崔永晉，李嚴(yán)凱，王凱，鄧建，駱廣生

（清華大學(xué)化學(xué)工程系，化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

引 言

微化工系統(tǒng)起源于20 世紀(jì)90 年代，它基于裝備小型化和過(guò)程連續(xù)化的思想構(gòu)建，迅速成為化學(xué)工程學(xué)科的前沿和熱點(diǎn)方向之一，是實(shí)現(xiàn)化工過(guò)程安全、高效、綠色的重要途徑[1?2]。微化工系統(tǒng)以微混合、微反應(yīng)、微吸收、微萃取、微換熱等微結(jié)構(gòu)設(shè)備為核心，結(jié)合流體存儲(chǔ)、輸送、計(jì)量、控制等單元形成車間或工廠級(jí)別的化工生產(chǎn)系統(tǒng)。得益于微尺度下優(yōu)異的流體操控和傳遞強(qiáng)化性質(zhì)，微化工系統(tǒng)表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：通過(guò)微通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流體快速混合[3]；具有更大的比表面積、強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)性能[4]；精確控制反應(yīng)的流動(dòng)狀態(tài)和停留時(shí)間[5]；方便實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)[6]；對(duì)于使用極端反應(yīng)條件且安全風(fēng)險(xiǎn)性高的化學(xué)品，微小化工裝置具有本質(zhì)安全的屬性[7]；基于對(duì)流量和流型的準(zhǔn)確控制，為高度單分散的液滴提供形貌和尺寸的精準(zhǔn)調(diào)控，是制備均勻球形材料的理想模板[8]。微化工系統(tǒng)的這些優(yōu)異的特性突破了傳統(tǒng)化工生產(chǎn)方式對(duì)于化學(xué)品合成的限制，在高端化學(xué)品制造中將發(fā)揮重要的作用。

面向工業(yè)生產(chǎn)，微化工設(shè)備以“數(shù)量放大”為基本準(zhǔn)則，采用微結(jié)構(gòu)單元串并聯(lián)集成擴(kuò)大處理能力，有效避免“逐級(jí)放大”帶來(lái)的放大效應(yīng)，具有優(yōu)良的單通道“三傳”狀態(tài)重現(xiàn)性和多通道間抗干擾性[9]，保證大規(guī)模生產(chǎn)的工況與實(shí)驗(yàn)室條件基本一致，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室成果的快速產(chǎn)業(yè)化。盡管如此，微分散裝置的放大尚未形成完整的理論和技術(shù)創(chuàng)新體系，在微結(jié)構(gòu)元件的設(shè)計(jì)、集成和微化工系統(tǒng)模型化等層面上有待深入研究。例如，微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致流體在通道中分布存在短路、堵塞問(wèn)題；使用微分散技術(shù)制備單分散乳液的過(guò)程中，集成了上萬(wàn)個(gè)液滴發(fā)生裝置的三維芯片制造困難，帶來(lái)高額的制造成本[10]；微反應(yīng)器芯片有限的材料選擇，限制了設(shè)備的魯棒性和耐用性，產(chǎn)生日常的耗損；單個(gè)微流體單元的吞吐量低（＜10 ml/h），單分散液滴/氣泡制備的工業(yè)生產(chǎn)案例較少；指導(dǎo)高通量、復(fù)雜微結(jié)構(gòu)元件設(shè)計(jì)的多相流動(dòng)、傳遞和反應(yīng)工程規(guī)律缺少相應(yīng)模型和模擬技術(shù)。因此，微分散裝置的數(shù)量放大存在諸多挑戰(zhàn)。

為了將微化工技術(shù)推向工業(yè)化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高通量可控生產(chǎn)，近年來(lái)，有大量的報(bào)道提出了對(duì)微通道進(jìn)行數(shù)量放大的技術(shù)，其中，多通道間流體的均勻分布是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。圍繞微通道數(shù)量放大的難題，本文從微分散裝置的不同結(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹了微分散設(shè)備數(shù)量放大的最新進(jìn)展以及不同設(shè)備在單分散液滴高頻制備、氣液傳質(zhì)、有機(jī)反應(yīng)、材料制備、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等方面的應(yīng)用。針對(duì)微分散設(shè)備數(shù)量放大通常需要加工復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)這一需求，本文進(jìn)一步對(duì)微分散放大設(shè)備的材料和加工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和比較，討論了目前微分散設(shè)備走向工業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)數(shù)量放大方法的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 數(shù)量放大方式

1.1 梯形幾何結(jié)構(gòu)型微分散設(shè)備

典型的液?液、氣?液微分散放大裝置通常由3部分組成：液滴/氣泡生成單元、流體輸送通道和連接二者的中間層（通道）。使用流體輸送裝置將液體或氣體輸入到微分散設(shè)備的主通道中，經(jīng)過(guò)分配之后，流體進(jìn)入多個(gè)輸送通道，在生成單元處被另一相流體剪切生成液滴或氣泡。為了實(shí)現(xiàn)液滴或氣泡的大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)確保液滴/氣泡尺寸的均一性，多相流體在并行微通道中的均勻分配是關(guān)鍵，需要設(shè)計(jì)通道的結(jié)構(gòu)和特征尺寸，將生成單元和流體分配通道以一定的排列連接方式進(jìn)行集成，形成不同的幾何形狀。

梯形幾何結(jié)構(gòu)是流體分配通道最常見的設(shè)計(jì)之一。Amstad等[11]提出了一種形似“千足蟲”的微分散裝置，如圖1所示。它包含數(shù)百個(gè)獨(dú)立的噴嘴，位于中央通道的兩側(cè)，分散相從中央通道注入，通過(guò)噴嘴與外腔中的連續(xù)相接觸形成液滴。噴嘴出口設(shè)計(jì)了一個(gè)三角形儲(chǔ)液器，收集足夠的液體以產(chǎn)生每一個(gè)液滴，減慢了液體流動(dòng)，建立了液滴生成的準(zhǔn)靜態(tài)條件。因此，液滴的大小僅取決于設(shè)備的幾何形狀，與流體的流量無(wú)關(guān)，且具有高度單分散性。該裝置的魯棒性強(qiáng)，通過(guò)增加平行噴嘴的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)液滴的大規(guī)模制備，他們?cè)趩蝹€(gè)芯片上集成了550個(gè)噴嘴，單分散液滴的產(chǎn)生量高達(dá)150 ml/h。

圖1 帶有噴嘴和兩相通道的“千足蟲”裝置[11]Fig.1 Schematic illustration of millipede device with nozzles and channels for two phases[11]

圖2 嵌入多個(gè)毛細(xì)管的階梯式微通道放大裝置[8]Fig.2 Schematic diagram of multi?capillary embedded stepwise microchannel[8]

Cui 等[8]提出了一種多毛細(xì)管嵌入的階梯式微通道，該裝置主要由流體分配層和液滴生成層組成，分散相流體從下層輸入，分配到多個(gè)通道后經(jīng)過(guò)連接管進(jìn)入上層（液滴生成層）的毛細(xì)管，剪切相流體從上層輸入，與分散相在通道交匯處相遇，剪切形成液滴，如圖2 所示?；诜菍?duì)稱流場(chǎng)強(qiáng)化剪切，有效控制液滴尺寸的均一性，通道的交匯處被設(shè)計(jì)為階梯式。該裝置在射流下操作，液滴生成頻率高，在單個(gè)微通道中嵌入10 個(gè)毛細(xì)管，實(shí)現(xiàn)了頻率高達(dá)40 kHz 的單分散液滴的高通量制備。毛細(xì)管的作用是增大流動(dòng)阻力，兩個(gè)液滴生成單元之間輸送通道的壓降應(yīng)遠(yuǎn)小于液滴生成段（毛細(xì)管內(nèi)）的壓降，才能實(shí)現(xiàn)分散相流體在液滴生成層的均勻分布，否則有些通道會(huì)出現(xiàn)短路。相似的原理在Al?Rawashdeh等[12]的研究中也有報(bào)道，通過(guò)在氣、液輸送通道后增加阻力通道，提出了氣液兩相流均勻分布的流量分配器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

為了實(shí)現(xiàn)兩相流體在通道中的均勻分布，近年來(lái)，研究者們提出了梯形結(jié)構(gòu)微分散設(shè)備數(shù)量放大的定量設(shè)計(jì)方法[13?14]。結(jié)果表明，兩個(gè)相鄰液滴生成單元之間輸送通道的水力學(xué)阻力（Rd）應(yīng)遠(yuǎn)小于液滴生成段的水力學(xué)阻力（Rg），如圖3所示。

假設(shè)有兩個(gè)并聯(lián)的液滴生成單元，它們中的流量比Q1/Q2=1+2(Rd/Rg)，當(dāng)阻力比可以忽略不計(jì)時(shí)（如Rd/Rg＜＜0.01），則兩個(gè)液滴發(fā)生單元中的流量基本相同。當(dāng)有N 個(gè)并聯(lián)的液滴生成單元時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)流體的均勻分布，必須滿足如下不等式[16?18]

圖3 梯形幾何結(jié)構(gòu)中的水力學(xué)阻力模型[15]Fig.3 A model for hydraulic resistances in ladder?like network of channels[15]

式中，Rd為兩個(gè)相鄰液滴生成單元之間輸送通道的流動(dòng)阻力；Rg為液滴生成段的流動(dòng)阻力；Ng為液滴發(fā)生單元的數(shù)量。使用該設(shè)計(jì)原則，Jeong 等[18]在6 cm×5 cm 的三維整體結(jié)構(gòu)中并行集成了1000個(gè)流動(dòng)聚焦液滴發(fā)生裝置，該裝置消除了多部件對(duì)齊和鍵合的步驟，滿足高流速和高壓的需要，實(shí)現(xiàn)了油包水乳液的批量生產(chǎn)，生產(chǎn)速率高達(dá)1.5 L/h，液滴尺寸約為45 μm，變異系數(shù)（CV）僅為6.6%。

1.2 樹形分支幾何結(jié)構(gòu)型微分散設(shè)備

圖4 樹形分支通道網(wǎng)絡(luò)[19]Fig.4 Tree?like branched channel network[19]

樹形分支幾何結(jié)構(gòu)是另一種最常見的流體分配通道設(shè)計(jì)方式，在該結(jié)構(gòu)中，兩相流體通過(guò)一系列的節(jié)點(diǎn)，被分為氣泡序列和液體柱塞，如圖4 所示。如果在各節(jié)點(diǎn)處均發(fā)生破裂且滿足流動(dòng)對(duì)稱性條件，可以得到各通道內(nèi)氣泡體積和氣泡間距均勻的分段流動(dòng)[20?21]。樹形分支結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以均勻?qū)ΨQ地分布分支通道中的流體，從一組入口開始增加節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，無(wú)須考慮每個(gè)入口的流體阻力。

Guo 等[22]研究了樹形分支結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的流體力學(xué)和傳質(zhì)特性。Su等[23]在樹形分支結(jié)構(gòu)微混合器中，對(duì)鋸齒形液體混合通道的數(shù)量放大進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，采用具有分支結(jié)構(gòu)的扁平分布器時(shí)，微混合器的混合性能可以達(dá)到與單個(gè)微通道相同的水平。Hoang 等[24]分析了樹形分支結(jié)構(gòu)中氣泡在連續(xù)節(jié)點(diǎn)處的反復(fù)破碎，發(fā)現(xiàn)如果節(jié)點(diǎn)處的毛細(xì)管數(shù)超過(guò)一臨界值，可以實(shí)現(xiàn)所有氣泡的破裂。由于臭氧處理困難、反應(yīng)活性高、氧化產(chǎn)物的潛在選擇性高，Wada 等[25]在該種結(jié)構(gòu)的微反應(yīng)器中，以亞磷酸酯、胺和烯烴為模型化合物的臭氧氧化反應(yīng)為例進(jìn)行了研究，轉(zhuǎn)化率和選擇性都很高，在低至1 s 的短接觸時(shí)間下可達(dá)100%。Li 等[26]在一個(gè)微反應(yīng)系統(tǒng)中并行了多個(gè)樹形分支結(jié)構(gòu)模塊，每個(gè)模塊由16個(gè)平行的微通道組成，包含乳化室和聚合室，以約50 g/h的產(chǎn)率生產(chǎn)多分散度不超過(guò)5%的聚合物微凝膠顆粒，如圖5所示。

基于樹形分支結(jié)構(gòu)，Su 等將毛細(xì)管微反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)量放大，應(yīng)用于光氧化還原催化[27]和均相自由基聚合反應(yīng)過(guò)程[28]。以硫醇的光催化有氧氧化制備二硫化物的過(guò)程為例，如圖6 所示。該微反應(yīng)系統(tǒng)由T型混合器和一系列平行毛細(xì)管微反應(yīng)器兩部分組成，反應(yīng)中流量分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%，并行放大后微反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)目標(biāo)產(chǎn)物的收率和單個(gè)毛細(xì)管中得到的收率相當(dāng)[27]。進(jìn)一步地，他們測(cè)試了當(dāng)受到潛在的干擾時(shí)該系統(tǒng)的魯棒性。通道堵塞導(dǎo)致流動(dòng)分布和產(chǎn)率變化較大，光源故障并沒(méi)有引起流量分布的大幅變化，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率具有顯著的影響[29]。

圖5 用于合成聚合物顆粒的樹形分支結(jié)構(gòu)微反應(yīng)器[26]Fig.5 Schematic diagram of a microreactor with tree?like branched geometry for synthesis of polymer particles[26]

樹形分支結(jié)構(gòu)盡管在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上較簡(jiǎn)單，但必須在分支的放置上投入較大的空間，很難達(dá)到梯形結(jié)構(gòu)中液滴生成器的排布密度。在梯形裝置中，如果輸送通道和液滴生成器的阻力比足夠大，某個(gè)液滴生成裝置堵塞不會(huì)顯著影響流體分布。但是在樹形分支設(shè)備中，由于對(duì)稱性被破壞，分支中一個(gè)通道的堵塞會(huì)嚴(yán)重影響流量分配[15]。

1.3 環(huán)狀中心對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu)型微分散設(shè)備

為了有效利用空間、減小占地面積，研究者將并行微通道裝置設(shè)計(jì)為圓形中心對(duì)稱陣列，其本質(zhì)上是梯形結(jié)構(gòu)和樹形分支結(jié)構(gòu)的變形，并未改變分配通道的形式。Conchouso等[30]將含有128個(gè)流動(dòng)聚焦液滴發(fā)生裝置的液滴生成層三維堆疊為一個(gè)圓形陣列，如圖7 所示。該裝置最多可實(shí)現(xiàn)512 個(gè)液滴發(fā)生器并聯(lián)，100 μm 級(jí)液滴的生產(chǎn)率高達(dá)1 L/h，變異系數(shù)為6%。

Nisisako 等[13]將含有144 個(gè)液滴發(fā)生裝置的微分散芯片與具有兩個(gè)環(huán)形中心對(duì)稱流體分配通道的支撐模塊耦合，在180 ml/h 的通量下生產(chǎn)平均直徑為90.7 μm、變異系數(shù)（CV）為2.2%的水包油液滴。通過(guò)將微芯片與具有3～4個(gè)流體分配通道的支撐模塊耦合，成功地展示了Janus 液滴、雙乳狀液和三乳狀液的高通量生產(chǎn)，如圖8所示。

圖6 并行8個(gè)毛細(xì)管微反應(yīng)器系統(tǒng)[27]Fig.6 Schematic overview of 8?capillary microreactor system[27]

圖7 三維并行化的環(huán)狀分支微分散裝置[30]Fig.7 Three?dimensional annular branched micro?dispersion device[30]

1.4 微篩孔陣列微分散設(shè)備

早在1995 年，Rijn 等[31]首次使用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）制造技術(shù)，在100個(gè)硅片上清晰刻蝕了孔徑在0.5 ～10 μm 之間的硅基微篩孔陣列。在過(guò)去的十年里，基于金屬和陶瓷材料的微篩孔陣列已經(jīng)在化工、制藥、免疫和食品工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用[32?34]。

圖8 用于多重乳液制備的同軸環(huán)形微分散裝置[13]Fig.8 Schematic diagram of micro?dispersion device with circularly arranged droplet generators for preparation of multiple emulsion[13]

Wang 等[35]提出了“相似放大+微反應(yīng)器并行放大+數(shù)值模擬”的微分散設(shè)備放大策略，提出了一種微篩孔分散反應(yīng)器的放大方法，如圖9 所示。在每個(gè)分散單元中，分散相通過(guò)微篩孔被連續(xù)相擠壓而剪切形成微小液滴。在放大實(shí)驗(yàn)中，首先不改變微篩孔的直徑，將通道截面擴(kuò)大16 倍，對(duì)單個(gè)分散單元進(jìn)行相似放大；進(jìn)一步地，將10 個(gè)該分散單元并聯(lián)集成，組成了一個(gè)中試裝置，獲得了160倍于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模微反應(yīng)器的處理能力。在發(fā)煙硫酸和環(huán)己烷羧酸反應(yīng)的中試實(shí)驗(yàn)中，主產(chǎn)物的選擇性為96%，僅比實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的微反應(yīng)器低1%～2%，壓降低于40 kPa，實(shí)現(xiàn)了中試微反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 用于己內(nèi)酰胺制備的微篩孔反應(yīng)器的數(shù)量放大[35]Fig.9 Scaling?up of microsieve dispersion reactor for preparation of ??caprolactam[35]

Lim 等[36]提出了一種硅微篩芯片設(shè)備，具有密集填充的孔陣列（每個(gè)設(shè)備有105 個(gè)孔），利用腫瘤細(xì)胞和正常血細(xì)胞之間的大小和可變形性差異，高效快速地從全血樣品中檢測(cè)、分離腫瘤細(xì)胞，如圖10 所示。通過(guò)連接蠕動(dòng)泵和熒光顯微鏡，包括腫瘤細(xì)胞捕獲、抗體染色、污染物去除和免疫熒光成像的全過(guò)程，直接在集成微分散單元的微篩板上進(jìn)行，這種檢測(cè)裝備有可能取代現(xiàn)有復(fù)雜的循環(huán)癌細(xì)胞檢測(cè)方案，用于癌癥轉(zhuǎn)移分析。

圖10 用于腫瘤細(xì)胞快速計(jì)數(shù)和熒光原位雜交的微篩芯片裝置[36]Fig.10 Microsieve lab?chip device for rapid enumeration and fluorescence in situ hybridization of tumor cells[36]

圖11 用于合成TS-1分子篩的微篩孔反應(yīng)器系統(tǒng)[37]Fig.11 Schematic diagram of microsieve pore reactor system for synthesis of TS-1[37]

由于微篩孔陣列反應(yīng)器具有快速混合、強(qiáng)化傳質(zhì)等特點(diǎn)，還被廣泛應(yīng)用于材料制備領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)在無(wú)骨架鈦的情況下合成TS?1 分子篩，Hu 等[37]在連續(xù)制備可控前體的基礎(chǔ)上，借助微篩孔反應(yīng)器，使TBOT（原鈦酸四丁酯）的正己烷溶液均勻地分散到低聚硅酸鹽預(yù)水解混合物中形成微液滴，如圖11 所示。由于微分散過(guò)程的快速混合和高傳質(zhì)性能，保證了Ti 組分的低濃度均勻分布。表征結(jié)果表明，采用這種廉價(jià)、綠色的路線，在Si/Ti 摩爾比最小為51.5 的條件下，成功合成了粒徑約為150 nm、無(wú)骨架鈦的TS?1分子篩。

微篩孔陣列的固有性質(zhì)如孔徑小、總體孔隙度高，使其具有優(yōu)越的分離性能、選擇性以及較低的運(yùn)輸阻力和系統(tǒng)能耗。同時(shí)，金屬或陶瓷微篩具有很高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，操作條件穩(wěn)定，設(shè)備的魯棒性強(qiáng)，有利于進(jìn)行對(duì)熱、化學(xué)和通量要求更高的操作，如顆粒篩選、乳化、汽提和氣液相分離，具有工業(yè)應(yīng)用前景[38?40]。然而，將微篩孔陣列應(yīng)用于氣?液體系，如微氣泡制備過(guò)程，由于氣液之間的界面張力較大，毛細(xì)管壓力較高，而氣體的黏度很小，孔內(nèi)的流動(dòng)阻力相對(duì)較低，操作條件會(huì)顯著影響該過(guò)程的操作穩(wěn)定性和氣泡的單分散性。氣液相流量超出某一范圍會(huì)導(dǎo)致部分孔失活，即沒(méi)有氣體通過(guò)，生成氣泡的尺寸也變得不再均一[32]。因此，對(duì)單分散性要求較高的微液滴/微氣泡的規(guī)模制備過(guò)程很少采用該裝置來(lái)完成。此外，在氣液相分離應(yīng)用中，目前大多數(shù)的微篩孔陣列采用硅基微篩涂覆疏水涂層的方式，材質(zhì)的壽命和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高，這種材質(zhì)多使用光刻、電鍍和模塑步驟進(jìn)行加工，成本較高，不容易擴(kuò)大規(guī)模[38]。

1.5 膜分散型微分散設(shè)備

近年來(lái)，研究者開發(fā)了一種膜分散反應(yīng)器，操作簡(jiǎn)單、放大效應(yīng)不明顯，具有優(yōu)異的混合性能和傳質(zhì)傳熱速率。微濾膜是膜分散反應(yīng)器的核心部件，其常見的類型包括帶有微孔的不銹鋼微濾膜[41]、非球形硼硅酸鹽玻璃制成的燒結(jié)膜[42]和球形陶瓷微珠制成的燒結(jié)膜[43]。在一定的壓力下，分散相通過(guò)孔徑分布均勻的膜滲透到連續(xù)相中，被剪切成多個(gè)微米級(jí)的小液滴，在不到1 s的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩相的大接觸面積和均勻混合。膜分散反應(yīng)器在氣體溶解度測(cè)定[44]，有機(jī)材料合成和無(wú)機(jī)納米顆粒如ZnO[45]、γ ?Al2O3[46]、SiO2[47]、FePO4[48]、Li2CO3[49]、丙 烯 酰 胺[50]、CeO2[51]、CaCO3[52]等的制備方面得到了廣泛的應(yīng)用。

Xia 等[53]采用膜分散反應(yīng)器對(duì)鏈霉素（STR）加氫合成二氫鏈霉素（DHS）進(jìn)行了研究，如圖12 所示。將還原劑KBH4分散到含有STR的連續(xù)相中，促進(jìn)了兩相的混合，傳質(zhì)比表面積顯著增加，STR的轉(zhuǎn)化率在3 min 內(nèi)達(dá)到99.81%，為工業(yè)化大規(guī)模合成雙氫鏈霉素奠定了基礎(chǔ)。

Nazir 等[54]的研究表明，使用結(jié)構(gòu)多孔膜進(jìn)行乳化，可以實(shí)現(xiàn)μm 級(jí)液滴的高度可控生產(chǎn)，并且單位體積乳液需要輸入的能量較低、不破壞液滴功能和應(yīng)用。Hornig等[42]研究了多孔膜結(jié)構(gòu)內(nèi)的液/液多相分散過(guò)程，如圖13 所示。在膜乳化中，內(nèi)膜結(jié)構(gòu)對(duì)液體破碎和分散過(guò)程有重要影響，從而影響分散液滴的尺寸分布。這項(xiàng)研究分析了不同工藝條件、孔隙率、孔結(jié)構(gòu)和孔徑條件下流體在多孔結(jié)構(gòu)中的分散情況，將流體分散和乳化過(guò)程與膜的結(jié)構(gòu)特性相關(guān)聯(lián)，有助于膜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和定制制造，使加工具有預(yù)定性能的乳液成為可能。

圖12 用于二氫鏈霉素合成的膜分散反應(yīng)流程[53]Fig.12 Membrane dispersion reaction process for synthesis of DHS[53]

圖13 預(yù)混乳化工藝方案[42]Fig.13 Scheme of premix emulsification process[42]

在膜分散過(guò)程中，產(chǎn)生的液滴大小主要由膜的特性如材質(zhì)、孔徑等決定，受液滴破裂機(jī)制的影響較小。由于操作相對(duì)簡(jiǎn)單、對(duì)能量輸入及表面活性劑的需求較低、傳質(zhì)性能優(yōu)異、可以生成尺寸分布很窄的液滴，使得該技術(shù)非常具有吸引力[55]。盡管如此，由于膜分散過(guò)程存在的局限性，限制了其在工業(yè)水平的充分應(yīng)用。首先，一旦膜被分散相流體潤(rùn)濕，液滴的均一性將受到嚴(yán)重破壞，很難達(dá)到目標(biāo)尺寸，這限制了分散相的通量和生產(chǎn)效率。這一問(wèn)題對(duì)于亞微米和納米顆粒的生產(chǎn)至關(guān)重要，需要選擇非潤(rùn)濕相作為分散流體通過(guò)納米多孔膜，體系的適用范圍具有一定限制。此外，膜表面或孔壁與溶液中某種成分之間的相互作用，可能會(huì)改變膜的潤(rùn)濕性，出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，導(dǎo)致通量下降、產(chǎn)率降低，影響液滴的質(zhì)量等[56]。

將微分散設(shè)備的各種數(shù)量放大方式進(jìn)行了比較和總結(jié)，如表1所示。

2 并行微分散裝置的材料及加工方法

由于微通道數(shù)量放大以實(shí)現(xiàn)微液滴和微氣泡的規(guī)模生產(chǎn)通常需要復(fù)雜的三維幾何結(jié)構(gòu)，因此了解微分散設(shè)備的制造方法和材料的優(yōu)缺點(diǎn)至關(guān)重要。慎重選擇方法和材料有利于制造更高集成度、高可重復(fù)性、魯棒性和精確性的微分散放大裝置。在本節(jié)中，對(duì)微分散放大設(shè)備的材料和加工技術(shù)進(jìn)行了比較和總結(jié)，討論了不同材料和方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性。

2.1 軟光刻

對(duì)于聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚氨酯等材料的微通道，最常用的加工方法是光刻和軟光刻，如圖14所示。左邊的部分是光刻步驟，這一步的作用是在硅晶片上制造出微圖案，作為軟光刻的模板。首先，在硅片上旋涂一層光刻膠，然后，通過(guò)掩膜選擇性地暴露在紫外線下，照到的部分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)固化，用顯影劑來(lái)溶解未交聯(lián)的區(qū)域，就得到了這塊模板，微通道的分辨率取決于掩模和光刻膠的類型。右邊的部分是軟光刻步驟，準(zhǔn)備好模板之后，將液態(tài)的彈性物質(zhì)（如PDMS）倒在上面，固化之后形成PDMS通道。

表1 微分散設(shè)備數(shù)量放大方式比較Table 1 Comparison of manufacturing of parallel micro-dispersion devices

圖14 光刻/軟光刻流程[15]Fig.14 Schematic illustration of photo?/soft?lithography[15]

PDMS 的表面自由能低且具有彈性，非常容易從模板上剝離；PDMS 通道的復(fù)制品可以從單個(gè)硅模板重復(fù)制造，不會(huì)損壞光刻膠圖案，使快速成型成為可能；與玻璃等堅(jiān)硬材料的粘接不同，一塊PDMS可以很容易地粘接到另一塊PDMS或玻璃上，無(wú)須高溫或高壓。但是，軟光刻技術(shù)中，母版的制作過(guò)程復(fù)雜，需要專門的設(shè)施如無(wú)塵室；PDMS 黏性較大，兩層PDMS的表面接觸之后，分離、重新排列、再黏合就變得很困難，因此，通道制造的可重復(fù)性不高[15]。

為了應(yīng)對(duì)這一技術(shù)挑戰(zhàn)，Jeong 等[18]通過(guò)雙面壓印方法開發(fā)了一種三維整體彈性體裝置，如圖15所示。該裝置使用硅片硬母版和PDMS 軟母版的組合，前者用于形成液滴生成和通孔層的通道，后者用于形成流體分布通道。兩塊母版之間充滿未固化的液態(tài)PDMS，使兩個(gè)母版中的特征非常容易對(duì)齊。PDMS 固化之后，將兩個(gè)母版分離，就可以得到三維整體彈性體裝置。該研究將復(fù)雜的三維通道嵌入到一塊PDMS 中，不再需要對(duì)齊和黏合多塊彈性體。兩個(gè)母版可以重復(fù)使用，使得三維結(jié)構(gòu)能夠快速而廉價(jià)地鑄造。

2.2 微銑削

圖15 通過(guò)雙面壓印制作三維整體式彈性體裝置的過(guò)程[18]Fig.15 Fabrication procedure for 3D monolithic elastomer device by double?sided imprinting[18]

諸如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）之類的熱塑性塑料，具有容易加工、力學(xué)性能和韌性優(yōu)良的特點(diǎn)，在微分散設(shè)備制造領(lǐng)域非常流行。加工塑料和其他剛性材料通道最常見的方法主要包括微銑床[57?58]、熱壓[59?60]、立體光刻[61?62]和注塑成型[63?64]幾種，Guckenberger 等[57]將微銑削和上述其他3種加工方法進(jìn)行比較，評(píng)估了它們的技術(shù)性能、材料相容性和總體成本，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，但由于微銑床啟動(dòng)成本低、分辨率高，在特征幾何形狀和材料選擇方面具有多功能性，在塑料微流控器件超快速成型方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其操作步驟和機(jī)器組件如圖16 所示。Berthier 等[65?66]使用微 銑 削 技 術(shù) 制 作 了 名 為Kit?On?A?Lid?Assays（KOALA）的微流控平臺(tái)，通過(guò)組裝多層芯片來(lái)輸送流體，基于細(xì)胞的微尺度分析方法，集成了細(xì)胞檢測(cè)所需的所有步驟。微銑削設(shè)備還被用來(lái)創(chuàng)造油水兩相界面，用于細(xì)胞捕獲和RNA、DNA、蛋白質(zhì)分離[67?68]。Bischel 等[69]利用微銑削加工的限制陣列來(lái)捕捉斑馬魚，使用移液管即可快速、重復(fù)地將斑馬魚胚胎在陣列中定位，以進(jìn)行成像和藥物測(cè)試。目前，計(jì)算機(jī)數(shù)控微銑床x-y 平面移動(dòng)的精確度可以達(dá)到±0.5 μm，微銑床可自動(dòng)執(zhí)行加工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)快速可重復(fù)性原型制作，減少人為錯(cuò)誤[70]。但值得注意的是，對(duì)于大批量生產(chǎn)，微銑削的競(jìng)爭(zhēng)力不如成本低、規(guī)模生產(chǎn)的注塑和熱壓成型技術(shù)，它在早期開發(fā)階段的表現(xiàn)更為出色。同時(shí)，對(duì)于光學(xué)清晰度至關(guān)重要的應(yīng)用，如相位對(duì)比細(xì)胞顯微成像，銑削過(guò)程產(chǎn)生的粗糙度可能是不能接受的。

2.3 3D打印

圖16 計(jì)算機(jī)數(shù)控微銑削機(jī)器[57]Fig.16 Schematic diagram of computer numerical control micromill[57]

使用軟光刻和微銑削加工出的并行放大裝置基本均為二維結(jié)構(gòu)，流體分配通道較長(zhǎng)、占用空間大、具有一定的死體積，對(duì)各流體通道層精確對(duì)準(zhǔn)、密封的要求高，在一定程度上限制了并行放大液滴生成裝置在工業(yè)中的應(yīng)用[71]。三維微芯片可以克服傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的局限性，具有觀察效率高[72]、連續(xù)三維運(yùn)動(dòng)[73]和集成更多功能的潛在優(yōu)勢(shì)，隨著裝置的復(fù)雜化，不同流體在三維構(gòu)型中的輸送變得更加容易[74]?；谠霾闹圃煸淼?D 打印技術(shù)，以光敏樹脂、高分子粉末、陶瓷粉末等為主要材料，將流體器件的制造過(guò)程簡(jiǎn)化為單一步驟，直接在全三維空間中產(chǎn)生用戶設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，無(wú)須繁重的勞動(dòng)強(qiáng)度和復(fù)雜的程序，可以消除諸如多層對(duì)準(zhǔn)和黏合之類的程序，快速、簡(jiǎn)單、直接地制造三維微流控器件。此外，以消費(fèi)者為中心的打印機(jī)價(jià)格低廉，服務(wù)商迅速增加，3D 打印材料與商業(yè)生產(chǎn)兼容，使得這一技術(shù)對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)很容易負(fù)擔(dān)。因此，近年來(lái)，3D打印技術(shù)已成為眾多研究領(lǐng)域中最強(qiáng)大的快速原型制作工藝之一，在微流控領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)歷了爆炸性的增長(zhǎng)[75]，許多工作對(duì)3D 技術(shù)在該領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了報(bào)道[76?82]。Femmer 等[71]使用疏水性甲基丙烯酸酯光刻膠，使用3D 打印技術(shù)，使28 個(gè)液滴發(fā)生器逐層垂直堆疊，有效減少了占地面積和死體積，以3 L/h 的速度生產(chǎn)了直徑為500 μm 的單分散乳液和微凝膠，如圖17所示。

圖17 具有28個(gè)并行微通道的液滴發(fā)生器[71]Fig.17 Schematic diagram of parallelized droplet generator with 28 channel intersections[71]

盡管3D 打印對(duì)具有復(fù)雜幾何形狀的微分散設(shè)備的生產(chǎn)具有最高潛力，但其適用性受到技術(shù)能力的限制，在合理尺寸的設(shè)備中無(wú)法可靠地打印尺寸小于100 μm 的微通道，不同類型的3D 打印機(jī)很難將支撐材料移除便捷性[83]、材料消耗、材料通用性[84]、運(yùn)行條件、設(shè)備成本[85]、通道精度和表面粗糙度[86]同時(shí)兼顧。為了解決3D 打印技術(shù)精度不高的問(wèn)題，Muluneh 等[17]在3 cm×3 cm 的PDMS 微芯片上集成了512個(gè)流動(dòng)聚焦液滴生成陣列。該研究的創(chuàng)新是軟光刻和激光微加工的混合使用，利用軟光刻技術(shù)在微尺度下分辨率高的特點(diǎn)，用來(lái)制造生產(chǎn)微小液滴的液滴生成裝置；利用激光雕刻，加工油水兩相的輸送通道和出口通道，雕刻通道的流體阻力低，確保每個(gè)液滴生成裝置以相同的流速驅(qū)動(dòng)，保證了液滴尺寸的高度均一性。

2.4 深反應(yīng)離子刻蝕

對(duì)于玻璃和硅等材質(zhì)的微分散并行放大裝置，比較成熟的加工方法是深反應(yīng)離子刻蝕，該方法的原理和步驟如圖18 所示[87]。（1）在玻璃上濺射一層金或者鉻的薄膜；（2）將光刻膠旋涂在金/鉻膜上，在紫外線下照射，曝光的地方發(fā)生反應(yīng)變成可溶的物質(zhì)，經(jīng)溶劑處理后形成圖案和紋路；（3）將鎳選擇性地電鍍?cè)诮?鉻膜的裸露部分上作為掩膜，保護(hù)覆蓋的部分不被刻蝕；（4）用丙酮把光刻膠洗掉，使用SF6或C4F8作為蝕刻氣體進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕；（5）刻蝕之后去除電鍍的鎳膜，得到設(shè)計(jì)的通道輪廓。

圖18 Pyrex耐熱玻璃的深反應(yīng)離子刻蝕[87]Fig.18 Deep reactive ion etching process of Pyrex glass[87]

Nisisako等[88]在4 cm×4 cm的玻璃芯片上大規(guī)模集成了128 個(gè)環(huán)形排列的液滴生成單元，芯片外部帶有不銹鋼支撐體用于入口液體供應(yīng)，增加了裝置的耐用性，如圖19 所示。該裝置以320 ml/h 的流量制備單分散的光聚丙烯酸酯液滴，平均粒徑為96.4 μm，變異系數(shù)（CV）為1.3%，隨后使用紫外線聚合生產(chǎn)出單分散丙烯酸微球，產(chǎn)量約為0.3 kg/h。盡管玻璃芯片具有出色的力學(xué)和化學(xué)性能，如耐溶劑性，易于化學(xué)改性，高機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，但器件制造費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，蝕刻速率極低，選擇性很差[89?90]。為了密封，需要將刻蝕的玻璃微芯片黏合在一起，玻璃?玻璃黏合技術(shù)通常需要極其清潔的環(huán)境、專用工具和幾百度的高溫[15]。

圖19 用于生產(chǎn)單分散液滴的微分散芯片和支撐體[88]Fig.19 Schematic diagram of micro?dispersion chip and supporting module for production of monodisperse droplets[88]

將微分散放大設(shè)備的材料和加工技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性進(jìn)行了比較和總結(jié)，如表2所示。

3 結(jié)論與展望

本文介紹了用于大規(guī)模制備單分散氣泡和液滴的微分散設(shè)備放大方式的最新進(jìn)展。與傳統(tǒng)化工系統(tǒng)相比，微分散設(shè)備處理量的提升主要通過(guò)增加微通道的數(shù)量，即采用多通道并行的模式進(jìn)行放大。這一數(shù)量放大過(guò)程必須考慮以下因素：通道設(shè)計(jì)以確保流體均勻分布到每個(gè)液滴生成裝置、大規(guī)模制造微通道的方法、可以承受高壓穩(wěn)定操作的器件材料以及開發(fā)商業(yè)上可行的三維微流控器件制造技術(shù)。其中，為了保持液滴尺寸的高度均一，關(guān)鍵難題是多相流體在通道中的均勻分配，分配通道最常見的設(shè)計(jì)是梯形幾何結(jié)構(gòu)和樹形分支幾何結(jié)構(gòu)。在梯形結(jié)構(gòu)中，需要對(duì)通道結(jié)構(gòu)和液滴生成單元的阻力進(jìn)行定量設(shè)計(jì)；樹形分支結(jié)構(gòu)盡管設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但通道排布密度較低，且分支中一個(gè)通道的堵塞會(huì)嚴(yán)重影響流體分配。除此之外，微篩孔陣列和膜分散反應(yīng)器的優(yōu)異性能也為化學(xué)反應(yīng)、醫(yī)學(xué)免疫和材料制備帶來(lái)更多的選擇。本文進(jìn)一步對(duì)微分散放大設(shè)備的材料和加工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，每種材料和方法在大規(guī)模乳液制備方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要結(jié)合用途、成本、流體物性和材料兼容性自主選擇。

表2 并行微分散裝置的加工方法比較Table 2 Comparison of manufacturing of parallel micro-dispersion devices

總之，在數(shù)量放大方法方面已形成了一些共性認(rèn)識(shí)，取得了可喜的進(jìn)展，如幾何結(jié)構(gòu)、元件集成以及流體操作要求等，同時(shí)在規(guī)?；⒎稚⒌募庸ぜ夹g(shù)方面也取得了很大的進(jìn)展，特別是3D打印技術(shù)的發(fā)展，為微分散設(shè)備的低成本可靠制備提供了保證。但數(shù)量放大方法的研究目前還主要處于概念性階段，其系統(tǒng)性研究還十分缺乏，規(guī)?；⒎稚⒃O(shè)備的放大還不能做到理性設(shè)計(jì)，因此未來(lái)發(fā)展還需要投入很大的力量。主要表現(xiàn)在：第一，在理論層面，建立微結(jié)構(gòu)元件內(nèi)多相流模型和計(jì)算流體力學(xué)模擬方法，明確微結(jié)構(gòu)元件內(nèi)部流動(dòng)、傳遞和反應(yīng)行為，揭示集成方式和集成度對(duì)反應(yīng)和分離過(guò)程的影響規(guī)律，研究微通道數(shù)量放大和元件集成的基本規(guī)律；第二，在方法層面，通過(guò)微結(jié)構(gòu)元件創(chuàng)新和集成獲得高效微化工裝備，提出微設(shè)備的設(shè)計(jì)原則與優(yōu)化方法，以微設(shè)備和常規(guī)設(shè)備為基礎(chǔ)構(gòu)建微化工模塊；第三，在技術(shù)層面，致力于開發(fā)成本低、用戶友好的微結(jié)構(gòu)元件加工方法，為實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)元件的最大化、最優(yōu)化和微結(jié)構(gòu)陣列的集成化提供技術(shù)支撐。對(duì)于梯形結(jié)構(gòu)和樹形分支結(jié)構(gòu)這兩種實(shí)用性強(qiáng)、效率高的放大方式，未來(lái)的研究不能局限于二維平面上陣列數(shù)目的增加，為了真正實(shí)現(xiàn)并行化，需要研究微元件在三維空間上的擴(kuò)展，提高空間利用率。這依賴于3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，直接在全三維空間中產(chǎn)生用戶設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，且可以達(dá)到甚至超過(guò)其他加工方法的精度，快速、精準(zhǔn)、直接地制造三維微分散器件。此外，保持均勻流量的流體輸送系統(tǒng)以及控制檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展也是微分散技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。有了這些方面的長(zhǎng)足進(jìn)步，微化工技術(shù)將為化學(xué)工業(yè)帶來(lái)變革性改變，助力化學(xué)工業(yè)轉(zhuǎn)型和高值化發(fā)展，成為化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。