基于液滴微流控技术的大尺寸液滴生成与计数方法研究

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液滴微流控技术已经被广泛应用于生物、化工、医药、环境等领域。与传统方法相比,其优势主要为生成液滴的体积小、单分散性好;生成通量高;反应速度快。小尺寸液滴(10-15~10-9L)的应用已被大量报道。随着研究的深入,更大尺寸液滴(10-8~10-6L)的应用价值逐渐被研究人员关注。本文主要研究了基于液滴微流控技术的大尺寸液滴的生成和计数方法,通过数值模拟和实验相结合的方式,掌握方法内在规律,优化实验条件,为后续大尺寸液滴的实际应用提供参考。本文首先利用两相流水平集方法对T型通道内弹状液滴的生成过程进行数值模拟,探究影响液滴尺寸的关键因素。通过对水平通道压力变化的分析可知,连续相的挤压剪切作用力是液滴生成的关键驱动力,该力由水平通道的上下游压差和连续相黏性力主导;液-液界面张力引起的附加压力和壁面对液滴的黏附力是阻碍液滴生成的作用力。故与上述作用力相关的参数是影响生成液滴直径的关键因素。数值模拟和实验结果表明,增大两相流量比和液-液界面张力系数,减小连续相黏度和分散相与疏水壁面的接触角均能有效增大液滴的尺寸,其中两相流量比是最主要的影响因素,当两相流量比Qd/Qc由0.2增至2时,液滴的直径增加了55%。当两相流量比不变时,液滴的尺寸由连续相黏度和界面张力之间的相对大小决定,利用毛细数Ca衡量这两个参数间的相对大小,液滴的尺寸随Ca的减小而增大。利用液体石蜡和3%(w/w)ABIL EM 90为连续相,纯水为分散相,T型通道内生成液滴的范围在300至620μm,液滴直径的相对标准偏差小于5%。为进一步增大生成液滴的尺寸,开展十字通道液滴生成方法研究。采用两相流相场方法研究十字通道内弹状液滴的生成过程,分析影响液滴尺寸的关键因素。数值模拟结果表明,十字通道内,弹状液滴生成过程的受力情况与T型通道类似,故关键因素(两相流量、连续相黏度、液-液界面张力)对液滴尺寸的影响规律与T型类似。其中,当两相流量比Qd/Qc由0.25增至2时,液滴的直径增加了68%。与之不同的是,在十字通道内,壁面对液滴的黏附力为液滴生成的驱动力,故分散相与疏水壁面间的接触角越大,生成液滴的尺寸越大。实验结果表明,利用相同的溶液,十字通道法能生成尺寸范围更广的液滴,为300~750μm。推测原因在于液滴颈部断裂前后,十字通道内主通道上下游的压差变化仅为7 Pa,远小于T型通道中的压差变化(52 Pa),使得间距较小的大尺寸液滴在十字通道内因压力波动而发生聚并的概率较T型小。为提高实验的可控性及实用性,需对液滴进行精确计数。本文研究了基于电容耦合非接触电导检测技术的液滴计数方法。通过数值模拟讨论了影响检测信号的关键因素,即电极参数、通道溶液参数和检测通道参数。通过数值模拟确定激励电极宽度为0.017 mm,检测电极宽度为0.035 mm,两电极间距为0.6mm,检测通道壁厚为0.3 mm,检测通道介电常数为2.1时能提高计数精度。通过实验发现,检测通道管壁厚度是影响计数精度的主要因素。结果表明,随着管壁厚度的减小,即在通道外径不变的条件下,随着检测通道内径的增大,该方法的检测范围增大,同时,生成液滴的尺寸增大,频率降低。当使用内径为1 mm的检测通道时,分散相流量最大为200μL/min,连续相流量最大为500μL/min,此时液滴生成的频率为537个/min,生成液滴的直径可达1736μm。此外,实验发现,检测信号变化很大程度上直接反映的是贴壁油膜层厚度的变化,而非通道内两相溶液的变化。
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