王蒙 朱麗 肖納 季成煒

摘 要 ：構(gòu)建了一種基于微型接頭組合毛細(xì)管的微流控芯片用于雙核液滴的制備。T型微流控芯片由T型接頭及玻璃毛細(xì)管組合而成。此微流控芯片可生成高通量、高均勻度的液滴，且無(wú)需對(duì)通道進(jìn)行疏水或親水化處理即可生成水包油型（O/W）或油包水型（W/O）液滴，芯片可重復(fù)利用，可靠性高。利用COMSOL建立三維仿真模型，對(duì)T型接頭內(nèi)部圓截面通道生成液滴過(guò)程進(jìn)行了仿真。采用T型微流控芯片，通過(guò)改變連續(xù)相流量及分散相流量，得到了高通量、高均勻度的W/O型液滴。十字型微流控芯片由十字型接頭及玻璃毛細(xì)管組合而成，利用十字型微流控芯片生成了兩種不同顏色排列的W/O型液滴。在此基礎(chǔ)上，利用十字型T型組合微流控芯片，通過(guò)調(diào)節(jié)外相流體流量對(duì)雙色液滴進(jìn)行包裹，制備得到水包油包水型（W/O/W）雙核液滴。本研究提供了一種無(wú)需專業(yè)設(shè)備即可在短時(shí)間內(nèi)簡(jiǎn)便、低成本地生產(chǎn)雙核液滴的方法。

關(guān)鍵詞 ：微流控芯片; 雙核液滴; COMSOL仿真

1 引 言

微流控芯片液滴作為微流控技術(shù)的重要部分，是一種用于精確操作大量或少量小體積液體的技術(shù)[1]。微流控芯片液滴制備技術(shù)能解決傳統(tǒng)流體技術(shù)用量大、容易交叉污染、設(shè)備復(fù)雜等缺陷[2]，在DNA雜交[3]、細(xì)胞激活[4]、微反應(yīng)[5]等一些要求快速反應(yīng)的生物學(xué)及化學(xué)過(guò)程中顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程中需要大量反應(yīng)物，混合時(shí)間長(zhǎng)，只能從宏觀進(jìn)行操作及觀察實(shí)驗(yàn)。微液滴技術(shù)只需少量液體即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，極大地突破了宏觀設(shè)備的極限，具有混合效率高、混合時(shí)間短、能耗少、易于控制、傳質(zhì)及傳熱性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易與其它功能單元集成等特點(diǎn)[6～8]。

單一的微液滴制備技術(shù)往往難以滿足微流控的實(shí)際應(yīng)用需求，因此發(fā)展多樣化復(fù)合液滴生成技術(shù)至關(guān)重要。雙核液滴是基于微液滴生成技術(shù)，利用微流控芯片發(fā)展起來(lái)的利用不同流體生成的復(fù)合液滴[9]。目前，制備雙核液滴的微流控芯片有主要兩種，一種是用基于T型通道法來(lái)生成雙核液滴[0]，主要利用光刻、軟光刻、倒模、壓印、微機(jī)加工、刻蝕等手段加工微流控芯片[1]，但此方法加工周期長(zhǎng)，生產(chǎn)需要專業(yè)設(shè)備及環(huán)境，成本相對(duì)較高[2]。Nisisako等[3]設(shè)計(jì)了一種由親水性玻璃加工而成的雙T型結(jié)構(gòu)微液滴芯片，并生成了油包水包油型（O/W/O）、W/O/W型雙核液滴。另一種方法是基于共流聚焦法來(lái)生成雙核液滴，該芯片由玻璃毛細(xì)管組合而成[4]，此微流控芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但芯片在安裝過(guò)程中都由人工搭建完成，微流控芯片的精度低。Adams等[5]采用雙孔玻璃毛細(xì)管組成微液滴生成芯片，利用共流聚焦法成功制備了雙核、三核、四核液滴。Zhao等[6]利用玻璃毛細(xì)管構(gòu)成微流控芯片生成棒狀雙核液滴。由于PDMS改性困難，且改性后時(shí)效性短，無(wú)法作為生成多核液滴的有效手段[7]。而對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或玻璃精加工可達(dá)到制造多核液滴微流控芯片的目的，此種微流控芯片需對(duì)通道進(jìn)行局部改性處理，一般可通過(guò)相應(yīng)的涂層處理改變材質(zhì)的親水或疏水性，以制備多核液滴。因此，多核液滴的生成往往采用玻璃毛細(xì)管組成微流控芯片。

近年來(lái)，雖然開(kāi)發(fā)了大量多樣化的復(fù)合液滴生成方式， 然而現(xiàn)階段雙核液滴制備技術(shù)主要基于共流聚焦法，利用玻璃毛細(xì)管組裝微流控芯片制備多核液滴， 而對(duì)于其它結(jié)構(gòu)和方法生成雙核液滴的研究仍鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究基于微流控技術(shù)，結(jié)合COMSOL軟件對(duì)微液滴生成過(guò)程進(jìn)行仿真，進(jìn)而采用十字型T型組合毛細(xì)管構(gòu)建微流控芯片，制備W/O/W型雙核液滴。

2 仿真

2.1 仿真條件的設(shè)置

微液滴生成的部件結(jié)構(gòu)主要基于T型圓截面通道結(jié)構(gòu)，由相互垂直的圓形截面微通道組成。連續(xù)相流體與分散相流體相互垂直，連續(xù)相流體在兩通道交匯處將分散相流體剪切形成單個(gè)液滴。

利用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)兩相流制備液滴的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析。仿真時(shí)，做如下假設(shè)：兩相流體均為不可壓縮流體，且流動(dòng)狀態(tài)均為層流; 仿真系統(tǒng)在20℃恒溫條件下進(jìn)行，且與外界無(wú)能量交換; 連續(xù)相流體密度為863.7 kg/m3， 粘度為0.023 Pa·s。分散相流體密度為1000 kg/m3， 粘度為0.001 Pa·s。通過(guò)“層流兩相流，水平集”耦合特征，可以便捷的設(shè)置所描述的問(wèn)題。在“層流”接口中建立動(dòng)量傳遞方程和連續(xù)性方程。在“水平集”接口中可以為水平集變量建立水平集方程。如圖1所示，T型幾何尺寸為1800 μm，內(nèi)徑為150 μm，連續(xù)相入口至交叉處距離為300 μm，液滴出口至交叉處距離為1350 μm。分散相通道長(zhǎng)度為450 μm。仿真時(shí)，網(wǎng)格均為物理控制網(wǎng)格，單元尺寸為細(xì)化。邊界條件主要有入口邊界條件、出口邊界條件以及壁面邊界條件。入口邊界條件：油相和水相入口均設(shè)置為速度入口; 出口邊界條件：壓力出口，且初始?jí)毫? Pa; 壁面邊界條件：壁面為潤(rùn)濕邊界，設(shè)θw=2π/3。 設(shè)分散相流量為Qd=2 μL/min，連續(xù)相流量為Qc=20 μL/min。

2.2 液滴生成過(guò)程分析

利用COMSOL Multiphysics 5.4有限元仿真軟件，仿真得出內(nèi)徑為150 μm的T型圓通道液滴生成過(guò)程， T型通道液滴的生成過(guò)程（圖2）主要分為液滴成長(zhǎng)和液滴分離兩個(gè)階段。本研究采用兩相界面的曲率Ka劃分這兩階段。T=0～0.042 s為液滴成長(zhǎng)階段（圖2A），分散相從支通道涌入主通道，與連續(xù)相接觸，并直接形成初始兩相交界面。隨著分散相不斷的涌入，液滴逐漸形成，在連續(xù)相粘性剪切力的作用下，液滴的前端開(kāi)始沿著主通道流向連續(xù)相下游方向，過(guò)程中液滴體積不斷增大，最后液滴達(dá)到一個(gè)臨界體積。如圖2B所示，兩相界面在拐角處的曲率Ka達(dá)到最小值，趨向于0。如圖2所示，t=0.050～0.051 s為液滴分離階段。液滴在液滴分離階段沿連續(xù)相流動(dòng)方向下游滑動(dòng)，液滴末端尺寸逐漸減小，由于連續(xù)相粘性剪切力使得分散相與液滴連接的頸部變得越來(lái)越細(xì)（見(jiàn)圖2C），拐角處的曲率Ka逐漸增大。分散相與液滴連接的頸部變得越來(lái)越細(xì)，如圖2D所示，直到頸部在連續(xù)相粘性剪切力和分散相液滴前后壓力差的共同作用下，達(dá)到T型通道交匯處下游拐角處被夾斷，最終分散相在主通道中脫離出來(lái)，形成一個(gè)液滴，如此循環(huán)往復(fù)，最終生成的液滴大小為132 μm。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 儀器與試劑

硼硅酸鹽玻璃毛細(xì)管（o.d. 0.6 mm×i.d. 1 mm、o.d. 0.6 mm×i.d. 0.4 mm， 上海欣鵬玻璃儀器有限公司）; Narishige MF900型煅針儀（日本成茂公司）; PUMP 11 ELITE注射泵（北京友誠(chéng)嘉業(yè)生物科技有限公司）; WHP02C注射泵（蘇州汶灝芯片科技有限公司）; RWD452注射泵（深圳瑞沃德生命科技有限公司）; 1 mL一次性注射器（湖南綠洲惠康發(fā)展有限公司）; Fastcam Mini UX100 高速攝像機(jī)（日本 Photron公司）; MicriTee P777微型四通、MicriTee P775微型三通（美國(guó) IDEX Health&science公司）。

內(nèi)相流體為蒸餾水（江蘇希之夢(mèng)商貿(mào)有限公司），中間相流體為液體石蠟（上海商璽偉康醫(yī)藥用品有限公司），外相流體為甘油水溶液（70%，V/V，粘度20 cP）; MJPE6800表面活性劑（上海銘杰化工科技有限公司），用于防止O/W液滴融合; Arlacel p135表面活性劑（英國(guó)禾大CRODA公司），用于防止W/O液滴融合; NC305涂料（常州納羅可涂料有限公司），用于對(duì)玻璃毛細(xì)管進(jìn)行疏水處理。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用Microtee P775型接頭進(jìn)行單液滴生成實(shí)驗(yàn)，Arlacel p135按3%（w/w）加入液體石蠟中，置于干燥箱， 100℃加熱5～7 min，取出，攪拌至常溫。液體石蠟溶液作為連續(xù)相備用，蒸餾水則作為分散相流體。玻璃毛細(xì)管（o.d. 0.6 mmtBi.d. 0.2 mm）分別作為連續(xù)相注入通道、分散相注入通道，用1200目磨砂紙打磨玻璃毛細(xì)管兩端。對(duì)一支o.d. 0.6 mm boltB i.d.0.2 mm玻璃毛細(xì)管進(jìn)行疏水化處理，作為液滴收集通道使用。在液滴收集通道放置經(jīng)過(guò)疏水處理的載玻片用于收集液滴。接頭由接頭主體、3個(gè)套筒和3個(gè)通孔螺帽組成，T型接頭和玻璃毛細(xì)管組裝成T型微流控芯片。分散相流體從豎直通道注入，連續(xù)相流體從水平通道注入，兩相流體在T型通道交匯處相遇形成兩相界面，連續(xù)相流體剪切分散相流體，最終生成W/O型液滴。

采用Microtee P777型接頭進(jìn)行雙液滴生成實(shí)驗(yàn)，接頭由接頭主體、4個(gè)套筒核和4個(gè)通孔螺帽組成。接頭內(nèi)部通道為內(nèi)徑為150 μm的圓形微通道，內(nèi)部微通道呈十字型結(jié)構(gòu)，十字型接頭和玻璃毛細(xì)管組裝成十字型微流控芯片，接頭一端水平接口接入經(jīng)疏水化處理的o.d. 0.6 mm×i.d. 0.2 mm玻璃毛細(xì)管，其它接口都接入o.d. 0.6 mmboltB i.d.0.2 mm玻璃毛細(xì)管。將液滴石蠟作為連續(xù)相流體，蒸餾水作為分散相流體。注入各相，得到W/O型雙液滴。

圖3為雙核液滴生成系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)由注射泵將內(nèi)相、中間相、外相流體注入微型四通、微型三通內(nèi)。通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)向流量Qi、中間相流量Qm、外相流量Qo參數(shù)生成W/O/W型雙核液滴。將蒸餾水作為內(nèi)相流體，液滴石蠟作為中間相流體，3%（w/w）的MJPE6800和70%（w/w）的甘油加入蒸餾水作為外相流體。經(jīng)疏水化的o.d. 0.6 mm×i.d. 0.2 mm玻璃毛細(xì)管作為連接十字型接頭和T型接頭的微通道，玻璃毛細(xì)管（o.d. 0.6 mm×i.d. 0.4 mm）作為雙核液滴收集管插入T型接頭。 在微型四通內(nèi)，中間相流體在十字結(jié)構(gòu)微通道交匯處剪切兩內(nèi)向流體，形成雙液滴。外相流體在T型結(jié)構(gòu)交匯處剪切中間相流體，生成W/O/W型雙核液滴。

4 結(jié)果與討論

4.1 單液滴制備實(shí)驗(yàn)結(jié)果

T型微流控芯片為PEEK材質(zhì)，此材質(zhì)不透明，無(wú)法觀察內(nèi)部通道和液滴生成情況。如圖4所示，當(dāng)液體石蠟作為連續(xù)相流體，流量不斷增大時(shí)，液滴的生成尺寸逐漸減小，連續(xù)相流量與液滴生成尺寸成負(fù)相關(guān)。如圖5所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到液滴尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于缺乏直接測(cè)量液滴頻率的儀器，采用間接法估算液滴生成頻率，聯(lián)立V=4πr3/3、D=2r、f=Qd/V三式即可得到液滴生成頻率。從曲線關(guān)系得知，在分散相流量不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)注射泵連續(xù)相流量的參數(shù)，使連續(xù)相流量逐漸增大，液滴生成尺寸逐漸減小，連續(xù)相流量與液滴生成尺寸成負(fù)相關(guān); 液滴生成頻率逐漸增大，連續(xù)相流量與液滴生成頻率成正相關(guān)。生成液滴的最大尺寸為250 μm，最小液滴為60 μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，T型微流控芯片可制備高通量、高均勻度的W/O型液滴。

4.2 不同分散相流量對(duì)液滴尺寸的影響

將液體石蠟作為連續(xù)相流體，蒸餾水作為分散相流體， 連續(xù)相流量固定為Qc=70 μL/min， 分散相流量逐漸增大。待液滴生成穩(wěn)定后，在玻璃毛細(xì)管出口處放置經(jīng)疏水化的載玻片，收集液滴并測(cè)量液滴大小， 記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如圖6所示，在連續(xù)相流量為Qc=70 μL/min情況下，調(diào)節(jié)分散相流量，隨著分散相流量的增加，液滴尺寸逐漸增大。如圖7所示，分散相流量與液滴尺寸成正相關(guān)， 生成最大液滴尺寸為240 μm，最小液滴尺寸為120 μm。

4.3 雙液滴制備

由于十字型微流控芯片為PEEK材質(zhì)，無(wú)法觀察通道內(nèi)部液滴生成情況，可通過(guò)收集液滴分析液滴生成情況。如圖8A所示，毛細(xì)管出口處有雙液滴，不同色的液滴尺寸均一，無(wú)其它微型液滴生成。

如圖8B所示，在低流量的情況下，無(wú)法生成雙液滴，此時(shí)在載玻片上得的液滴為純綠色單個(gè)液滴。

如圖8C所示，將兩相流量調(diào)至Qd=10 μL/min， Qc=70 μL/min時(shí)， 利用高速攝像機(jī)觀測(cè)液滴在收集管內(nèi)液滴流動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)液滴在收集管中是以兩顆液滴排列的順序流出玻璃毛細(xì)管，且兩顆液滴與相鄰兩顆液滴之間間距相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了雙核液滴生成過(guò)程是以一定周期生成，且雙核液滴彼此間距小，不融合。如圖8D所示，將兩相流量調(diào)至Qd=0.1 μL/min， Qc=2 μL/min時(shí)，利用攝像機(jī)觀察液滴在收集管內(nèi)流動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)液滴在收集管中以單顆綠色液滴的形式流出玻璃毛細(xì)管。推測(cè)藍(lán)色和黃色液滴在通道內(nèi)已融合生成單個(gè)液滴。結(jié)果表明，只有在高流量下，十字型接頭才能生成高均勻度的雙液滴; 在低流量下，雙液滴在生成過(guò)程中會(huì)發(fā)生融合現(xiàn)象，無(wú)法生成雙液滴，最終形成單個(gè)混合液滴。

如圖9所示，保持分散相流量不變，通過(guò)調(diào)節(jié)注射泵的連續(xù)相流量參數(shù)，使連續(xù)相流速逐漸增大，生成液滴尺寸逐漸減小。當(dāng)分散相流量為Qd=10 μL、連續(xù)相流量為Qc=70 μL/min時(shí)，比較T型微流控芯片生成W/O型液滴和十字型微流控芯片雙W/O型液滴尺寸，發(fā)現(xiàn)十字接頭生成的雙W/O型液滴比T型通道生成的W/O型液滴尺寸小20 μm。這是由于雙液滴生成過(guò)程中兩分散相流體與連續(xù)相流體共同作用下生成雙液滴。不同分散相的流動(dòng)對(duì)液滴生成過(guò)程有一定影響，分散相的數(shù)量增加，但主通道橫截面積不變，使得通道交匯處的流速變大，生成的液滴尺寸更小。隨著連續(xù)相流量增加，雙液滴尺寸逐漸減小，連續(xù)相流量與液滴尺寸成負(fù)相關(guān); 液滴生成頻率逐漸增大，液滴生成頻率與連續(xù)相流量呈正相關(guān)。這與單液滴生成實(shí)驗(yàn)規(guī)律相同。此十字型接頭生成液滴的最大尺寸為120 μm，最小液滴尺寸為60 μm。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，十字接頭生成液滴穩(wěn)定，能保持高通量、高均勻度的液滴生成。

4.4 雙核液滴制備

如圖3所示，本研究采用十字型T型接頭制備雙核液滴。內(nèi)相流體從豎直方向通道涌入進(jìn)入十字型接頭，中間相流體從水平方向通道涌入十字型接頭，中間相流體剪切內(nèi)相流體，在十字型接頭內(nèi)生成雙液滴。待穩(wěn)定生成雙液滴后，再將T型接頭接入十字型接頭，形成組合式微流控芯片。外相流體從豎直方向通道涌入T型接頭，雙液滴沿中間相流體流入T型接頭，在T型接頭通道交匯處，中間相流體被外相流體剪切形成雙核液滴。如圖10所示，通過(guò)調(diào)節(jié)三相流體的流量，當(dāng)各相流速為Qi=1 μL/min、 Qm=20 μL/min、 Qo=90 μL/min時(shí)，雙核液滴內(nèi)層液滴平均直徑為130 μm，外層液滴平均直徑為420 μm， 生成的雙核液滴的尺寸均勻。

當(dāng)Qo<55 μL/min時(shí)，產(chǎn)生的多核液滴均勻度較高，但內(nèi)核數(shù)量部分為3顆或4顆，內(nèi)核數(shù)量分散度較大。通過(guò)觀察連接十字型接頭和T型接頭的玻璃毛細(xì)管，發(fā)現(xiàn)玻璃毛細(xì)管中的雙液滴順序紊亂，不再呈有序排列，最終生成一包三、一包四、一包五的多核液滴的現(xiàn)象。十字型接頭單獨(dú)工作時(shí)，收集管中的雙液滴是成對(duì)排列流動(dòng)，雙液滴彼此間距小，不融合。其主要原因是組合式微流控芯片采取兩步制備雙核液滴的方法結(jié)構(gòu)，微流控芯片由十字型接頭和T型接頭組合而成。在高流量下，整體的密封性可能欠佳，整體通道內(nèi)壓力不均勻，生成雙液滴不穩(wěn)定，導(dǎo)致生成多核液滴。為提高微流控芯片的穩(wěn)定性，應(yīng)提高微流控芯片的加工要求，排除外部因素影響。組合式微流控芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作，但由于微流控芯片由接頭組合而成，需將兩芯片組合成單一芯片。在此過(guò)程中，微流控芯片之間的工作狀態(tài)不一致，導(dǎo)致芯片整體組合過(guò)程密封性不佳，外界對(duì)液滴生成的干擾因素也隨之增加。在組合式微流控芯片組合過(guò)程中，螺帽和套筒無(wú)法有效密封，芯片存在漏液的現(xiàn)象，不利于雙核液滴穩(wěn)定生成。

5 結(jié) 論

結(jié)合實(shí)驗(yàn)和仿真研究了液滴在T型通道內(nèi)的生成過(guò)程，通過(guò)改變連續(xù)相流速得到了液滴尺寸及液滴頻率曲線。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，十字型微流控芯片、T型微流控芯片在分散相和連續(xù)相流量相同的情況下，雙液滴尺寸小于生成單核液滴的尺寸。通過(guò)組合上述兩接頭，調(diào)節(jié)各相流量，實(shí)現(xiàn)了W/O/W型雙核液滴的生成。為解決十字型T型組合微流控芯片生成雙核液滴中存在一包三、一包四、一包五的現(xiàn)象，組合式微流控芯片需進(jìn)一步完善其穩(wěn)定性，減少外界對(duì)芯片的影響。采用PEEK設(shè)計(jì)并制造微流控芯片，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部通道進(jìn)行親水或疏水性的處理，降低了加工難度，加強(qiáng)了微流控芯片的穩(wěn)定性。但是，PEEK材質(zhì)不透明，不利于觀察微流控芯片內(nèi)部通道，本方法有待進(jìn)一步完善并優(yōu)化。

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Abstract A method was developed for producing double emulsion droplets based on a compositional microfluidic chip that was consisted of a Tmicro connector， a crossmicro connector and a glass capillary. Tjunction microfluidic chip could fabricate high throughput and uniform oilinwater （O/W） and waterinoil （W/O） droplets without hydrophobic or hydrophilic treatments. Tjunction microfluidic chip was reusable and highly reliable. The process of generation droplet was simulated by COMSOL in 3D simulation model. The Tjunction microfluidic chip was used to generate W/O droplets， and it was found that the high throughput and uniform W/O droplets could be obtained by adjusting the phase flow. Besides， the W/O droplets with different colors were obtained by a microfluidic chip comprised of crossmicro connector and glass capillary. Based on the above experiments， a combination microfluidic chip of Tmicro connector， crossmicro connector and glass capillary was constructed. The constructed chip could produce W/O/W double emulsion droplets by adjusting the phase flows. This method offered a simple， lowcost way to produce double emulsion droplets in a short time without professional facilities.

Keywords Double emulsions droplets;? Microfluidic chip;? COMSOL simulation