粘度在液滴尺寸的应用(2)

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图3-3 实验所采用的芯片结构及尺寸示意图 6

图3-4 不同油相流速和油相粘度情况下，拍摄的液滴照片（标尺为50像素） 7

图3-5 不同油相流速条件下（水相的流速固定在0.4 L/min），油相粘度对液滴尺寸的影响图。 7

表清单

表序号表名称页码

表3-1 不同组成油相的运动粘度和表面张力 4

变量注释表

R 相关系数

Qoil 油相（连续相）流速

1 绪论

微流控芯片液滴是近年来在芯片上发展起来的一种新的操纵微小体积液体的技术[1]。与传统方法形成的乳液相比，芯片液滴具有其独特的优点：液滴的尺寸在微米尺度可调；液滴生成的速率通常在0.1-10kHz，具有足够高的通量；液滴的尺寸均一；液滴被连续的油相包裹、隔离开来，形成封闭的、稳定的微环境。上述特征使得芯片液滴在蛋白质结晶[2]、生化分析[3]、高通量筛选[4]、细胞分析[5]、微纳材料合成[6-8]等领域显示出了巨大的应用潜力。

尺寸的灵活调节是芯片液滴的一大特点，对于以液滴为反应器的终端应用具有重要意义。芯片液滴的尺寸主要受表面张力、两相流体流速、微通道的结构和尺寸，以及流体粘度等因素的影响[9,10]。在采用正向压力驱动流体形成液滴的模式中，连续相和分散相的流速可以单独调节，互不干扰，液滴的尺寸主要通过调节两相流速来控制。这种基于两相流速的液滴尺寸调控方法具有操作简单，调节灵活、迅速等特点，已被广泛应用于微纳材料的合成[11]。但是，正向压力驱动需要多个注射泵协同工作，限制了材料制备的产能和筛选的通量。负向压力驱动流体形成液滴的模式而言，多个单元共用一个负压源，大大提高了液滴形成数量，同时避免了注射泵的过多使用。但是，由于连续相和分散相由共同的负压驱动，两相的流速不能单独调节，无法通过流速调节来有效控制液滴的尺寸。目前，负压驱动的液滴尺寸主要采用集成微阀进行调控[12,13]。通过调节集成微阀的开启和关闭周期，控制分散相进入连续相的体积，从而实现液滴大小的改变。该方法最大的优点在于可对单个液滴的尺寸进行灵活的调节，但是也存在一些不足：（1）集成微阀的加工繁琐、费时，且成功率不高；（2）微阀需要响应时间，且集成度有限，限制了单位时间内液滴形成量，不利于高通量的筛选或材料合成。

鉴于此，我们在前期微阀控制液滴研究的基础上，建立了一种基于连续相粘度变化的、简单有效的液滴尺寸控制技术。通过调节高粘度油相（矿物油）和低粘度油相（十六烷）的混合比例，我们获得了一系列不同粘度的混合油。在排除通道尺寸、表面张力、流体流速等因素的影响下，我们以不同粘度的混合油为连续相，以0.1%的亚甲基蓝水溶液为分散相，实现了不同大小的液滴形成，证明了油相粘度的变化可作为一种简单有效的调控液滴尺寸的方法，在负向压力驱动的液滴操控中具有潜在的应用价值，有利于实现高通量的液滴合成或者液滴筛选。

2 实验部分

2.1 材料及仪器

材料：

正文Sylgard 184 PDMS 聚合前体及引发剂套装(Dow corning 公司，USA)，SU-8 3035 光刻胶(Microchem 公司，USA)，乳酸乙酯(天津市光复精细化工研究所)，异丙醇(天津博迪化工股份有限公司)，镀铬玻璃基片（长沙韶光微电子有限公司），矿物油（Acros公司），亚甲基蓝染料（上海试剂三厂），十六烷、span80（百灵威试剂公司）。