３ 微流控芯片裝置

微流控芯片裝置主要是通過設(shè)計和加工一定構(gòu)型的微管道對微量液體進行分析和操控從而實現(xiàn)特定功能和用途． 近年來 隨著微納加工技術(shù)的提高和相關(guān)研究的深入 基于復(fù)合液滴的微流控芯片系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)、 化學(xué)分析、 材料科學(xué)、 農(nóng)業(yè)、化工、 國防工業(yè)、 航空航天等領(lǐng)域都產(chǎn)生著積極的作用和深刻的影響 相關(guān)的研究成果也層出不窮 得到廣泛關(guān)注．

目前微管道的制作方法主要有機械法、 化學(xué)刻蝕法以及光刻法等． 機械法通常指利用精密的儀器在硅片或金屬片等材料表面上直接加工出特定形狀的微通道這種方法簡單可靠而且可以獲得較高的精度 但是造價比較昂貴 通道密封相對比較困難． 化學(xué)刻蝕法是將硅片、 玻璃片或者金屬等材料作為基底 將光刻膠均勻鋪在基底表面后根據(jù)設(shè)計的形狀在基底的表面形成保護層 最后再使用特定的刻蝕液體腐蝕不受保護部分的材料 通過控制工藝參數(shù)得到具有特定深度的通道結(jié)構(gòu)． 利用這種方法可以加工出納米級別的微通道 但是工藝控制較為復(fù)雜． 光刻法則多是用軟材料來制作特定形狀的微通道 其中聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）是使用最為廣泛的軟材料． 用光刻法制備 ＰＤＭＳ 微流控芯片是目前主要的制作方式 其工藝流程也比較可靠．

圖 ５ 顯示了幾種典型微流控芯片的微管道結(jié)構(gòu) 包括制備單液滴的 Ｔ 型、 同向流動、 流動聚焦、交叉式管道等以及制備復(fù)合微液滴的串聯(lián)或復(fù)合結(jié)構(gòu)等． 利用微流控技術(shù)制備復(fù)合微液滴具有顯著的優(yōu)勢如粒徑非常均勻 顆粒大小可控性強 包裹率高易于集成化等． ２００３ 年 流動聚焦原理被首次用于微流控芯片裝置中 水為分散相 油為連續(xù)相 通過改變過程參數(shù)在微流控芯片的喉道下游得到了不同粒徑范圍的單分散微液滴． 利用微流控芯片裝置結(jié)合不同材料的物理屬性和潤濕性 研究者能夠制備尺寸在 μｍ 量級到 ｎｍ 量級的各種微液滴或微膠囊． 比如 Ｆｅｎｇ 等利用交叉式微流控芯片管道 從中間口引入聚乳酸?羥基乙酸共聚物（ＰＬＧＡ）溶液 從兩個側(cè)口注入脂質(zhì)體（ ｌｉｐｉｄ）水溶液 由于 ｌｉｐｉｄ 分子親疏水的極性 其將會吸附在ＰＬＧＡ 核的表面上 從而形成 ｌｉｐｉｄ?ＰＬＧＡ 復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米微膠囊． Ｏｋｕｓｈｉｍａ 等利用兩個 Ｔ 型接頭的微管道 在第 １ 個接頭處可以生成單分散性的水液滴 在第 ２ 個接頭處可以生成油包水的復(fù)合微液滴． 通過改變流量 可以控制內(nèi)液滴的大小和數(shù)量 也可以通過改變兩個接頭的潤濕性而生成水包油的復(fù)合微液滴．

圖 ５ 幾種典型的微流控芯片結(jié)構(gòu)

近幾年利用微流控芯片裝置制備結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的復(fù)合微液滴 相關(guān)報道越來越多． Ａｂａｔｅ 等利用串聯(lián)十字型接頭 改變相鄰接頭的潤濕性的方法 設(shè)計多級陣列微流控芯片制備得到單層、 雙層直至 ５ 層的復(fù)合微液滴 如圖 ６（ａ）所示． Ｏｋｕｓｈｉｍａ等通過設(shè)計串聯(lián)的 Ｔ 型節(jié)點 并且進行上游疏水性、 下游親水性處理 通過匹配合適的流速 制備了具有多個內(nèi)核的雙乳液． 進一步地 將上游的Ｔ 型節(jié)點改變?yōu)槭止?jié)點后 在兩步乳化過程中制備出具有不同內(nèi)核的雙乳液 如圖 ６（ｂ）所示． Ｎｉｓｉ?ｓａｋｏ 等在微流控芯片中引入雙相流動聚焦 通過設(shè)計 Ｙ 形通道分別從兩個不同的分支中引入兩種類型的有機流體 然后這兩種流體合并成一個雙相層流并通過剪切分解成 Ｊａｎｕｓ 微液滴 如圖 ６（ｃ）所示． Ｓｅｉｆｆｅｒｔ 等利用兩個串聯(lián)十字型接頭 將 ３ 種獨立的半稀釋聚 Ｎ 異丙基丙烯酰胺凝膠（ｐＮＩＰＡＡｍ）溶液在第 １ 個交叉點后形成層流 在第 ２ 個交叉點處被油相剪切破碎成微液滴 中心相組裝在液滴的內(nèi)核中 左右流動相形成 Ｊａｎｕｓ 外殼 如圖 ６（ｄ）所示．最中間水相也可以改為油相制備內(nèi)核為油相的 Ｊａｎｕｓ 微液滴． Ｚｈａｎｇ 等利用微流控芯片技術(shù)制備得到了海藻酸鈉 Ｊａｎｕｓ 微球 并利用微流控芯片和 Ｊａｎｕｓ 微球的特點 避免細胞包封期間細胞長時間暴露于油相 保持細胞的生物活性 用于研究單細胞水平上的細胞間相互作用 通過在Ｊａｎｕｓ 微凝膠中配對和共培養(yǎng)單細胞．

圖 ６ 幾種微流控芯片裝置制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合微液滴

４ 玻璃微毛細管裝置

玻璃微毛細管裝置的原理和微流控芯片相似 但加工方法和幾何結(jié)構(gòu)明顯不同 多個玻璃微毛細管嵌套在一起 一般具有三維或者軸對稱結(jié)構(gòu)． 該技術(shù)成本低、 易操作、 不易腐蝕和包裹率高 顯示了突出的應(yīng)用前景．

美國哈佛大學(xué)的 Ｗｅｉｔｚ 教授課題組最早利用玻璃微毛細管技術(shù)制備分布均勻的復(fù)合微液滴其核心裝置主要由一個方形管和兩個圓形管組成 兩個圓形毛細管嵌套在方形管道內(nèi) 并保證兩個圓形管道同軸． 利用該裝置成功制備了雙層微膠囊 并通過改變各相液體的流量 不僅可以控制液滴直徑、 殼厚 還可以實現(xiàn)控制內(nèi)部液滴的數(shù)量和大?。畧D ７（ａ）顯示了一種改進的玻璃微毛細管裝置也就是利用層層嵌套的方法 能夠制備多層或“一包多”的復(fù)合微液滴．

由于玻璃的透明性和防腐蝕特性 毛細管裝置適合制備豐富的不同材料、 不同功能的復(fù)合微液滴．比如 Ｗａｎｇ 等利用該技術(shù)制備了光固化材料乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（ＥＴＰＴＡ）的復(fù)合微液滴 用紫外光對微液滴進行固化形成多孔微膠囊結(jié)構(gòu)在細胞培養(yǎng)方面做了展示性工作． Ｓｕｎ 等制備復(fù)合液滴并將其凝膠化處理 利用石墨烯的高吸附性 在去除油中雜質(zhì)有很大的應(yīng)用價值． Ｋｉｍ等通過設(shè)計１ 個圓柱毛細管、 ２ 個過渡毛細管和 １個收集管而實現(xiàn)一步到位制備單分散性的多層復(fù)合液滴． 玻璃微毛細管技術(shù)也具有很強的擴展性． Ｋｉｍ等利用兩個并排的毛細管制備了光子晶體 Ｊａｎｕｓ 微球 如圖 ７（ｂ）所示． 這種 Ｊａｎｕｓ 微球由于一個半球是納米碳粉 從而具有電場的各向異性 使 Ｊａｎｕｓ 微球在交流電場下可以整齊排列． Ｗａｎｇ 等利用改進后的 ３ 個并排毛細管開發(fā)了一種用于酶級聯(lián)反應(yīng)的生物激發(fā)多酶系統(tǒng)． Ｋｉｍ 等將不同濃度的聚苯乙烯納米球用光固化材料包裹起來 在滲透壓的作用下 形成具有不同反射光譜的微膠囊光子晶體 如圖 ７（ｃ） 所示． Ｇｕａｎ 等利用毛細玻璃管技術(shù)制備了滲透壓響應(yīng)性的多核微膠囊 如圖 ７（ ｄ）所示．在外界滲透壓作用下 微膠囊內(nèi)部的兩個液滴會因吸收外界水分子而發(fā)生膨脹 通過改變滲透壓的大小可以控制兩個內(nèi)部液滴的大小和膨脹的速度．Ｊｉａ 等制備了包裹有一種或多種活性物質(zhì)的微膠囊通過交流電場可以控制釋放活性物質(zhì)．由界面極化引起的電場誘導(dǎo)壓縮克服了薄殼上的分離壓力并導(dǎo)致液滴油層的變薄和破裂 最終將包封的活性物質(zhì)釋放到環(huán)境中． 根據(jù)離子種類和離子濃度的不同這種技術(shù)可用于封裝和釋放各種試劑． 而且 聚合物納米顆粒和酵母細胞也可包含在液滴中然后在目標位置釋放．

圖 ７ 幾種不同的玻璃微毛細管裝置制備復(fù)合微液滴

５ 對比與討論

同軸電霧化、復(fù)合流動聚焦、微流控芯片和玻璃微毛細管等４種用于制備復(fù)合液滴的微尺度流動方法都具有較高的包裹效率 均可集成化等 但是在裝置結(jié)構(gòu)和流動特征、 制備復(fù)合液滴機理等方面存在顯著的不同． 表 １ 歸納了 ４ 種方法的異同 其中由于微流控芯片和玻璃微毛細管在諸多方面都具有相似性 這里先將它們放在一起進行對比．

表 １ 幾種制備復(fù)合液滴的微尺度流動方法比較

在復(fù)合流動聚焦中慣性力是主要驅(qū)動力易于得到穩(wěn)定的錐形和射流 但顆粒直徑一般分布在微米量級尤其優(yōu)于制備數(shù)十微米的復(fù)合液滴．在同軸電霧化中電場力是主要驅(qū)動力 得到的射流直徑一般在數(shù)微米大小 甚至可以達到亞微米量級 但錐形不易穩(wěn)定． 由于同軸電霧化和復(fù)合流動聚焦技術(shù)的裝置結(jié)構(gòu)十分接近 在制備復(fù)合微液滴方面也存在類似的射流不穩(wěn)定性原理 因此可以將兩種技術(shù)相結(jié)合 能夠使錐形更穩(wěn)定 可應(yīng)用的參數(shù)范圍更廣． 此外 在這兩種技術(shù)中 射流的流動速度一般較快、 破碎頻率高 射流以及復(fù)合液滴在下游運動均處于敞開空間中 便于復(fù)合液滴的收集和后處理．

微流控芯片與玻璃微毛細管有很多相似的特點． 在這兩種技術(shù)中 液體一般約束在管道里 毛細作用和潤濕作用明顯 在較低流量下液體的流動速度也較低 黏性力和表面張力占主導(dǎo) 生產(chǎn)效率一般較低． 這兩種方法制備的復(fù)合液滴一般都比較均勻 粒徑在數(shù)百微米較為常見 也可以在一定條件下減小到數(shù)十微米或更小． 微流控芯片裝置的加工技術(shù)已經(jīng)日益成熟 其可以通過表面改性處理以及不同結(jié)構(gòu)的串聯(lián)、 并聯(lián)以及三維層疊等方式實現(xiàn)復(fù)合微液滴的制備 其可擴展性以及精確性是大批量制備復(fù)合微液滴的重要保障． 相比于微流控芯片裝置 玻璃微毛細管裝置是三維或軸對稱結(jié)構(gòu)的 性能更加穩(wěn)定 不會因為有機試劑造成類似于ＰＤＭＳ 的膨脹現(xiàn)象． 另外 玻璃微毛細管可以對各個管道表面進行簡單的親水性或者疏水性處理 來消除溶劑兼容性問題 使其應(yīng)用領(lǐng)域更廣．

總之 這幾種微流動方法都能夠用于制備復(fù)合液滴 各有特點 將會在不同領(lǐng)域發(fā)揮應(yīng)有的作用促進科學(xué)和技術(shù)的進步．

６ 結(jié)論

基于復(fù)合液滴的微尺度流動是一個逐漸興起的研究方向 在“定制”具有可控尺寸、 形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)合液滴方面具有巨大潛力． 在同軸電霧化、 復(fù)合流動聚焦、 微流控芯片以及玻璃微毛細管這幾種微尺度流動中 可以一步到位地產(chǎn)生雙層甚至多層復(fù)合微液滴 具有較高的單分散性以及包裹效率 并且可以控制封裝在每個外部液滴或殼體內(nèi)的液滴數(shù)量以及大?。?主要優(yōu)勢還在于這些方法能夠精確控制液滴形狀、 結(jié)構(gòu)和各向異性 為生命科學(xué)、 材料科學(xué)、 化學(xué)合成、 粒子工程、 分子生物學(xué)以及其他領(lǐng)域開辟了新的可能性． 相關(guān)基礎(chǔ)問題研究的開展 必將推動基于復(fù)合液滴的微尺度流動的實用化進程．

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