什么是數(shù)字微流控？

來(lái)源：泰初科技（天津）有限公司      分類：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 2019-01-18 20:38:31 2472閱讀次數(shù)

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數(shù)字微流控的介紹

數(shù)字微流控是用于基于離散液滴和/或氣泡的設(shè)計(jì)，組成和操縱的微流體系統(tǒng)的一種替代技術(shù)。事實(shí)上，數(shù)字微流控技術(shù)是一種利用乳液科學(xué)原理從微流體中獲得的一種技術(shù)[1,6]。

該技術(shù)的目的是在微流道中產(chǎn)生流體-流體分散體（主要是油包水乳液），它允許產(chǎn)生單分散液滴/氣泡，或具有非常低的多分散性的液滴：小于3%（見(jiàn)下圖）。

如何在微通道內(nèi)產(chǎn)生液滴或氣泡？

產(chǎn)生液滴/氣泡的Z常見(jiàn)方法是在微流體連接處應(yīng)用和控制流體流速，這種方法比較容易實(shí)現(xiàn)。微流體中的乳液處理是基于在微通道交點(diǎn)處（junction）注入連續(xù)相（Qc）和分散相（Qd）時(shí)的流速控制。微通道的連接限定了液滴/氣泡產(chǎn)生的幾何形狀。在微流體系統(tǒng)中主要有三種方法來(lái)產(chǎn)生和操縱液滴/氣泡[2]，這些方法是以其通道的幾何形狀進(jìn)行區(qū)分的，分別是：

（1）共軸流

（2）交叉流動(dòng)或T型交叉

（3）流動(dòng)聚焦

液滴/氣泡的形成取決于連續(xù)相施加在分散相上的剪切力，該剪切力使兩種流體之間的界面變形，直到形成液滴或氣泡。表征這種現(xiàn)象的參數(shù)是毛細(xì)管數(shù)Ca：

該公式表達(dá)了剪切力和界面力之間的競(jìng)爭(zhēng)。U是連續(xù)相的特征速度，μc是連續(xù)相的動(dòng)態(tài)密度，γ是界面張力。界面力試圖將分散相保留在其通道中。

當(dāng)分散相穿透主通道（連續(xù)相的通道）時(shí)，液滴/氣泡開(kāi)始產(chǎn)生，因此，兩種不混溶的流體在微通道的連接處形成界面。界面在連續(xù)相流的方向上移動(dòng)并形成頸部。通過(guò)界面的運(yùn)動(dòng)，頸部變得越來(lái)越窄，直到其破裂并形成液滴/氣泡[3]（圖2）。

圖2：不斷增長(zhǎng)的液滴（油包水）的快照?qǐng)D和共軸流幾何形狀中的Z終分解

圖2照片中液滴斷裂的視頻展示，點(diǎn)擊 這里

產(chǎn)生的液滴/氣泡將連續(xù)相的流動(dòng)限制在薄潤(rùn)滑膜中，液體界面和微通道壁之間。液滴/氣泡越多，潤(rùn)滑膜越薄，此潤(rùn)滑膜的限制空間在局部地區(qū)域內(nèi)增加了對(duì)連續(xù)相流動(dòng)的阻力[3]。因此，它在上游產(chǎn)生的壓力增加，其限制界面直到頸部變得太窄并且斷裂。

很明顯的是必須特別注意導(dǎo)管尺寸和化學(xué)性質(zhì)的選擇。氟化材料（例如Teflon導(dǎo)管）可以用氟化油（例如FC40）潤(rùn)濕，因此，可以使水滴與管壁之間的潛在問(wèn)題的相互作用Z小化。

采用微流控技術(shù)合成乳液的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)液滴/氣泡的產(chǎn)量和單分散性可控。實(shí)際上，數(shù)字微流體技術(shù)提供了高精度管理的可能性：

（1）液滴/氣泡大小

（2）產(chǎn)生頻率

（3）液滴內(nèi)部的組分

理解上述參數(shù)的關(guān)鍵是調(diào)節(jié)液滴/氣泡大小的原理。產(chǎn)生液滴的器件有幾種不同的幾何形狀，我們只關(guān)注其中的一個(gè)（圖3）。如果需要了解其他液滴產(chǎn)生的幾何形狀，請(qǐng)參閱[2]。液滴/氣泡的大小由許多因素校準(zhǔn)。首先，當(dāng)分散相進(jìn)入主通道并填充時(shí)，液滴/氣泡的長(zhǎng)度L等于通道ω的寬度。定義d為頸部的大小，h定義為微通道的高度。

圖3：交叉流動(dòng)（或T型接頭）幾何形狀的液滴產(chǎn)生示意圖

用于產(chǎn)生液滴的微流體流動(dòng)控制系統(tǒng)是產(chǎn)生單分散液滴的Z關(guān)鍵部件之一。OB1微流體壓力控制器被認(rèn)為是Z極ng確的，是世界上Z快的液滴生成流量控制器，如果您想了解更多的相關(guān)信息，請(qǐng)點(diǎn)擊 此處。

當(dāng)液滴/氣泡進(jìn)入主通道時(shí)，連續(xù)相的壓力增加。因此，該壓力使頸部收縮并以速度Vc減小其尺寸，連續(xù)相的流速可通過(guò)下式進(jìn)行估算：

在頸部壓縮的這段時(shí)間內(nèi)，分散相進(jìn)入主通道。液滴的大小以速度Vd增加，可以用下式推斷分散相的流速為：

因此，液滴/氣泡的Z終長(zhǎng)度是填充主通道ω之前的初始長(zhǎng)度和進(jìn)入主通道的延伸時(shí)間內(nèi)累積的長(zhǎng)度之和te。此時(shí)間是將頸部從其初始尺寸d壓縮（以速度Vc）直至其斷裂所需的時(shí)間：

頸部的初始尺寸d取決于分散相的微通道ωd的大小。根據(jù)科學(xué)家的選擇，比率d/ω通常等于1。因此，液滴的大小由科學(xué)家用他的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和/或約束來(lái)校準(zhǔn)。上面定義的模型[4]已通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（圖4）。該圖顯示了如何控制液滴/氣泡的大小。

圖4：液滴尺寸的報(bào)告數(shù)據(jù)VS兩相流體的流量比率

液滴/氣泡產(chǎn)生的頻率也很容易控制。可以用一定比率的流速固定液滴/氣泡的尺寸，并且在不改變液滴/氣泡尺寸的情況下，通過(guò)增加流速來(lái)增加液滴的產(chǎn)生頻率。Z常用的參數(shù)是控制液滴內(nèi)部組分的能力，它為物理學(xué)、化學(xué)和微生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的微流體學(xué)提供了許多應(yīng)用[5]。

流動(dòng)聚焦幾何結(jié)構(gòu)中的液滴生成實(shí)例

參考文獻(xiàn)

[1] H.A. Stone, A.D. Stroock, and A. Ajdari. Engineering flows in small devices. Annual Review of Fluid Mechanics, 36(1) :381– 411, (2004). 

[2] G. F. Christopher and S. L. Anna. Microfluidic methods for generating continuous droplet streams. Journal of Physics D: Applied Physics, 40(19): R319, (2007). 

[3] M. De Menech, P. Garstecki, F. Jousse, and H. A. Stone. Transition from squeezing to dripping in a microfluidic t-shaped junction. Journal of Fluid Mechanics, 595(1): 141–161, (2008). 

[4] Piotr Garstecki, Michael J. Fuerstman, Howard A. Stone, and George M. Whitesides. Formation of droplets and bubbles in a microfluidic t-junctionsca領(lǐng) and mechanism of break-up. Lab Chip, 6(3): 437–446, (2006). 

[5] Ansgar Huebner, San極v Sharma, Monpichar Srisa-Art, Florian Hollfelder, Joshua Edel, and Andrew deMello. Microdrople ts : A sea of applications ? Lab Chip, 8(8) :1244–1254, (2008). 

[6] Javier Atencia and David J. Beebe. Controlled microfluidic interfaces. Nature, 437(7059) :648–655, (2005).

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