基于玻璃的设备，用于产生液滴和乳液

摘要

在这里，提出了一种制造玻璃基微流体器件的协议，用于生产具有受控液滴尺寸的高单分散乳液。

摘要

在本手稿中，描述了三种不同的分步方案，以使用基于玻璃的微流体产生高度单分散的乳液滴剂。第一个装置是为产生由重力驱动的简单液滴而构建的。第二个器件设计用于在共流方案中产生乳液滴。第三个装置是共流装置的延伸，增加了第三种液体作为电接地，允许形成随后放电的电气液滴。在这种设置中，三种液体中的两种具有可观的导电性。第三种液体在这两者之间介导，是电介质。在两种导电液体之间施加的电压差会产生电场，该电场与共流液体的流体动力应力相结合，影响射流和液滴形成过程。电场的添加提供了一条路径，可以产生比简单腔流设备更小的液滴，并产生各种尺寸的颗粒和纤维。

引言

在微米级和纳米级中以窄尺寸分布控制液滴的产生是一项具有挑战性的任务。这些液滴对于软材料工程感兴趣，在科学和技术中有许多应用^{1，2，3，4，5，6}。

用于高滴剂生产率的最常见设备是混合器⁷ 和超声乳化器⁸。这些方法简单且成本低，但它们通常会导致具有各种尺寸的多分散液滴。因此，需要额外的步骤来生产单分散样品。微流体装置可以有不同的设计，以提供一种有效的滴落形成方法。此外，通常涉及的低流速（即低雷诺数）允许对流体流动进行很好的控制。

虽然微流控器件通常使用聚（二甲基）硅氧烷（PDMS）的光刻技术制成，但本手稿侧重于玻璃基毛细管器件。选择 PDMS 设备通常是因为它们能够设计复杂的通道模式，并且因为它们具有可扩展性。相反，玻璃器件是刚性的，并且比PDMS器件具有更大的耐溶剂性。此外，可以对玻璃进行改性以改变其润湿性，从而可以控制复杂乳液的产生。能够独立处理喷嘴和通道壁能够以受控和可重复的方式形成液滴，同时确保如果液滴接触到壁⁹，则所得乳液的稳定性;否则，水滴可能会凝聚并积聚在墙上。这两类器件之间的另一个区别是，在基于玻璃的器件中，流动是三维的，而在传统的PDMS器件中是平面的。这一事实最大限度地减少了滴与通道壁的接触，使得接触线的影响可以忽略不计¹⁰，从而保护了多个乳液滴的稳定性。

图 1:不同的微流控器件配置。 （A） T 形结、（B） 共流装置和 （C） 流动聚焦装置的草图。 请点击此处查看此图的大图。

使用三种主要几何形状，即T形结¹¹，流动聚焦^12，13和腔流¹⁴。在T结几何形状中，通道中包含的分散相垂直地与容纳连续相的主通道相交。连续相施加的剪切应力会破坏进入的分散液体，从而导致液滴。生成的液滴在较小尺寸上受主通道¹¹ 的尺寸限制。在流动聚焦几何形状中，两种流体被迫通过位于注射管前面的小孔口。结果是形成射流，其比注射管^12，13小得多。最后，该共流几何形状具有以两种不混溶流体14的同轴流动为特征的^构型。通常，根据操作条件，可以观察到滴落和喷射。滴水状态发生在低流速下，产生的液滴非常单分散，并且其直径与尖端尺寸成正比。缺点是其生产频率低。与滴灌状态相比，喷射状态在更高的流速下发生。在这种情况下，液滴直径与射流直径成正比，在适当的条件下，射流直径可能比尖端直径小得多。

这些流体动力学方法的替代方法依赖于额外使用电力。电喷雾是一种众所周知且广泛使用的产生液滴的技术。它基于具有有限电导率的液体在强电场存在下会变形的原理。液体最终将采用锥形形状，这是由电应力和表面张力应力¹⁵之间的平衡产生的。该过程从在液体中感应电流的电场开始，该电流导致电荷在表面积聚。电场的存在导致这些电荷上的电力，该电势将液体沿其移动，使半月板沿电场方向伸长。在不同的条件下，半月板可以脱落带电的液滴，也可以发射一个或多个喷嘴，然后分解成¹⁵个液滴。虽然这些电辅助微流体方法自然允许产生小液滴，但它们缺乏稳态操作，从而损害了乳液的单分散性。由此产生的带电压降倾向于在围护壁和/或设备中电势低于施加的外部电压的任何地方放电。因此，带电的半月板变得不稳定，最终以混乱的方式发射液滴，并导致其不受控制的生产和单分散性的损失。

在电调流中，电应力和流体动力应力耦合在类似于用于产生液的微流体装置 ¹⁶ 中的微流体装置 ¹⁶ 中。两个主要特征使电共流能够成功达到稳态发射状态:（i）分散相喷射到另一种共流粘稠液体中，以及（ii）使用液体对电极或接地。具有流动的外部液体已被证明可以改变液滴排放过程的几何性质¹⁷。液体对电极允许排出和提取产生的液滴，确保液滴的稳态产生。此外，通过利用电动和流体动力的平衡，所得的液滴尺寸可能会在比上述任何技术可以覆盖的尺寸更大的范围内变化。

这个详细的视频协议旨在帮助新的从业者使用和制造基于玻璃的微流体。

研究方案

1. 制作简单的滴剂

1. 要制作简单的滴剂，请使用用显微镜载玻片（76.2 mm x 25.4 mm）制成的玻璃底座来构建设备。这样可以方便地通过玻璃运输和可视化液体。
2. 使用圆形玻璃毛细管作为尖端。对于此方案，请使用直径为 1 mm 的圆形毛细管（有多种尺寸可供选择）。
   1. 为了制造具有所需直径的尖端，使用微量移液器拉动毛细管，直到获得两个具有非常小尖端（〜1μm）的半毛细管。
   2. 使用微锻造将尖端切割成所需的直径（2-80μm）。对于较大的直径（>80μm），如果微锻造没有切割这些尺寸，请使用瓷砖。
      注意:根据所需的液体，玻璃将需要处理，以便液体不会沿着尖端的外部攀升。
3. 对于水基液体，使尖端的外部疏水。对于油基液体，当吸头的外部与水接触时，使吸头的外部亲水。有关玻璃处理，请参见步骤 2.3。
4. 使用注射器针头（20 G）促进将液体引入毛细管。使用剃须刀片或手术刀在针的底部雕刻一个孔 - 毛细管外径的大小。
5. 用水冲洗针头，以清除切割中的任何灰尘和纤维。风干它们。
6. 要组装，请使用快速干燥的环氧树脂将圆形毛细管粘合到显微镜载玻片上。将毛细管的尖端放在显微镜载玻片末端外1-2厘米处。在毛细管中心仅使用一小撮环氧树脂。这样，它就不会干扰视野或注射器针头。
   1. 将注射器针头粘合在一起，使毛细管的末端位于针头的中心。首先，在针底部的边缘周围放少量几乎硬化的环氧树脂。放置针头，使毛细管的末端位于其基部的中心。
   2. 几分钟后，放入第二层新鲜的环氧树脂，覆盖针头的底部，避免开孔。最后，用几乎硬化的环氧树脂覆盖孔，以防止环氧树脂在针内流动。遵循环氧树脂制造商的硬化和固化时间指南。
7. 将一根管子（内径 x 外径 0.86 mm x 1.32 mm）连接到针上。在连接管子之前将其清洁。使用注射器手动冲洗去离子水，以去除切割管道时产生的任何残留物。
   注意:管道材料应与实验中使用的液体相容。管道应足够长，以便能够连接设备和泵送系统。
8. 为了测试设备，通过针头泵送去离子水，并观察是否有任何泄漏。使用注射器及其相应的针头手动泵送水。如果发现泄漏，请彻底干燥设备。应用环氧树脂并等待至少1小时，然后再进行测试。
9. 为了产生液滴，使用夹子将设备放置在垂直位置，使尖端像厨房水龙头一样朝下。使用注射泵或压力驱动装置将液体泵入设备。
10. 通过将尖端放在烧杯或装有含有适量表面活性剂的液体的小瓶中来收集滴剂。例如，对于10cSt硅油作为内液，在水中使用16 mM十二烷基硫酸钠（SDS）的连续相。
    1. 对于水中的油滴，为了增加水滴的稳定性，在制作乳液之前，在收集浴的顶部添加一层粘稠的油。对于油中的水滴，在油中使用非离子表面活性剂来稳定水滴。

图2:雕刻针。 针头，在其基部刻有一个孔，以适合圆形毛细管。 请点击此处查看此图的大图。

图 3:用于生成简单液滴的装置。 用于生成简单液滴的装置原理图。 请点击此处查看此图的大图。

图 4:收集简单的液滴。 （A） 如何在烧杯中收集液滴的草图。（B） 烧杯的俯视图，其中 10cSt 硅油滴在水溶液中的 16 mM SDS 中，以 580 μm 的尖端生产。（C）烧杯的俯视图 ±，其中10cSt硅油滴收集在水溶液中的16 mM SDS中，以86μm的尖端生产。跌落尺寸为（1.75 ±0.04）mm请点击此处查看此图的大图。

2. 使用共流方案制作乳液滴剂

注意:设备的构建类似于步骤 1 中描述的设备。

1. 将设备构建在用显微镜载玻片（76.2 mm x 25.4 mm）制成的玻璃底座上。这样可以方便地通过玻璃运输和可视化液体。
2. 使用具有方形截面的毛细管（方形毛细管）作为外层液体（乳液的连续相），长度约为5厘米。对于此方案，请使用直径为 1 mm 的圆形毛细管（有多种尺寸可供选择）。
3. 对于玻璃处理，根据所选择的内液（分散相），使方形毛细管的内侧疏水或亲水。该治疗将有助于避免液滴卡在玻璃中并干扰新液滴的形成。
   1. 为了使玻璃疏水性，通过将毛细管放入超声波浴中含有丙酮的小瓶中10-15分钟来清洁毛细管。用丙酮或乙醇（切勿加水）冲洗。干燥它们。
   2. 准备一个干净干燥（骨干）的小瓶，含有10mL甲苯（或己烷）+ 20μL三甲氧基（辛基）硅烷溶液。将毛细血管保持在溶液中2小时。用用于溶液的相同溶剂冲洗毛细管。
   3. 用丙酮再次冲洗。用空气干燥。将它们在约70°C的烤箱中烘烤30分钟。
      注意:对于设备提示，如果不破坏它们，则很难实现此过程。
   4. 为了处理设备尖端，将它们浸入甲苯和三甲氧基（辛基）硅烷溶液中几秒钟。去除任何多余的溶液。让其风干。
   5. 为了使玻璃亲水性，重复与疏水情况相同的步骤（2.3.1-2.3.4），但用10 mL丙酮+ 20μL 2-[甲氧基（聚乙烯氧基）6-9丙基]三甲氧基硅烷的溶液。
4. 使用圆形玻璃毛细管作为尖端。将毛细管的外径与方形毛细管的内径相匹配。这确保了两个毛细管同轴对齐。确保圆形毛细管的长度比方形毛细管长几厘米。
5. 根据分散的液体，处理玻璃，使液体不会沿着尖端的外部攀爬。
6. 通过使用快速干燥的环氧树脂将方形毛细管粘合到显微镜载玻片上进行组装。将毛细管的尖端放在显微镜载玻片末端外1-2厘米处（见 图6A）。
7. 在毛细管中心使用一抹环氧树脂，这样它就不会干扰视野或注射器针头。等到它完全治愈。请注意，即使对于快速干燥的环氧树脂，制造商也建议24小时使材料完全固化。
8. 将圆形毛细管引入正方形毛细管，使末端保持在方形毛细管末端外几厘米处。
9. 将另一端（显微镜载玻片外侧）置于方形毛细管内，其距离与方形毛细管末端大致重合（见 图6B）。
10. 在毛细管末端和正方形开始之间的中间距离处使用一小块环氧树脂粘合毛细管。等到它完全治愈。
11. 对引入液体所需的两根针进行以下修改。
12. 为了将毛细管容纳在针的基部，请在圆帽的基部雕刻一个孔，该孔的大小与毛细管的外径大小相同（见 图2）。为了在方形毛细管的末端安装另一根针，在针的底部雕刻圆形和方形孔以容纳关节。
13. 确保两个孔都对齐，以便圆形和方形毛细管可以安装在针内。用水冲洗针头，以清除切割过程中的任何灰尘和纤维。风干它们。粘合针并遵循1.5.2中已经描述的方案（参见 图6C）。
14. 将管子（检查直径和兼容材料）连接到每个针。切割后冲洗管子，以便去除任何碎屑和纤维。手动，使用注射器和针头泵送水。按如下所述测试设备是否存在泄漏。
    1. 通过弯曲一块管子并使用粘合剂夹将其有效地从流体流动中关闭来关闭其中一个针。通过另一针泵送去离子水。如果没有观察到泄漏，请通过另一根针头泵送。
    2. 如果发现泄漏，请彻底干燥设备，应用环氧树脂，并等待至少1小时，然后再进行测试。
15. 为了产生液滴，如步骤1.8所述，使用两种方法之一来驱动液体:使用注射泵固定其流速，或使用加压罐固定其压力。

图5:疏水处理的效果。 （A）和（C）毛细管内部没有任何液体。红线表示毛细血管的末端。（B） 未经治疗的毛细血管。液体正在润湿毛细管，因为它已经爬过红线。（四）用水处理毛细管。在这种情况下，水不会弄湿毛细管。液体保持在红线以下。 请点击此处查看此图的大图。

图6:共流装置。 （A）将方形毛细管放置在显微镜载玻片上。（B）将圆形毛细管定位在方形毛细管内。（C）完整的装置与注射器针头。（D） 完整设备的照片。 请点击此处查看此图的大图。

3. 制造电热流装置

1. 要构建微流体装置，请使用由显微镜载玻片（76.2 mm x 25.4 mm）制成的玻璃底座。由于它们的长度太长，无法放在单个标准显微镜载玻片上，因此使用1 1/2或两个显微镜载玻片。
   1. 切割两小块载玻片（约1厘米）以保持载玻片在一起，如图 7A所示。使用环氧树脂粘合玻璃。等到它治愈。
2. 同轴对齐两个毛细管。为避免对齐两个不同直径的圆形毛细管的额外成本，请使用内侧与圆形毛细管外径匹配的方形毛细管。对于电冲流实验，使用2 mm侧毛细管。
   注意:2 mm侧毛细管使电共流实验效果更好，因为尖端接地距离小于（或相似）尖端与方形毛细管壁之间的距离。当使用1 mm侧毛细管时，毛细管壁比地面更近，液体通常倾向于在那里排出，导致不可重复的结果。
   1. 使用金刚石划线员或其他可用的工具将方形毛细管切割成约4厘米的长度。用水冲洗以去除任何玻璃颗粒。让其风干。如果分散相是水基液体，则使其疏水，否则为亲水性。
   2. 用移液器拉动机器拉动圆形毛细管，直到获得两个带有小尖端的半毛细管。
   3. 使用微锻造将其中一个半毛细管的尖端切割成所需的直径（20-80μm）。对于较大的直径，您可以使用瓷砖。对于油乳液中的水，使尖端的外部疏水。
   4. 使用另一半毛细管作为收集器毛细管。为此，请切割拉出的尖端，以便恢复原始的平端。
   5. 将两个圆形毛细血管切成约4-5厘米长（保持它们比载玻片短）。清洁它们以去除切割过程中产生的任何残留物。使用注射器用去离子水冲洗它们。风干它们。
   6. 将方形毛细管粘在载玻片上（见 图7B）。不要相对于幻灯片居中;幻灯片的接缝不应位于观看区域中。在末端放一个几乎固化的环氧树脂（以防止扩散）。
   7. 将尖端和收集器毛细管放在方形毛细管内。将两端 （ 收集器的尖端和一端 ） 放在同一载玻片上，以避免载玻片之间的连接（参见 图 7C）。尖端和收集器之间的距离约为2 mm。使用显微镜测量此距离。
      注意:此距离将取决于您用于泵送液体的技术。最终目标是在尖端和液体对电极之间保持约1毫米的距离。
   8. 一旦毛细管处于正确的距离，就使用一抹环氧树脂将它们粘在载玻片上。请注意不要用环氧树脂覆盖感兴趣的区域，因为这会使显微镜中的可视化变得困难。
3. 要制造与毛细血管开口端的连接，请放置覆盖这些末端的针。每个设备需要四根针。
   1. 使用剃须刀片或手术刀切割针头的底部，使其适合毛细血管。在针的底部打一个圆孔，以在圆形毛细血管的末端安装一根针。
   2. 要将其安装在方形毛细管的末端，请在针的底部打圆形和方形孔以容纳该关节。确保两个孔都对齐，以便圆形和方形毛细管可以安装在针内。
   3. 用水冲洗针头，以清除切割过程中的任何灰尘和纤维。风干它们。
4. 粘合针头。按照 1.5.2 中的步骤操作。在测试设备泄漏之前，让环氧树脂固化过夜。
5. 要测试设备的泄漏情况，请按照下面列出的步骤操作。
   1. 使用由粘合剂夹固定的弯曲管片关闭两个针。通过其中一个针头泵送去离子水，并使用最后一个针头作为出口。使用注射器及其相应的针头手动将水泵入设备。
   2. 如果没有观察到泄漏，请通过下一个针头泵送。重复该过程，直到水通过所有四个针头。如果发现泄漏，请彻底干燥设备，应用环氧树脂，并等待至少1小时，然后再进行测试。
6. 按如下所述填充设备并去除气泡，因为它们可能会在系统中引入不需要的振荡。要去除气泡，请使用两个装有去离子水的半填充注射器。推拉注射器，将卡在针头和毛细管内的空气引导出设备。
   1. 用实验中使用的液体制备注射器。如上所述，从注射器中取出任何气泡。将一块管子连接到注射器针头上，并用液体填充它，去除所有空气。
   2. 要将管道连接到设备，请从其中一个设备针头上取下用于测试的管道，并使用其中一个连接的水注射器泵送水，以使针头滴水。
   3. 同时，使管道滴入所需的液体。因为两端都在滴水，所以当连接时，不会引入空气。用另外两个注射器重复此过程，因此设备中唯一的自由针头是出口。
7. 将内液（分散相）注射器连接到针头1，将外液（连续相）连接到针头2，将收集液（对电极）连接到针头4。针3是出口（见 图8）。
8. 将电源连接到为内部液体和收集器液体供料的针头（ 图8中的针头1和4），以设置吸头和收集液之间的电位差。
   注意:由于针是金属的，并且与这些导电液体接触，因此它们充当液体导线，设置尖端和收集器半月板之间的电位差。对于上述器件尺寸，电位差的范围在0到2.5 kV之间。
9. 根据实验室设备的不同，使用两种可能的方法之一泵送液体:使用高压注射泵固定液体的流速，或使用压力罐固定液体的压力罐。
10. 选择这些方法之一后，将外部和内部流速固定为所需值，并调整液体收集器的流速（或压力）以保持距离L恒定（见 图9）。

图7:如何逐步在电共流设备上定位毛细管。 （A）为连接两个显微镜载玻片的设备构建玻璃底座。彩色部分是切割的玻璃片，在粘合后，将两个显微镜载玻片固定在一起。（B）方形毛细管在两个组装的显微镜载玻片上的最佳位置。（C）用于电调管实验的圆形毛细管的定位。 请点击此处查看此图的大图。

图 8:电调流装置。 （A） 电调流装置的照片。（B）电热流装置的草图。这些数字表示 （1） 内部液体、（2） 外部液体、（3） 设备出口和 （4） 液体收集器/接地的输入。 请点击此处查看此图的大图。

图 9:电泳槽实验期间吸头和液体对电极的图片。 标记了吸头-收集器距离 L。比例尺对应于 100 μm。显微镜放大倍率为4倍 。请点击此处查看此图的放大版。

4. 清洁程序

1. 将毛细管和显微镜载玻片保持在丙酮中，以除去所有灰尘和油。任何油颗粒或灰尘都可能堵塞微米级的吸头。在制造过程中，使用4x至20x放大倍率显微镜检查每个步骤后的堵塞尖端，以了解10至100μm之间的尖端尺寸。
2. 使用前将去离子水泵入管道。使用注射器和针头并手动泵送水，以防止任何不需要的颗粒从管内进入设备并堵塞尖端。

结果

在这份手稿中，设计了三种不同的装置来产生水滴。我们使用步骤1中描述的设备生成了尺寸为（3.29±0.08）mm（图4B）和（1.75±0.04）mm（图4C）的液滴。乳液滴可以使用共流和电热流装置产生。对于后者，我们在 图9中显示了滴水，而锥形喷射和鞭打模式分别显示在 图10 和 图11中。在

讨论

上面已经描述了制造三种不同玻璃基器件的协议。在设备产生简单液滴的情况速和液体特性对于以受控方式产生液滴至关重要。滴剂将在滴水状态的尖端形成，或者在喷射状态中的喷射结束时形成。从滴水到喷射的过渡由无量纲韦伯数We^23参数化。该数字表示惯性力和表面张力之间的比值， 其中ρ是液体的密度，γ 是界面张...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
2-[methoxy(polyethyleneoxy)6-9propyl] trimethoxysilane.	Gelest	SIM6492.7
Ceramic tile	Sutter	CTS
Ethylene glycol	Fisher	BP230	These can be found at other companies like Sigma-Aldrich
Hexane	Sigma- Aldrich	34859	Available in other vendors
ITW Polymers Adhesives Devcon 5 Minute Epoxy Adhesive 25 mL Dev-Tube	Ellsworth adhesives	470740
Microforge	Narishige	MF 830
Micropipette puller	Sutter	P97
Microscope slides	Fisher	12-544-1	Available in other vendors
Needle 20 Gauge, .0255" ID, .0355" OD, 1/2" Long	McMaster	75165A677
SDS	Sigma-aldrich	428015	Surfactant
Silicone oil	Clearco	PSF-10cSt	The catalog number correspond to the 10cSt viscosity oil. Different viscosity oils can be found at this company
Span 80	Fisher	S0060500G	non-ionic surfactant
Square glass capillary 2mm ID (borosillicate 300 or 600 mm long)	VitroCom	S 102
Standard Glass Capillaries, 6 in., 2 / 1.12 OD/ID	World Precision instruments	1B200-6	These can be found at other companies like Sutter or Vitrocom
Syringe pump	Chemyx	FUSION 100-X	This model has a good quality/price ratio
Syringes (it will depend on the compatibility with the liquids)	Fisher		Catalog number will depend on the size
Trimethoxy(octyl)silane	Sigma- Aldrich	376221	Available in other vendors
Tubing ( it will depend on the compatibility with the liquids)	Scientific commodities	BB3165-PE/5	This reference is for polyethylene micro tubing. The size fits the needle size listed here