论文部分内容阅读
液滴微流控技术研究液滴的生成、操纵与应用,其中液滴生成之后的操纵方式可以多种多样,如液滴的分割、合并、分选、分隔、定位等以适于不同的应用场合。一些生物医学研究场合,如要将单细胞或细胞群进行配对、孵育为球状体等,就要求在液滴（同时包封细胞等）生成之后进行定位分隔以利于对液滴包封的内含物实施进一步的观测分析与操作,这种应用场景产生了对液滴生成与定位耦合装置技术的需求。但是微流控条件下,液滴生成过程的高度动态性与液滴定位分隔需要的相对静止之间,存在着协调挑战,对试图集成为一体化过程的装置的努力带来一定难度。另外,现有流行的基于光刻技术的微流控装置原型的加工工艺在众多普通生物医学实验室中存在建立与运行障碍,难以普及,需要探索可替代的低成本易用工艺方案。本文探讨在低成本易用工艺条件下适于液滴生成与捕获定位的液滴微流控装置的加工以及该装置中液滴生成与捕获行为,为发展液滴生成与定位耦合集成式液滴微流控技术提供新的可能。（1）耦合液滴生成与定位的集成式液滴微流控装置的设计与加工:该装置由上、下两层键合而成,上层由3个进液口和3个出液口构成,下层由液滴生成器、蛇形乳化通道、液滴捕获系统构成。其中,液滴生成器为流动聚焦构型,蛇形乳化通道由蛇形弧度半径为0.5mm与1mm共26mm长的通道组成,液滴捕获系统由Z型主通道与分支通道构成,分支通道沟通Z型主通道的上下平行通道。在分支通道上布置有灌注通道、微孔以及限制性微通道。在主通道沿程上布置的多个分支通道形成阵列（1×15个与6×10个）。实验探讨了这种液滴微流控装置低成本工艺构建中琼脂糖复制模塑过程,结果表明琼脂糖最低适用浓度随微通道线宽尺寸的增加而减小,3.5%（w/v）的琼脂糖浓度能够获得完整的各线宽尺寸微通道及完整的琼脂糖阳模;同时琼脂糖阳模水分含量在90%以上时,制得阳模的表面十分光滑。（2）利用上述构建的液滴微流控装置,采用生物相容性优良的大豆油作为连续相,海藻酸钠作为分散相,对液滴生成行为进行了表征。（A）考察这种流动聚焦构型中不同分散相入口微通道宽度变化（分别为100μm、150μm、200μm、250μm、300μm）对液滴生成的影响。结果表明:（a）将分散相流量固定为1μl/min,分散相入口微通道宽度取上述5种不同尺寸值时,该装置所生成液滴的直径,均随着连续相与分散相的流量比（Qc/Qd）的增加（2～10）而减小（351.6±7.4μm～173.6±5.2μm）;而在同一两相流量比下（Qc/Qd=4）,液滴直径随着分散相入口微通道宽度的增加而减小（326.2±9.2μm～251.2±3.1μm）;在五种不同分散相入口微通道宽度下,液滴的CV值均小于4%,提示所设计的液滴生成器生成的液滴具有较好的单分散性。（b）在分散相入口微通道宽度为200μm的液滴微流控装置中,同一分散相流量下（Qd=2.1μl/min）,所生成液滴随两相流量比（Qc/Qd）的增加（2～10）其直径减小（277.6±5.1μm～163.2±5.9μm）,生成频率则增大（2.94～9.09个/秒）。（B）考察蛇形乳化通道中不同弧度半径（分别为0.25mm、0.5mm、0.75mm、1mm）对向下游运动的液滴流中液滴间距的影响。结果表明:（a）随着两相流量比（Qc/Qd）的增加（2～10）,液滴流中液滴之间的间距增大（0.4±0.01mm～1.99±0.02mm）;（b）在同一两相流量比下（Qc/Qd=5）,蛇形弧度半径越大液滴间距越小（1.115±0.05mm～0.939±0.02mm）;（c）作为对照组的直管通道中,相同流量比情形中液滴间距相对于蛇形通道较大（1.22±0.05mm）。（3）对上述液滴微流控装置中的液滴捕获行为进行了初步分析与表征。（a）电路模拟分析预测表明,该装置中分支通道及微孔要成功捕获液滴,存在一个限制性微通道的临界压降△PC与临界两相流量之和Qr,分别约为2k Pa、0.06μl/min。（b）在1×15孔阵列中,随着两相流量比（Qc/Qd）的增加（2～8）,液滴捕获效率降低;当分散相流量为0.3μl/min,Qc/Qd=2时,达到最高捕获效率为66.7%。（c）当在1×15孔阵列的各灌注通道上端左侧均增刻一个100μm深、150μm宽的增流导向槽时,实验表明,当分散相流量固定在0.3μl/min时,两相流量比从2至10,液滴的捕获效率随着两相流量比的增加略有下降,但总体上趋于稳定;且当Qc/Qd=2、3时,捕获效率高达86.6%,相较于没有增流导向槽的情形,捕获效率提高了20%。（d）当将刻有增流导向槽的装置的捕获结构阵列数,由1×15个扩大到6×10时,捕获效率会随着两相总流量的增加而减小;当Qd=0.3μl/min,Qc/Qd=2时,达到最高捕获效率为71.7%,相较于刻有增流导向槽的1×15孔阵列低,但仍高于未刻增流导向槽的1×15孔阵列。这些结果提示,本文所设计构建的液滴微流控装置,在较宽的两相流量比范围内,能够有效生成高单分散性的大尺寸微液滴,且具有相对高的定位捕获效率,为进一步发展出更为理想可控的高度耦合液滴生成与定位捕获的集成式液滴微流控技术提供了有价值的参考方向。