十字交叉溝通微通道芯片的微液滴生成研究.pdf

1、由于對流動微型化以及離散操縱的需要，在微流控技術(shù)方式下的液滴生成技術(shù)及其實驗應(yīng)用正在化學(xué)與生命科學(xué)等許多領(lǐng)域中引起越來越多的關(guān)注。以前的許多工作表明，一定微加工工藝下形成的微流控通道結(jié)構(gòu)對于其中液滴的生成行為具有重要影響。本論文主要探討基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)微絲模塑工藝構(gòu)建出的十字交叉溝通微通道裝置的微液滴生成能力。
　　 首先，探討這種微通道裝置在氣液兩相流控操縱下十字交叉溝通通孔處的液流隔斷能力。實驗中以純水與壓縮氮

2、氣為介質(zhì)，溝通通孔以上下交叉相切的兩相同直徑(分別為20μm，40μm，60μm，80μm)的圓形微通道來形成，其中一根通道作為充液微通道，另一根作為充氣微通道。結(jié)果表明：充液微通道中液段推進(jìn)所需的充液入口壓力ΔP1(液滴推進(jìn)壓力)，以及充氣微通道隔斷液段生成液滴的充氣入口壓力ΔP2，(液滴截取壓力)均隨通道直徑的增大而減??；一定閾值以下的液滴量的按需程度可只由液滴推進(jìn)壓力ΔP1決定，而不依賴于液滴截取壓力ΔP2；當(dāng)PDMS微通道內(nèi)表面

3、呈親水性時，液滴隔斷生成的閾值量為0.157pL(相當(dāng)于20μm直徑微通道內(nèi)液柱長5μm)，而在內(nèi)表面作磷脂修飾時，這一閾值量下降至0.064p L(相當(dāng)于20μm直徑微通道內(nèi)液柱長約2μm)。同時，對這種交叉溝通微通道的流控操縱下所隔斷生成的液滴的破裂情形也作了討論。
　　 進(jìn)一步實驗表明，利用這種單十字交叉通孔不但可以按需生成液滴，而且在一定條件下也可以連續(xù)生成微液滴(油或水)。其方式是首先要對液滴形成通道(充氣通道)的內(nèi)壁

4、及交叉通孔處作磷脂裱涂修飾。當(dāng)充氣通道中氣體流量與充液通道中液體(油或水)的流量比在2/3～9/10的范圍內(nèi)，這種裝置均可連續(xù)生成微液滴，液滴的體積隨著流量比的增加而減小，頻率可達(dá)到中等通量以上。
　　 其次，探討沿單根通道上形成的多個十字交叉溝通通孔結(jié)構(gòu)的并行流控液滴生成行為。實驗時，以單通道為充氣微通道，其余與之交叉的并行通道為充液微通道。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種沿著單通道上并行的多個十字交叉微通孔結(jié)構(gòu)，也類似單個十字交叉溝通那樣可以

5、形成液滴；在這些并行通道以ΔP1各充以確定長度的液流通過溝通通孔后，在單通道中施加ΔP2，即在每根并行通道中按需生成所需微體積量的液滴的條件，且沿著壓降方向在各并行通道中的液滴隔斷有一定時間差，其時間大小依賴于交叉通孔間距與幾何狀況，當(dāng)間距在100～200μm時該值約0.5s。
　　 第三，探討單十字交叉微通孔的液/液兩相流生成液滴的行為。實驗中，一根通道注入卵磷脂(油)溶液，另一根通道注入純水。結(jié)果表明，在4組直徑(20μm、

6、40μm、60μm、80μm)的單十字交叉微通孔結(jié)構(gòu)中，只有60μm、80μm兩組才能在交叉通孔下游1.5mm處形成水包油液滴，并且液滴體積大小嚴(yán)格依賴于油/水兩者的流量比，即當(dāng)油液流量比水流量大1μl/min左右才能穩(wěn)定形成水包油液滴，液滴體積隨著油/水流量比的增加而增大，均一度良好。如果油/水流量比在10/9～15/14μl/min，水包油以微小液滴(直徑3～5μm)急劇生成。
　　 最后，基于液滴生成觀察的顯微錄像系統(tǒng)、微

7、粒子圖像測速(Micro-PIV)技術(shù)與通道內(nèi)接觸角的圖像分析等過程，編程構(gòu)建了與液滴制備與分析過程相關(guān)的界面，為進(jìn)一步獲取液滴內(nèi)部信息等過程提供了一個初步集成的軟件平臺。作為上述十字交叉溝通微通道裝置生成液滴能力的具體應(yīng)用，初步考察了兩個生物學(xué)上的例子，一是利用來生成皮升級DNA溶液液滴，以供DNA的各種微分析之用；二是操縱微液滴來實現(xiàn)在微升級溶液中分隔出單細(xì)胞，以供未來作單細(xì)胞的實驗分析之用。
　　 綜上結(jié)果表明，基于十字交