毛细管基微流体放大系统流体流量分配的研究

郭成初 马 涛 黄 嘉 常振旗

(中国科学技术大学 核科学技术学院，合肥 230027)

毛细管基微流体放大系统流体流量分配的研究

郭成初 马 涛 黄 嘉 常振旗*

(中国科学技术大学 核科学技术学院，合肥 230027)

微流体在平行通道中的均匀分配是实现微流体控制放量制备粒径单分散性功能微球的重要技术。本研究设计了毛细管基微流体控制放大装置，详细研究了毛细管尺寸、毛细管长度、流体流量以及流体粘度对微流体流量均分的影响。研究结果表明，随着毛细管内径的减小、毛细管长度的增加、流体流量的增大、流体粘度的增加，流体流量分配均匀性更好，即流体流量变异系数(CV)变小。研究获得了描述CV与其影响参数之间关系的经验公式。

微流体 平行通道 流量分配 放大装置

1 引言

近年来，关于微流体技术在基础研究领域取得了很大的进步。微流体技术的主要优点包括可以生产出变异系数(CV)小于5%的单分散的微粒，能够实现微粒粒径的精确控制，在军事、医药、环境控制、化学分析和生物工程等领域具有广阔的应用前景[1]。微流体装置能够通过许多不同的方法产生单分散液滴，包括碰撞喷射，T形接头，交叉流动，共流动和流动聚焦装置[2]。但是一直受限于生产能力的限制阻碍了该技术在工业领域的大规模应用，单个微流体液滴产生装置可以以几十至几百微升每分钟的速率产生液滴，单根毛细管装置一天中可以生产出的微球质量在1g左右，而测量一次密度至少需要几克微球，这种生产速率远远满足不了实验室规模的需求，更是比大多数工业应用所需的数量要低几个数量级[3]。

目前的微流体技术大多是基于微流体芯片而开发的[4]，这种技术在实验室范围内取得了很大的成功，也有一定范围的应用，但是在工业化大规模应用时有诸多无法克服的缺点：(1)微流体芯片造价昂贵；(2)芯片内壁的极性无法改变，芯片的亲水疏水的问题无法克服；(3)大规模应用时的芯片堵塞问题无法解决，一旦发生堵塞整个芯片会面临报废的问题。为此开发出了一种廉价的、可拆装的毛细管基的微流控量产制备微球的装置，该装置能制备粒径在5～1000微米范围内的微球并且能精准控制微球的粒径，更可以实现在故障情况下的在线拆装、维护。该装置的核心部件是使用若干八通将分散性、连续相一分为八，可以实现微球产量的数倍放大，并且可以多个八通串联，可以实现微球的工业化生产。但是利用此技术大规模生产微球时其中一个很大的挑战就是如何实现流体在八通中的均匀分配。因为微流体技术是利用流体之间的剪切力对液体进行分散，分散相由毛细管通入，在毛细管的端口受到界面张力作用形成液滴并逐渐聚集长大。由于液滴处于连续相的流场中，分散相液滴会受到连续相的剪切力的作用。随着分散相液滴的长大，当连续相的剪切力大于长大的分散相液滴的拉普拉斯力时，分散相液滴脱离毛细管管口形成球[5]。而液滴的尺寸与分散相、连续相的流速均有密切的关系[6]，因此只有实现流体的均匀分配才能实现所制备微球的粒径是单分散的。实验发现流体在八通中的绝对均匀分配是不可能的，但是我们知道流体分配不均匀性的大小和流体受到的流动阻力有密切的关系[7，8]，可以通过控制装置的一些参数来控制流动阻力从而控制流体分配不均匀性的大小，从而实现微球的粒径分布在一定符合要求的范围内，流体在八通里面所受到的流动阻力主要和流体的流量、流体的粘度、毛细管长度、毛细管内径有关，本文详细研究讨论了此四个影响因素对流体均分造成的具体影响，并构建出了流体流量大小变异系数与所受影响因素之间的经验公式。并由此公式作为指导设计、构建起了一套可拆装的毛细管基微流体放大装置。

2 实验

2.1 实验材料

实验装置如图1所示。该装置由八通、毛细管、精密注射泵、压力传感器、过滤器、注射器以及8个收集瓶组成。八通在实验装置中起到均分流体的作用。本实验中使用了3种不同内径的毛细管，内径分别为100μm、150μm和200μm。所使用的泵是具有0.0901μL/ min～124.361ml /min的流速范围的高精度泵，将微过滤器放置在注射器和八通之间以过滤流体中的杂质，压力传感器测量泵的推力。此外，在实验中选用蒸馏水和几种不同粘度的CMC-Na溶液作为流动介质，流体粘度通过NJD-1旋转粘度计测量，其测量精度为0.5cp。

图1 流体流量分配研究实验装置示意图

2.2 试验方法

通过在特定时间间隔内从瓶子中收集的流体并测量流体的质量来测量流速，流体的质量的CV即是流体流量大小的CV。测量每组数据时，当注射泵停止运行后，一定要等到压力值不再变化时，即装置达到稳定状态时再测量流体质量，而从注射泵停止运行到稳定状态需要等待2min左右。每组数据的测量需要在注射泵稳定运行状态下运行约45min，为了减小测量误差，当流体流量很小时注射泵需要运行更长的时间，每个实验状态下的数据至少重复测量3次。

流体流量分配的均匀性好坏通过一个参数表示：变异系数CV。变异系数的算法如下：

其中m是8个收集瓶收集到的八个平行出口流出的流体质量。

3 实验结果和数据分析

3.1 流体分配的研究

为了使制备的微球粒径是单分散的，就要求各个管口的流量之间的CV足够小，即是要求各个管口的流量分配是单分散的。但是影响流体在八通微通道中分配均匀性好坏的因素有很多，实验发现流体在微通道流动过程中的流动阻力越大流体分配的均匀性就越好，CV值越小。这里易于操作、易于控制、对流体流动阻力影响最重要的因素有以下几个：流体流量大小、流体粘度、毛细管长度、毛细管内径。本文就此4个变量采用控制变量法深入研究讨论每个变量对CV大小的具体影响。

3.1.1 流体流量大小对CV的影响

在本实验中，采用蒸馏水作为流动介质，每种毛细管均选用10cm长，分别测定毛细管内径为100μm，150μm和200μm时在至少6种不同流速下的CV，每种情况下的CV至少测量3次。实验结果和数据拟合结果如图2所示。在这里选用几种不同的函数形式来拟合这些实验数值后发现采用反比例函数y=axb的形式时实验数据与拟合函数的相似度最高，相似度都能达到99.8%以上。通过图2可以看到当流量由200μL/min逐渐变大时，CV值会迅速减小，当流量达到800μL/min时CV值会减小50%左右。当流体流量大于1000μL/min时再增加流量时CV值将不会发生明显的减小，此时再采取加大流体流量的来减小CV的做法是不可取的。这是因为其他因素对CV的影响将起到主要作用，比如：温度的影响、毛细管的长度不是绝对一致的、实验装置的不是完全水平的等因素造成的影响。

图2 流量及毛细管内径对流体分配均匀性的影响毛细管长度：10cm；流体：蒸馏水

3.1.2 毛细管长度对CV的影响

可以预测是当毛细管长度越长的时候，流体流动阻力就越大，因此为了使在毛细管长度很长的时候测量CV的误差很小就要求流体的流量不能过大，此时流体流量选择350μL/min，选用蒸馏水作为流动介质。分别测量3种不同内径的毛细管在至少5种不同的长度值时的CV值，每种情况下的CV至少测量3次。实验结果和数值拟合结果如图3所示。通过实验数值不难发现在一定的毛细管长度范围内，CV与毛细管长度(L)之间存在线性关系，故此时选用y=c+dx作为拟合函数，拟合函数的相速度都在99%以上，此时该式子适用的最长毛细管的长度和毛细管内径的关系式是L=1200D，当毛细管的长度大于最大的L值时CV将不再发生显著的减小，因为此时别的因素对CV的影响将起到主要作用。

图3 毛细管长度及内径对流体分配均匀性的影响流体流量：350μL/min；流体：蒸馏水

3.1.3 流体粘度大小对CV的影响

为了更准确测定CV的大小，如果选用的毛细管过长或者流体流量过大，会使CV值太小导致测量时误差太大，因此此时实验时选择流体流量大小为100μL/min，每根毛细管的长度选为10cm。通过改变溶液中的CMC-Na的浓度来改变流体的粘度，用NJD-1 旋转粘度计测定不同CMC-Na浓度下的溶液粘度，每种CMC-Na浓度下的溶液粘度至少测3次并取其平均值，同一流体流量、同一毛细管内径、同一粘度下的CV至少测量3次。实验结果和数据拟合结果如图4所示，通过数据拟合分析最终选定相似度最高的反比例函数y=exf作为CV与流体粘度之间的拟合函数形式，相似度都在97%以上。由图4不难发现当溶液粘度逐渐上升时CV值迅速下降，当溶液粘度是2cp时的CV值相比于蒸馏水的CV值已经下降了60%以上，而当溶液粘度大于3cp时，每种毛细管的CV值已经基本不再随溶液粘度的变化而变化。

图4 流体粘度及毛细管内径对流体分配均匀性的影响流体流量：100μL/min；毛细管长度：10cm

3.2 建立经验公式

通过认真分析以上诸多实验数据，这里得到了一个可以概括出CV与流体流量(Q)、毛细管长度(L)、毛细管内径(D)、流体粘度(η)之间的一个经验公式：

实验数据和由经验公式得到的理论数据的关系如图5所示，通过图5可以看出，理论数据和实验数据基本分布在直线y=x附近，二者的变化趋势有着很大的一致性。但是当CV值小于0.02时实验值和理论值的误差稍微有点偏大，当CV在0.02和0.05之间时理论值和实验值的平均误差在5%以内，而在放大装置中要求微球粒径的CV在0.05以下，也即是要求流体分配的CV在0.05以下即可，考虑到微球的快速生产和放大装置设计的合理、实用性，控制CV在0.05以下即可，在此实验误差允许范围内此经验公式可以作为指导公式来设计实验装置或者指导实验装置的运行。

图5 CV的理论值与实验值比较

4 放大装置的设计和建造

装置的实物图如图6所示，该装置还拥有一系列的辅助系统，如：冷却系统、控制系统、加热系统、搅拌系统、收集系统等，图6展示的是最核心的生产微球的分散相系统和连续相系统。这里选用内径是150μm的毛细管，毛细管长度是15cm，上层的八通通入分散相，分散相溶液的成分是：质量分数86.8%的水、12%的丙烯酰胺、0.2%的过硫酸铵、1%的NN-亚甲基双丙烯酰胺，其溶液粘度约等于水的粘度，分散相的流速为100μL/min。下层的八通选用内径为1mm的特氟龙管，长度为7cm，分散相通入硅油，其粘度约为500cp，流速为3000μL/min。由于分散相溶液遇热固化，因此底部收集瓶中装的是85℃左右的热硅油，用来收集生产的微球并使微球固化。因为连续相的流速和粘度都很大，因此可以认为连续相的不均匀性对微球粒径的不均匀性的影响是忽略不计的。

各个管口收集到的微球如图7所示，由于显微镜视野的原因只展示了生产的一部分微球，每个管口生产的微球至少测量50个左右的微球粒径并取平均值，这里由微球粒径的分布计算得到CV是0.0295，由经验公式计算得到的微球粒径分布是0.0326，实验值和理论值的误差约为10%，这也验证了经验公式的适用性。实验利用三通、八通之间的串并联实现装置规模的更进一步的放大，初步可以实现16倍于单根毛细管的产量的放大。此装置每天的微球产量可在100g至公斤级，可以精准控制微球粒径，并且微球粒径的分布是单分散的，初步实现了微球的量产，完全满足了实验室规模的微球需求。

图6 八通道毛细管基微流体控制制备单分散性功能微球装置

图7 实验装置各通道制备的聚丙烯酰胺微球光学图片

5 结论

(1)本工作详细研究了平行通道中微流体流量分配均匀性的主要影响因素，研究显示，CV与毛细管长度呈现线性关系，而与流体流量、流体粘度都呈现反比例函数的关系。随着毛细管内径的减小、毛细管长度的增加、流体流量的增大、流体粘度的增加流体分配均匀性会更好。研究获得的经验公式可以定量描述多通道微流体中的流体流量分配均匀性与其主要影响参数之间的关系。

(2)基于基础研究数据，设计构建了8通道可拆装式毛细管基微流体控制制备功能微球装置，并在此装置上制备出单分散性的聚丙烯酰胺微球，验证了放大装置的可行性，为微流体控制技术在功能微球的工业化制备应用奠定了基础。

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信息简讯

中国科学院烟台海岸带研究所表面分子印迹聚合物电位型传感器构建成功

发展适合于现场快速检测海洋生物大分子及海洋细菌的生物传感器技术，对于及时快速地开展海洋环境监测和评价具有重要意义。目前，对生物大分子的检测，一般采用酶联免疫法、生物化学测试法、聚合酶链式反应法等技术;对全细胞的检测，则通常需要通过细胞培养实验来完成。然而，上述方法存在仪器复杂、设备昂贵、检测耗时长等缺点，仅适用于实验室分析。

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相关研究成果已于近日发表在化学期刊《德国应用化学》上。 (中国科学院烟台海岸带研究所)

Predictive flow rate distribution in the scale-up of capillary-based microfluidic system.

Guo Chengchu，Ma Tao，Huang Jia，Chang Zhenqi*

(School of Nuclear Science and Technology，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China)

In this paper, a capillary-based microfluidic control amplifying device was designed. The effect of capillary size, capillary length, fluid flow rate and fluid viscosity on the distribution of microfluidic flow was studied in detail. The results show that with the decrease of capillary inner diameter, the increase of capillary length, fluid flow rate and fluid viscosity, the fluid flow distribution uniformity is better, that is, the variation coefficient (CV) of fluid flow becomes smaller. The empirical formula describing the relationship between CV and its influence parameters is obtained.

microfluid; parallel channel; flow rate distribution; scale-up device

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.04.023

2017-03-02

郭成初，男，1993年出生，中国科学技术大学核科学技术学院硕士研究生，课题是微流控量产制备核燃料微球装置的设计与建造研究，E-mail：guocc@mail.ustc.edu.cn。