微流控双乳液滴基础知识

乳液（emulsions）是两种或两种以上互不相溶液体的混合物，其中，离散相以液滴的形式分布于连续相中。双乳液（double emulsion）则是一种分散相液滴中包裹着更小液滴的高度结构化流体，外液滴在内液滴的周围形成了一层屏蔽层，有效地隔离了内液滴与连续相，如下图所示。

双乳液又被称为乳液中的乳液或包裹性液滴，常见的类型主要分为W/O/W型和O/W/O型。以下图的O/W/O型为例，内部分散相和外部分散相为油相，中间相为水相，这种结构统称为油包水包油型双重乳液。

双乳液滴的主要优势：

（1）双乳液滴内部可以进行多种生物、化学反应，所需样品试剂量少、消耗低；

（2）在一定的工作条件下，双乳液滴的尺寸、数量可控，且可定量地分析内部的反应条件和结果；

（3）双乳液滴作为一个封闭的反应体系，避免了反应物浓度的改变以及不同反应之间的交叉污染；

（4）微乳滴的尺寸小，比表面积较大，传质、传热效率高。

凭借这些特定的优势，双乳液滴广泛地应用于化妆品、药物生产、细胞医学、食品科学、石油工业、化学合成、环境监测等领域。

目前，双乳液滴的制备有传统的化学乳液合成法和微流控制备方法，微流控制备双乳液滴从液滴成型方式上可以分为主动式和被动式。主动式需要使用磁力、激光等外界动力进行乳化，对设备和成本要求较高。被动式可以通过微通道的结构设计和多相流的流速控制来控制流场，从而使两相流在界面张力、黏性力以及惯性力等综合作用下完成乳化。被动式制备双乳液的工艺主要有协流式（同轴流）、交叉流式以及流动聚焦式，如下图所示。

其中，协流式或同轴流方法主要是由多个共轴的微通道组成，其中，连续相包裹分散相呈同轴流动，相界面在R-P不稳定性的作用下产生波动，进而破裂形成液滴。当同轴流芯片的各个通道在同一个轴线上时，双乳液滴的尺寸均匀性和生成频率才能达到最优。当前，同轴流芯片主要采用玻璃毛细管进行搭建。交叉流式主要是基于T形结构的微通道，其中，内流体以一定的角度进入外流体，在外流体的剪切力作用下将产生动量失稳，破碎成小液滴，连续的两个T形通道就能实现双重乳液的制备。流动聚焦式主要是十字型结构的芯片，主要是利用了毛细不稳定性来乳化液滴。如上图c中所示，由伯努利方程可知在窄缩口处流体流速会急剧增大，导致外相流对内相流对称的剪切力作用的增大，流体在窄缩口的挤压下产生聚焦效果完成乳化。