形状（文献中描述了许多这样的系统）

（1）难以形成微小的微流体液滴（小于通道尺寸）

（2）不灵活（液滴尺寸由通道尺寸定义）

T-junction产生的液滴：性能

（1）高通量液滴产生：>100Hz

（2）高度单分散性：尺寸分散性低至1%

（1）克服气泡扰动

（2）控制压力，使用流量传感器比使用注射泵能更精确地跟踪流速。

（3）使用微流控切换阀可以轻松的实现液滴运动与停止状态的控制

diyi个微加工的流动聚焦系统出现在2001年[7]，直到2003年，流动聚焦几何结构才被应用于微加工的平面几何结构中，以形成油中的微流体水滴（油包水液滴）[8]。微流体液滴的产生如下：将连续相引入两个侧通道中，并将分散相注入ZX通道。通常，连续相的两股流体包围分散相的流体，连续相流体与分散相流体不混溶。连续相的两股流体通过几何约束迫使微流体液滴形成。

流动聚焦几何形状的一个特征在于在微流体液滴形成期间可以观察到两相不混溶流体的变化，从而可以获得各种微流体液滴的大小，并且可以看到存在没有液滴形成的区域[8]。与T型结形状不同，流动聚焦几何形状产生的液滴没有简单的模型根据控制参数来预测微流体液滴的尺寸。另一方面，微流体液滴的产生频率通常相对较高，在kHz量级。然而，将jetting打破形成液滴通常会涉及到形成第二微流体液滴，其尺寸远低于主液滴尺寸，这种情况下产生的微液滴非常的不稳定，液滴尺寸难以控制。

几何微流体流动聚焦系统有两种变体：

（1）简单的交叉连接

（2）交叉连接后有一个收缩

利用该变体，所有三个液体流都被引导至变窄位置处，从而产生微流体液滴[8, 10]。分散相在两个相反的连续相之间拉伸。产生的共层流通过收缩部分，收缩部分将其细化成射流（jetting）并且在收缩部分或收缩部分外的微流体液滴中引发射流的破裂。根据实验装置的控制参数，没有简单的法则来估计液滴的尺寸、分布和产生速度。实际上，与T型接头相比，增加了其他参数：收缩的尺寸，微流体液滴收集通道的长度和宽度。

这种交叉连接几何形状中的微流体液滴形成以及两相流的影响在2008年便被进行了研究[9]。与T型结结构相比，T型结结构并没有被同化，我们认为只是添加了垂直通道而已。他们将流动聚焦变量和T型结接头之间的这些差异归因于T型结接头不对称而交叉结是对称的事实：通道壁被水/油界面取代。通道壁的影响在流动聚焦中受到限制，并且连续相的剪切力的影响增加。

具有收缩结构的微流体流动聚焦系统的几何变体是Z常用的。它可以更容易地获得微小体积的微流体液滴。除了微流体流动聚焦系统的两种几何变体之外，还有两种使用流动聚焦的微流体液滴方案：

（1）the dripping regime

（2）the jetting system

这两种模式之间的过渡取决于施加的流量和压力的强度，因此，其取决于毛细管数Ca和两相流速的比率。

在dripping模式下，微流体液滴在收缩处或非常接近收缩处破裂，并且破裂之后的界面保持在收缩区的相同位置。在该方案中，如果毛细管数非常高，则液滴的直径小于收缩的尺寸，并且微流体液滴的尺寸具有高度的单分散性。小毛细管数意味着乳液具有更大的多分散性[11]。随着毛细管数的增加，液滴直径减小，流量比减小。此外，此种模式还可以形成非常小的微流体液滴，即其尺寸远小于流动聚焦结中的通道尺寸。允许获得这些尺寸的微流体液滴技术称为流（tip-streaming）。流是液滴生成的一种方案，其中分散相的形状是尖的，并且非常小的微流体液滴从分离。

随着毛细管数的增加，会逐步的从dripping regime过渡到jetting regime。在该方案中，分散相沿着射流从孔口延伸的距离至少是收缩部分尺寸的三倍。这种射流的界面会有涟漪出现并且会逐步增多，直到其破裂成微流体液滴。产生的微流体液滴与射流的大小成比例。得到的微流体液滴大于dripping regime下获得的微流体液滴，并且尺寸更不均匀，因为在断裂后，界面的位置不固定[12]。

Z后，在与微流体液滴形成的相关工作中，您还应该考虑其他参数的影响。对于流动聚焦系统来说，表面活性剂的浓度在某些液滴生成模式中占据了非常重要的地位，这已经得到证实[13, 14]。这些研究证实，随着表面活性剂用量的增加，液滴尺寸减小。此外，分散相对通道壁的润湿性比T型结接头强烈影响射流形成和破裂动态的情况起着更为关键的作用。

（1）使用方便

（2）简单的几何形状

（3）易于获得微小液滴的体积

（4）灵活的液滴尺寸

（1）不可预知的液滴尺寸

（2）零散的伴随小液滴

（3）多分散性

流动聚焦微液滴：性能

亚微米微流体液滴

（1）克服气泡扰动

（2）压力控制器优于注射泵的优势在于跟踪液体的流速：使用流量传感器

（3）使用微流体阀可轻松实现微液滴的运行和停止状态的控制

这种基于同心微通道原理的液滴生成方法已于2000年首次实施[15]，这是微流体液滴合成中使用Z少的一种方法。它包括将分散相注入位于另一个具有Z大尺寸的微通道中间的ZY微通道中。分散相在Reyleigh-Plateau阶段变得不稳定并且会分裂成液滴，液滴的形成取决于含有分散相的微通道的直径[16, 17, 18]。

从浸入到连续共轴流液体中的毛细管的液滴破碎情况来看，破碎方式可以分成两种不同的方式：dripping，液滴在毛细管附近被夹断，以及jetting，液滴从毛细管延伸部分的螺纹下游被夹断[19]。当连续相速度增加到临界值以上时，就会发生从dripping到jetting模式的过渡。

液滴尺寸已被表征为控制参数的函数。通常，当连续相速度更快时，施加在界面上的较大剪切应力导致液滴的尺寸较小。液滴尺寸通常随着分散相流速的增加而增加。在夹断期间，新出现的液滴会继续填充，因此，较大的内部流速导致在夹断之前进入液滴的体积更大。

在实验中，随着连续相速度的增加，液滴直径单调减小。由于降低的抗破碎型，降低的界面张力会导致更大的液滴。另一方面，在大范围的连续相速度范围内，粘度比的变化对液滴尺寸几乎没有影响。

与流动聚焦的几何形状一样，使用共轴流方法可以产生亚微米的液滴。它也是流技术（tip-streaming technique），可以产生微小的液滴。Suryo和Basaran证明了这一过程的发生是由于成形液滴附近存在非线性拉伸流[20]。

（1）非常简单的几何形状

（2）易于获得微小的液滴

（1）将一根小毛细管插入到另一根毛细管中

（2）零散的杂碎极微小液滴

（3）微流体芯片上流体连接的设计

（4）死体积高（特别是连续相）

共轴流产生的液滴：性能

（1）高吞吐量的液滴生成：>10 kHz

（2）高度单分散性：尺寸多分散性<2%

（3）快速的液滴量切换

（1）克服气泡扰动

（2）压力控制：使用流量传感器比使用注射泵会更准确地了解液体流量

（3）使用微流体切换阀可轻松实现液滴的运行和停止状态的控制

[1] Christopher, G. F., and S. L. Anna. “Microfluidic methods for generating continuous droplet streams.” Journal of Physics D: Applied Physics 40.19 (2007): R319.

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