基于集成微通道的单/多组份液滴制备装置及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微流控领域以及化工、生物制药技术领域，尤其涉及基于集成微通道 的单/多组份液滴制备装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 液滴在药物颗粒制备、医学检测分析以及精细化工等领域得到了广泛的应用。目 前制备液滴的方法主要有微流控制备法、喷雾法以及毛细管液滴控制方法等。其中，微流控 方法利用微通道结构内的一些特殊流体流动机制制备液滴，其产生的液滴尺寸均匀度高， 可控性强，与其他方法相比具有显著的优越性。
[0003] 利用微流控制备液滴的方法主要包括T型通道法、流体聚焦法和阶梯式乳化法 (step emulsification)等。其中，阶梯式乳化法具有单分散性好、能量消耗低以及生产频 率易调等特点，在实际生产中优势尤为明显。然而，通过光刻等加工方法制造阶梯式乳化所 需的微通道设备的生产周期长，成本较高，不利于实际工业化生产。此外，大批量制备含有 多组分的液滴也是国内外长期以来的一个技术难题。实现单组份或多组分液滴的高效大通 量且低成本的生产，无疑对于化工和生物制药等相关领域具有重要意义。
【发明内容】
[0004] 鉴于以上技术问题，本发明提供了基于集成微通道的单/多组份液滴制备装置及 其控制方法，其目的是实现液滴的大通量制备，简化液滴制备工艺，降低液滴制备的成本， 且能生产包含多个组分的液滴，从而为化工和生物制药等领域的发展提供技术支持。
[0005] 为了到达上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种基于集成微通道的单组 份液滴制备装置，包括离散相输入系统和液滴生成系统；所述离散相输入系统和液滴生成 系统相连；所述离散相输入系统包括：注射栗和离散相入口接头；所述注射栗和离散相入 口接头通过管路连接；所述离散相入口接头包括：接头主体、针头和若干毛细管；所述接头 主体具有内腔，针头插入接头主体的上部与接头主体的内腔相连通，针头通过胶水与接头 主体相连并密封；若干毛细管均匀排列地插入接头主体的下部，并与接头主体的内腔相连， 若干毛细管通过胶水与接头主体相连并密封；
[0006] 所述液滴生成系统包括：离散相出口接头、微通道塑料薄膜和连续相容器；所述 离散相出口接头由两片夹板和两片垫板组成；两片夹板之间夹着两片垫板，两片夹板和两 片垫板之间形成一个空腔；所述微通道塑料薄膜插入到所述空腔中，并通过胶水粘接；所 述微通道塑料薄膜含有一系列平行的集成微通道；所述两片夹板之间的距离为h，微通道 塑料薄膜的底端到离散相出口接头的下底面的距离为1，则1多3h ;所述连续相容器装有连 续相，离散相出口接头浸没在连续相中；所述若干毛细管与微通道塑料薄膜的上端插接。
[0007] 进一步地，所述离散相出口接头的材料与离散相间的接触角大于90度。
[0008] -种基于集成微通道的多组份液滴制备装置，包括液滴生成系统和N个离散相输 入系统；其中，N为大于等于2的正整数；所述若干离散相输入系统和液滴生成系统相连； 所述N个离散相输入系统均包括：注射栗和离散相入口接头；所述注射栗和离散相入口接 头通过管路连接；所述离散相入口接头包括：接头主体、针头和若干毛细管；所述接头主体 具有内腔，针头插入接头主体的上部与接头主体的内腔相连通，针头通过胶水与接头主体 相连并密封；若干毛细管均匀排列地插入接头主体的下部，并与接头主体的内腔相连，若干 毛细管通过胶水与接头主体相连并密封；
[0009] 所述液滴生成系统包括：离散相出口接头、微通道塑料薄膜和连续相容器；所述 离散相出口接头由两片夹板和两片垫板组成；两片夹板之间夹着两片垫板，两片夹板和两 片垫板之间形成一个空腔；所述微通道塑料薄膜插入到所述空腔中，并通过胶水粘接；所 述微通道塑料薄膜含有一系列平行的集成微通道；所述两片夹板之间的距离为h，微通道 塑料薄膜的底端到离散相出口接头的下底面的距离为1，则1多3h ;所述连续相容器装有连 续相，离散相出口接头浸没在连续相中；
[0010] 第一离散相输入系统的第一毛细管与微通道塑料薄膜的第一通道相连；第二离散 相输入系统的第一毛细管与微通道塑料薄膜的第二通道相连；第三离散相输入系统的第一 毛细管与微通道塑料薄膜的第三通道相连；第N离散相输入系统的第一毛细管与微通道塑 料薄膜的第N通道相连；第一离散相输入系统的第二毛细管与微通道塑料薄膜的第N+1通 道相连；第二离散相输入系统的第二毛细管与微通道塑料薄膜的第N+2通道相连；第N离 散相输入系统的第二毛细管与微通道塑料薄膜的第2N通道相连，依次类推。
[0011] 所述离散相输入系统中相邻两个毛细管的距离大于5(N+l)h ;所述微通道塑料薄 膜中连接第i离散相输入系统的第j毛细管的通道与连接第i+Ι离散相输入系统的第j毛 细管的通道的距离小于5h ;其中，i为小于N的正整数，j为正整数。
[0012] 进一步地，所述离散相出口接头的材料与离散相间的接触角大于90度。
[0013] -种基于集成微通道的单组份液滴制备装置的控制方法，具体包括以下步骤：
[0014] 在注射栗中装入离散相，在连续相容器中装入连续相，启动注射栗，注射栗推动离 散相运动，根据所需的制备速率确定注射栗的流量Q1;当流量超过临界值时，会导致液滴产 生机制发生转变，使得液滴尺寸迅速增大；该转变过程由毛细管数Ca1= ηU/γ决定，其中 η为离散相的粘度，U为离散相流速，γ为离散相与连续相之间的表面张力；由于临界毛细 管数在0. 04至0. 06之间，为确保不会因为流量过大而发生机制性转变，取毛细管数小于等 于0. 04,即Cai< 0. 04,则流量满足Q 0. 01η γ π d 2/ η，其中，η为微通道塑料薄膜中实 际使用的通道数量，d为微通道塑料薄膜中微通道的直径；离散相在离散相出口接头处发 生台阶式乳化，从而生产单组份液滴。
[0015] -种基于集成微通道的多组份液滴制备装置的控制方法，具体包括以下步骤：
[0016] 在注射栗中装入离散相，在连续相容器中装入连续相，启动所有注射栗，注射栗 推动离散相运动，根据所需的制备速率确定各个注射栗的流量Q，各个注射栗的流量相等； 当流量超过临界值时，会导致液滴产生机制发生转变，使得液滴尺寸迅速增大；该转变过 程由毛细管数Ca2= τι aU2/ya决定，其中τι a为不同离散相的粘度的平均值，U2为离散 相流速，丫3为不同离散相与连续相之间的表面张力的平均值；由于临界毛细管数在〇. 04 至0. 06之间，为确保不会因为流量过大而发生机制性转变，取毛细管数小于等于0. 04,即 〇&2彡0.04，则流量满足0彡0.0111131(12/1.#111#，其中^为大于等于2的正整数；离 散相在离散相出口接头处发生台阶式乳化，从而生产多组分液滴。
[0017] 制备单组份液滴时，根据需要选择互不相溶的连续相和离散相。连续相或离散相 中可加入适量的表面活性剂。离散相的密度大于连续相的密度。制备多组分液滴时，根据 需要选择连续相和多种离散相。连续相和各离散相均不互溶，但各离散相之间互溶。连续 相或离散相中可加入适量的表面活性剂。各离散相的密度均大于连续相的密度。
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0019] (1)相比于喷雾法等传统工业化液滴生产方法，本发明所述的装置和方法制备得 到的液滴的单分散性好。
[0020] (2)相较于T型结构及流体聚焦结构等微流控液滴制备方法，本发明所述方法具 有结构和操作简单，所需的栗的数量少，制备液滴的速度显著提高并且便于实现工业集成 化等优点。
[0021] (3)本发明可以在较大的通量下制备多组份液滴等复杂功能液滴。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明中制备单组份液滴的装置示意图；
[0023] 图2为本发明中离散相入口接头剖视图；
[0024] 图3为本发明中呙散相入口接头A - A向剖视图图；
[0025] 图4为本发明中离散相出口接头主视图；
[0026] 图5为本发明中离散相出口接头俯视图；
[0027] 图6为本发明中微通道塑料薄膜和离散相出口接头的装配图；
[0028] 图7为本发明实施例1中单组份液滴制备示意图；
[0029] 图8为本发明实施例2中单通道液滴制备时机制转变的临界流量；
[0030] 图9为本发明中制备多组份液滴的装置示意图；
[0031] 图10为本发明实施例3中双组份液滴制备示意图；
[0032] 图11为本发明实施例4中双通道液滴制备时机制转变的临界流量；
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