浅谈微流控液滴技术

微液滴的生成方式

目前,基于微流控体系的液滴生成方法中,最常用的有主动式和被动式两种。在主动式中,主 要采用诸如热量、气压、压电、微阀和磁场等外场驱动力实现液滴生成。相比主动式而言,被动生成方法 无需施加外场作用,直接利用微通道几何结构的限制促使流场交界面发生变形、界面不稳定性增加,从而生成离散相液滴。被动式液滴生成技术不仅可以生成大小均一、单分散度好、空间分布均匀(微液滴尺寸分布的标准偏差小至 1% ~ 3% )的连续液滴串,还能有效避免外界作用干扰,消除交叉污染。根据材料和通道结构的不同,在被动式中微流控装置主要分为以下3类。

基于PDMS材料加工而成的微流控装置

主要特征是成本较低、制作简便,构建的通道结构灵活多变,对UV光的投射性好,拥有独特的弹塑性,能与载玻片和曲面基板进行面接触。主要用于合成球形颗粒、多相结构颗粒(Janus 颗粒)和截面形状可变的二维挤压式非球形颗粒。但是,PDMS 在非极性溶剂中的溶胀作用是妨碍其应用的主要因素。根据PDMS基微流控装置几何结构的差异以及液相流体流动方向的不同,微液滴的生成可分为以下5种基本形式: (1)二维挤压结构; (2)T型微通道; (3)流动聚焦型微通道; (4)共聚焦型微通道; (5)Y 型微通道。

采用毛细玻璃管搭建的微流控装置

根据嵌套结构的多样性又可分为单乳液滴和复乳液滴两种结构。当离散相通过玻璃管进入主通道时,两相界面在被同向引入的连续相剪切力作用下出现由表面张力引发Plateau-Rayleigh不稳定性,失稳后形成液滴。该结构主要用于生成核鄄壳或多重乳液包裹的复合结构微粒。其主要缺点是对毛细管的制造技术要求较高,且不适于生成二维结构的挤压颗粒。          

基于台阶式结构的液滴生成装置

离散相沿板块中间的小孔流入微通道,在流经台阶处时迅速膨胀成椭圆形小液滴,到达台阶末端后与收集渠中的连续相接触,在两相界面张力的作用下,转变为球形液滴。这种结构可控性差,且不适于生成复杂结构/功能的微乳液滴,故应用范围的灵活性受到极大制约。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和玻璃片等也可用于构建微流控装置,但其应用范围没有PDMS和毛细玻璃管普遍。