协同流动对台阶乳化生成Janus液滴的影响研究
连娇愿 郑素霞 许忠斌 阮晓东
摘 要 连续相协同流动可增加台阶乳化的通量和控制灵活性，对液滴微流控有重要影响。本研究搭建了多通道台阶乳化装置制备Janus液滴，研究协同流动对Janus液滴生成的影响。首先， 制备并优化多通道台阶乳化芯片，实现了Janus液滴的稳定生成。 其次，通过改变连续相和离散相的流量，研究了其对Janus液滴生成的影响。发现改变两相流量，Janus液滴直径和频率发生相应变化，但其生成稳定性不受影响：当连续相流量增大时，生成的Janus液滴直径减小，频率增加; 当离散相流量增大时，生成的Janus液滴直径增大，频率亦增大。在本实验条件下，两组分Janus液滴直径可控制在638～1640 μm之间，产生频率可控制在0.02～2.2 Hz之间。在此基础上，制作了三组分液滴生成芯片，并成功制得了三组分液滴。通过改变两相流量发现，三组分液滴直径随流量增加的变化更大，说明协同流动作用对三组分液滴生成的影响更大。本研究采用台阶乳化方法实现了液滴大小可在线调控的二组分和三组分液滴制备，为化学化工和微量分析检测研究提供了依据和方法。
关键词 协同流动; 微流控; Janus液滴; 台阶乳化; 化学化工; 分析检测
1 引 言
微流控作为一项新兴技术受到广泛关注[1]。其中，液滴微流控技术由于独特的性能已成功应用于生物医学、医药、化学化工、化妆品、食品、分析检测等领域[2，3]。液滴微流控技术包括液滴生成与液滴操控技术[4，5]。液滴生成常用的方法有T型、十字形或Y型剪切法、流动聚焦法和台阶乳化法等[6]。T型、V型或Y型方法是通过连续相对离散相的强剪切作用，使离散相分散成微小液滴的方法。该方法装置简单，可控性强，但不适用于对剪切敏感的材料，同时生成小液滴的单分散性易受两相流速波动的影响[7～10]。流動聚焦法剪切作用相对较弱，且可控性强，但其芯片制作复杂，生成液滴的单分散性依然受两相流速波动影响较大[11～13]。台阶乳化法是在毛细管末端设置台阶，使离散相经过维度膨胀，再被拉普拉斯压力差作用而形成液滴。此项技术装置简单，液滴单分散性好，在一定范围内基本不受连续相和离散相波动影响， 但其存在可控性差、液滴大小依赖于芯片物理尺寸以及通量低等缺点[14，15]。
液滴操控技术包含液滴融合、包裹、分裂、定位、捕获和筛选等技术[16]。液滴融合技术可使两种或多种不同化学性质、成分、极性、基团或其它不同性能的微型液滴克服界面张力，融合生成一个液滴，其中包含两个液滴通常被称为Janus液滴。Janus液滴在生化反应、细胞分析和材料合成中均有广泛的应用。在分析科学领域，液滴融合技术可定量融合试剂与细胞或微生物实现生化分析，融合不同的反应物实现化学定量分析[17～19]; Janus液滴可作为自驱动微型泵推动药物、细胞或微生物在微流体中运动[20]; 具有磁或光不同功能的Janus液滴可作为磁性可控开关或光控开关用于微分析系统[21]; 液滴固化后形成的具有胶体光子晶体（CPCs）的Janus颗粒可用于制作显示屏[22]等。然而，克服界面张力融合是Janus液滴形成的重点和难点。液滴融合技术根据是否施加外加动力可分为主动融合和被动融合两种方式[23]。主动融合技术通常是应用电场、温度场、磁场以及声波或激光等作用，使两个液滴界面失稳，诱导产生融合的方式; 被动融合则是通过结构设计及流速调节等，使两个液滴首先发生接触并最终达到融合的方式。相较而言，被动融合受外界干扰少，且不需要复杂的控制系统，适用范围更广; 但其结构设计则需要对两相流体的流动特性充分了解，并且增加了芯片的复杂程度[24]。此外，Janus液滴还可通过设计微流控装置直接生成[25]。Nisisako等[26]与Cheng等[13]通过在Y型微通道管两个入口分别通入两个分散相，然后再连接流动聚焦装置，成功制备了Janus液滴。Nisisako等[27]利用Y型微通道与T型剪切乳化装置连接，制备了Janus液滴。Yang等[28]使用Y型管与三维同轴流装置首先制备Janus液滴，再经过下游光固化后形成了Janus颗粒。上述研究均使用了Y型微通道，由于Y型微通道使得两个分散相在Y型交叉通道中即发生接触，因此不利于有化学反应场合的研究与应用。此外，T型、流动聚焦型以及同轴流乳化装置生成液滴的单分散性不高，不能满足化学反应研究对高精度的要求，因此，还需设计单分散性更高、更适合的Janus液滴生成装置。
由于台阶乳化法制备的液滴单分散性高，本研究采用台阶乳化法直接生成Janus液滴。同时，为了克服台阶乳化的弱点，在芯片中引入了连续相协同流动。由于协同流动是分散相和连续相流体在芯片中接触后并行流动的一种方式[6]，其作用机理是通过连续相流动对离散相的拖拽和挤压限制，使得离散相失稳， 发生断裂生成液滴[29]。因此调节协同流动的参数即可达到实时改变生成液滴的大小和频率的目的[30]。本研究搭建了协同流台阶乳化装置，探索了台阶乳化法直接生成Janus液滴的技术难点及解决方法，考察了协同流对Janus液滴生成的调控影响。此外，成功制备了三组分液滴，并研究了协同流的调控作用。
2 实验部分
2.1 芯片与制备
制备协同流台阶乳化芯片所使用的材料包括：MCF（Microcapillary film）薄膜或玻璃毛细管、卡夫特UV胶、亚克力片、UV固化灯、固定夹、记号笔。芯片制备流程如图1所示。
首先，将MCF薄膜或玻璃毛细管及亚克力片常温超声水浴清洗180 s，再用无水乙醇擦洗，以清除表面油污。待干燥后，用水性记号笔在亚克力板上标记出台阶位置。其次，将卡夫特UV胶刷在一片亚克力板上台阶位置上方较远处（以防毛细作用吸入台阶中堵塞通道），然后用镊子将MCF薄膜或玻璃毛细管排列在其中一片亚克力板上，调整位置，使通道方向与记号线垂直，通道出口与记号线重合。在调整好的MCF薄膜或玻璃毛细管出口位置上游刷卡夫特UV胶。将另一片亚克力板盖在MCF薄膜或玻璃毛细管上，调整位置，使其记号线与下方亚克力板的记号线重合。最后，用夹子固定上下亚克力板，将装置放在UV固化灯下固化1～2 min后取出。除掉固定夹，芯片制作完成。制得的芯片主视图和俯视图如图1左下所示。
2.2 实验方法及仪器
本研究所用分散相为纯净水加入1%（w/w）十二烷基硫酸钠（SDS）及不同颜料，连续相为二甲基硅油加入5%（w/w）道康宁749（Dow corning）。分散相注入装置为SPLab01型单通道蠕动泵（保定申辰泵业），连续相注入装置为LSP04-1A型四通道注射泵（Longer pump）。注射器与芯片通过聚四氟乙烯（PTFE）微管相连。微液滴收集装置是由透明亚克力板粘结而成的收集槽。照明装置为SFL-Y-5W/7W型无影灯（向日葵照明公司），液滴生成过程由HVS430W型便携式显微镜（AmScope公司）拍摄，由AMCap（No Danjou）软件录入电脑中。实验系统及连接如图2所示。
2.3 液滴生成及融合过程
台阶乳化生成Janus液滴的过程如图3a～3f所示。两种组分不同的分散相首先由相邻的通道流入台阶。当两种分散相在台阶中扩展时，两个液饼不断长大并靠近，同时，它们之间的连续相硅油逐渐被排出，直到两个液饼相互接触，并在一定的作用力下克服了界面张力的作用而融合。融合后的液饼进一步在台阶中扩展，到达台阶边界后流出台阶部分迅速三维膨胀， 最终在拉普拉斯压力差的作用下发生颈缩断裂，至此一个Janus液滴即形成。由于整个流动过程为层流，Janus液滴在液饼最初形成直到断裂的过程中有明显的分界线，除分子运动外，不会发生两种组分迅速混合。而在液滴断裂时，由于颈缩断裂的扰动及液滴内部旋流作用，两相才开始发生混合。
在协同流作用下，Janus液滴的生成过程基本不变，但是在台阶中生成的液饼会明显变小，甚至在强协同流作用下被拉长为舌型，如图3g所示。而舌型液饼可迅速到达台阶边界，生成更小的Janus液滴。因此，在芯片尺寸一定时，控制协同流的流量即可控制生成Janus液滴的大小及频率。改变两个分散相的流量，则可控制Janus液滴中的组分含量。分散相流量与液滴大小和频率的关系如式（1）所示[31]。
3 结果与讨论
3.1液滴融合稳定性研究
通常，台阶乳化中Janus液滴的生成过程如图3所示。然而，在实际操作中，要实现两个分散相液饼融合，首先需使两个分散相的表面张力相等，其次要使二者之间的硅油排挤干净，进而在一定的力或扰动情况下使两个液饼发生融合。实验最初采用MCF制作多通道芯片，然而，在MCF芯片中，两个液饼融合必须在特定的条件下才能发生[32]。本研究发现，该条件随着芯片尺寸改变而改变，即每个特定的芯片都有自身特定的液饼融合条件。此外，液滴融合的条件范围很窄，即融合不稳定，在一定的突变或扰动下，很容易发生融合失败，不利于大规模应用。因此，本研究首先探究了使两个液饼稳定融合的方法。
研究表明，分散相与芯片的表面接触角对液滴能否稳定融合有重要影响。如图4A所示，水与塑料（如亚克力板）的表面接触角大于90°，因此当通道选用疏水的MCF时，两个液饼与通道接触角均大于90°，分散相不会浸润通道出口表面。这使得两个液饼必需通过排出它们之间的硅油后才能融合，液饼融合难度大。如图4A中虚线所示，两个液饼中间有硅油未挤出，导致融合失败。当水在玻璃表面时，其接触角小于90°，因此选用玻璃毛细管为通道时，由于其亲水性，分散相很容易在玻璃毛细管出口处形成浸润，如图4B所示，亲水的玻璃表面使得水相比油相更易黏附，因此油相更易被彻底挤出，使两个水相分散相在出口处迅速融合。实验表明，此种融合方法稳定性高，基本不受两相流量或芯片尺寸改变的影响。此外，由于浸润性，两个分散相在一定的界面张力差异下也能顺利融合。因此，本研究采用玻璃毛细管制作的芯片研究协同流作用下Janus液滴的生成。
3.2 协同流流量的影响
连续相协同流动可减小台阶中液饼的大小，使得生成的液饼呈舌型，从而更快到达台阶边缘，生成更小的Janus液滴。 选择分散相流量为0.1 mL/h， 连续相流量为0.01～30 mL/h，考察了协同流量对生成Janus液滴大小的影响，实验结果如图5所示。随着协同流量增加，液滴直径逐渐减小，当协同流量达到30 mL/h時，生成的Janus液滴直径为638 μm，比协同流量为0.01 mL/h时的台阶乳化液滴直径减小了61%，说明协同流动对生成的液滴大小有重要影响。根据图5A中液滴直径与协同流量的拟合关系可得出，Janus液滴大小与连续相协同流量的对数值呈线性相关（见图5A插图）， 线性相关系数R>0.99， 其拟合关系式为：
由Janus液滴生成频率与协同流量的关系图（图5B）可知，随着协同流量增加，液滴生成频率逐渐增大，这与式（1）的理论结果一致。观察整个液滴生成过程（图6A）发现，“液舌”在台阶中的扩展宽度随协流流量的增加而逐渐减小， 这是因为两侧协同流动的作用力限制了液舌的横向扩展。且随着协流流量增大，两组分分散相在液饼内的混合逐渐减弱，这主要是由于协流导致生成频率增大，减小了两分散相在“液舌”中的接触时间，从而降低了分子扩散的作用效果。
如图6B所示，随着协流流量增加，断裂时刻前流出台阶外的液滴“头部”直径D1逐渐减小，这是由于协流的拖拽作用力使得达到力平衡时的时间变短，因此，流入“头部”的分散相减少。两分散相混合效应随协流流量的增加而逐渐减弱，一方面是由于两侧协流的方向性可能减弱了内部旋流，另一方面是由于流入“头部”的分散相的减少降低了扰动。 从断裂位置来看，断裂点的高度H基本不随协流流量的增加而变化，说明协同流动不能改变液滴的生成模式，这与单分散相液滴的协流研究结果一致[14]。
3.3 分散相流量的影响
根据协同流台阶乳化的特点，分散相流量亦可影响生成的Janus液滴大小。本研究中两种分散相采用相同流量，即生成的Janus液滴中两组分含量相等。分散相流量对Janus液滴大小的影响如图7所示，其中连续相流量维持20 mL/h不变。由图7A可见，随着分散相流量增加，液滴直径逐渐增大; 当分散相流量达到3.0 mL/h时，Janus液滴直径较0.1 mL/h流量时增大了63%。这是由于当分散相流量增加时，与连续相之间的流速差减小，协同流动的拖拽力减弱，导致断裂前“头部”长大。液滴直径与分散相流量的对数线性相关， 线性相关系数R>0.98，拟合关系式为：
随着流量增加，液滴生成频率逐渐增大。因此，增加分散相流量，可同时引起液滴直径和生成频率的增大。
不同分散相流量下液滴的生成过程如图8所示。由图8A可见，在相同的协同流量和不同分散相流量下，台阶中“液舌”的形貌基本未发生变化，宽度随着流量增大而略有增加。但实验中“液舌”扩展到台阶边缘的时间显著缩短。如图8B所示，颈缩断裂前，分散相扩展至台阶外的“头部”随着分散相流量的增加而明显增大。这是由于分散相流量的增加使得相同时间内流入头部的分散相体积增加所致。此外，颈缩断裂点逐渐向台阶边缘靠近，提示改变分散相流量可能改变液滴的生成模式。研究表明，当分散相流量为4 mL/h时，颈缩断裂点移动到台阶之外，液滴生成模式由“滴流”（Dripping）改变为“射流”（Jetting）。射流形成的液滴直径很大（2.55 mm），且两相在生成液滴前的“头部”内即快速混合，实际操作时应避免这种情况。因此，对不同的芯片和台阶长度，分散相流量均存在一定的范围，在此范围内，生成的液滴直径较小，单分散性较高，且两相界限分明。
3.4 三组分液滴融合
在2.1节制备的多通道二维融合芯片中增加通道，芯片即可用于多组分Janus液滴的制备。本研究通过在相邻的三通道中通入组分不同的分散相，在分散相两侧的两通道中通入连续相，成功制备了三组分融合液滴。如图9所示，从不同通道流出的分散相在通道出口处稳定融合（a）; 在协同流作用下扩展到台阶边界（b）; 3个分散相流出台阶边界后三维膨胀（c）; 当台阶外的分散相膨胀到一定阶段后，台阶中发生颈缩现象（d）; 颈缩持续加剧，直至断裂（e）; 最终形成三组分液滴，流出芯片（f）。
同两组分Janus液滴生成相同，协同流量及分散相流量均对三组分液滴的大小及生成频率产生影响。如图10所示，三组分液滴的直径随着协同流量的增加而减小，当流量从1 mL/h增加到30 mL/h，液滴直径减小了45%。此外，液滴直径随着分散相流量的增加而增大，当分散相流量从0.1 mL/h增加到5 mL/h时，液滴直径增大了89%。分别拟合得到关系式（4）与（5）， R均大于0.96。
D=4.50×103-1454.56lgQc（4）
D=2.16×103+374.53Qd（5）
与四通道芯片实验结果对比可知，分散相通道的增加使得台阶内“液舌”宽度变大，因此颈缩时间延长，生成的液滴直径明显增大。同时，对比式（2）和式（4）可知，拟合直线斜率明显减小; 对比式（3）和式（5）可知，拟合关系由单对数线性关系变为线性增加。这说明液滴生成受协同流动的影响增加，可能是颈缩过程变慢导致协同流的连续相与分散相在台阶中作用时间更长， 因此作用效果增强。
制得的三組分液滴可为催化剂参与的化学反应或三组分反应物反应的研究提供方法。例如中间相为催化剂，在层流状态下，3种离散相不会发生显著混合，催化剂作为中间相还可起到分离两种反应物的作用。通过调节中间相流量，可精确控制催化剂相的含量。由于台阶乳化生成的液滴单分散性好，试剂消耗少，有助于定量研究。三组分液滴可为化学化工和分析检测研究提供载体和新思路。
4 结 论
研究了协同流台阶乳化中Janus液滴的生成与控制。首先，采用MCF薄膜制备了多通道台阶乳化芯片。研究结果表明，相邻通道乳化生成Janus液滴条件较苛刻，且稳定性差。通过降低分散相与通道出口表面的接触角，可提高两分散相的融合稳定性。采用接触角更小的玻璃毛细管取代MCF，制备了玻璃毛细列管台阶乳化芯片。相邻通道内的分散相在毛细管出口处顺利融合，且融合后的液饼稳定性强，成功制备了单分散两组分Janus液滴。考察了连续相和分散相的流量对生成的Janus液滴的影响，随连续相流量的增加，液滴大小减小，生成频率增大; 随离散相流量的增加，液滴大小和生成频率均增大。在两组分Janus液滴台阶乳化芯片的基础上增加通道，制作了三组分台阶乳化芯片，并成功制备了三组分液滴。与两组分Janus台阶乳化芯片相比，增加分散相通道后，液滴生成受到协同流动的影响增强。本研究结果可为化学化工和分析检测领域的定量分析和催化剂或试剂参与的反应或检测研究提供载体和理论基础。
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Abstract Continuous phase co-flow can increase the throughput and control flexibility of step emulsification， and has an important effect on droplet microfluidic. This study built a multi-channel step emulsification device to generate Janus droplets and to study the effects of both continuous phase co-flow and dispersed phase flow on the generation of Janus droplets. Firstly， Janus droplets were successfully prepared by the device， and the generation stability was optimized by using glass capillaries instead of microcapillary film based on their different wall contact angles at the channel outlet. Secondly， the effect on the generation of Janus droplet was studied by changing the flows of the continuous and dispersed phases， respectively. The result showed that the Janus droplets generation stability was almost independent of the two phases flow rates. When the continuous phase co-flow rate increased， the resulted Janus droplet diameter decreased， and the generation frequency increased. The droplet diameter decreased by 61% with the co-flow rate increasing from 0.01 mL/h to 30 mL/h. When the flow rate of dispersed phase increased， both the diameter and generation frequency of the generated Janus droplet increased. The droplet diameter increased by 63% as the dispersed phase flow increased from 0.1? mL/h to 3.0 mL/h. Within the scope of this study， the diameter and the generation frequency of the two components Janus droplet could be controlled in 638-1640 μm and 0.02-2.2 Hz， respectively. In addition， three-component droplets were generated successfully and steadily by a three-component droplet generation chip which was prepared based on the two-component droplet generation device. By changing the two phase flow rates， the droplet diameter and frequency could also be tuned on-line. When the co-flow rate increased from 1? mL/h? to 30 mL/h， the droplet diameter decreased by 45%， and when the dispersed phase flow increased from 0.1? mL/h? to 5 mL/h， the droplet diameter increased by 89%. The generation frequencies increased accordingly. Additionally， it was found that the co-flow effect had a greater impact on the generation of three-component droplet due to the result that the three-component droplet diameter changed greater than the two-component droplet when changing both the continuous and dispersed phase flows. Therefore， in this study， two-component and three-component droplets were generated by co-flowing step emulsification， which could be controlled on-line by changing the co-flow rate. The results of this study provided a basis and method for micro and trace research of chemical and analysis industry.
Keywords Co-flow; Microfluidic; Janus droplet; Step emulsification; Chemical industry; Analysis
