３ 微流控芯片裝置

微流控芯片裝置主要是通過設計和加工一定構型的微管道對微量液體進行分析和操控從而實現特定功能和用途． 近年來 隨著微納加工技術的提高和相關研究的深入 基于復合液滴的微流控芯片系統在生物醫學、 化學分析、 材料科學、 農業、化工、 國防工業、 航空航天等領域都產生著積極的作用和深刻的影響 相關的研究成果也層出不窮 得到廣泛關注．

目前微管道的制作方法主要有機械法、 化學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設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 通過控制工藝參數得到具有特定深度的通道結構． 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構 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合微液滴的串聯或復合結構等． 利用微流控技術制備復合微液滴具有顯著的優勢如粒徑非常均勻 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 油為連續相 通過改變過程參數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 從兩個側口注入脂質體（ 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 復合結構的納米微膠囊． 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合微液滴． 通過改變流量 可以控制內液滴的大小和數量 也可以通過改變兩個接頭的潤濕性而生成水包油的復合微液滴．

圖 ５ 幾種典型的微流控芯片結構

近幾年利用微流控芯片裝置制備結構更為復雜的復合微液滴 相關報道越來越多． Ａｂａｔｅ 等利用串聯十字型接頭 改變相鄰接頭的潤濕性的方法 設計多級陣列微流控芯片制備得到單層、 雙層直至 ５ 層的復合微液滴 如圖 ６（ａ）所示． Ｏｋｕｓｈｉｍａ等通過設計串聯的 Ｔ 型節點 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 制備了具有多個內核的雙乳液． 進一步地 將上游的Ｔ 型節點改變為十字節點后 在兩步乳化過程中制備出具有不同內核的雙乳液 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核為油相的 Ｊａｎｕｓ 微液滴． Ｚｈａｎｇ 等利用微流控芯片技術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單細胞．

圖 ６ 幾種微流控芯片裝置制備復雜結構的復合微液滴

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構明顯不同 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構． 該技術成本低、 易操作、 不易腐蝕和包裹率高 顯示了突出的應用前景．

美國哈佛大學的 Ｗｅｉｔｚ 教授課題組最早利用玻璃微毛細管技術制備分布均勻的復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 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 還可以實現控制內部液滴的數量和大小．圖 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、 不同功能的復合微液滴．比如 Ｗａｎｇ 等利用該技術制備了光固化材料乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（ＥＴＰＴＡ）的復合微液滴 用紫外光對微液滴進行固化形成多孔微膠囊結構在細胞培養方面做了展示性工作． Ｓｕｎ 等制備復合液滴并將其凝膠化處理 利用石墨烯的高吸附性 在去除油中雜質有很大的應用價值． Ｋｉｍ等通過設計１ 個圓柱毛細管、 ２ 個過渡毛細管和 １個收集管而實現一步到位制備單分散性的多層復合液滴． 玻璃微毛細管技術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 個并排毛細管開發了一種用于酶級聯反應的生物激發多酶系統． 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制備了滲透壓響應性的多核微膠囊 如圖 ７（ ｄ）所示．在外界滲透壓作用下 微膠囊內部的兩個液滴會因吸收外界水分子而發生膨脹 通過改變滲透壓的大小可以控制兩個內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的微膠囊通過交流電場可以控制釋放活性物質．由界面極化引起的電場誘導壓縮克服了薄殼上的分離壓力并導致液滴油層的變薄和破裂 最終將包封的活性物質釋放到環境中． 根據離子種類和離子濃度的不同這種技術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合微液滴

５ 對比與討論

同軸電霧化、復合流動聚焦、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 但是在裝置結構和流動特征、 制備復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 幾種制備復合液滴的微尺度流動方法比較

在復合流動聚焦中慣性力是主要驅動力易于得到穩定的錐形和射流 但顆粒直徑一般分布在微米量級尤其優于制備數十微米的復合液滴．在同軸電霧化中電場力是主要驅動力 得到的射流直徑一般在數微米大小 甚至可以達到亞微米量級 但錐形不易穩定． 由于同軸電霧化和復合流動聚焦技術的裝置結構十分接近 在制備復合微液滴方面也存在類似的射流不穩定性原理 因此可以將兩種技術相結合 能夠使錐形更穩定 可應用的參數范圍更廣． 此外 在這兩種技術中 射流的流動速度一般較快、 破碎頻率高 射流以及復合液滴在下游運動均處于敞開空間中 便于復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 生產效率一般較低． 這兩種方法制備的復合液滴一般都比較均勻 粒徑在數百微米較為常見 也可以在一定條件下減小到數十微米或更小． 微流控芯片裝置的加工技術已經日益成熟 其可以通過表面改性處理以及不同結構的串聯、 并聯以及三維層疊等方式實現復合微液滴的制備 其可擴展性以及精確性是大批量制備復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構的 性能更加穩定 不會因為有機試劑造成類似于ＰＤＭＳ 的膨脹現象． 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 使其應用領域更廣．

總之 這幾種微流動方法都能夠用于制備復合液滴 各有特點 將會在不同領域發揮應有的作用促進科學和技術的進步．

６ 結論

基于復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、 形狀和內部結構的復合液滴方面具有巨大潛力． 在同軸電霧化、 復合流動聚焦、 微流控芯片以及玻璃微毛細管這幾種微尺度流動中 可以一步到位地產生雙層甚至多層復合微液滴 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的液滴數量以及大小． 主要優勢還在于這些方法能夠精確控制液滴形狀、 結構和各向異性 為生命科學、 材料科學、 化學合成、 粒子工程、 分子生物學以及其他領域開辟了新的可能性． 相關基礎問題研究的開展 必將推動基于復合液滴的微尺度流動的實用化進程．

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