微流控柱陣列裝置中微小液滴的形成原理介紹

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，日本東京工業(yè)大學(xué)（Tokyo Institute of Technology）的科學(xué)家們已經(jīng)闡明了微流控柱陣列（post-array）裝置中液滴生成的詳細(xì)物理學(xué)原理。通過在不同操作條件下進(jìn)行的各種實(shí)驗(yàn)，他們深入了解了如何利用這些小型微流控裝置來生產(chǎn)均勻的乳液，這在分析化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化妝品和材料科學(xué)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

乳液是兩種不溶性液體的混合物，其中一種液體以小液滴形式分散存在于另一種液體之中。它們在日常生活中非常常見，例如牛奶、黃油、面霜、油漆和洗發(fā)水都是我們熟悉的例子。有趣的是，乳液在各領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中也發(fā)揮著重要作用，包括分析化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)研究和材料科學(xué)等。

在大多數(shù)情況下，這些應(yīng)用都受益于分散著具有相似尺寸液滴的乳液，這種乳液也被稱為“單分散乳液”?？茖W(xué)家們一直在尋找高效的混合方法，來生產(chǎn)這種高度可控的乳液。在這方面，微流控技術(shù)已成為一種前景廣闊的方法。

特別是微流控柱陣列裝置是一種以高通量獲得所需液滴尺寸的乳液的有效方法。該裝置迫使微量的原油乳液通過一排間隔有規(guī)律的“柱子”。液滴在撞擊到“柱子”時(shí)會(huì)破裂，直至獲得更細(xì)、更單分散的乳液。然而，盡管這一過程看似簡單明了，但是微流控柱陣列裝置的詳細(xì)物理學(xué)原理卻十分復(fù)雜，人們對其了解甚少。

在最近發(fā)表于《芯片實(shí)驗(yàn)室》（Lab on a Chip）期刊上的一項(xiàng)研究中，日本東京工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)著手填補(bǔ)這一空白。該研究團(tuán)隊(duì)包括Shuzo Masui博士和Takasi Nisako副教授，他們進(jìn)行了一系列詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)，以了解微流控柱陣列裝置中的各種設(shè)計(jì)和操作參數(shù)對獲得乳液特性的影響。值得注意的是，這項(xiàng)研究的相關(guān)圖片被選為該期刊的封面圖片。

該研究團(tuán)隊(duì)分析了兩種輸入液體的流速、粘度和比例對液滴尺寸和均勻性的影響，以及柱陣列的幾何形狀和材料的重要性。為此，他們使用一種被稱為軟光刻的技術(shù)制造了幾種定制的微流控柱陣列裝置。利用高速攝像機(jī)和圖像分析算法，研究人員可以精確量化液滴的尺寸，并詳細(xì)觀察其形成過程。

研究結(jié)果凸顯了有效毛細(xì)管數(shù)（Caeff）在微流控柱陣列裝置中的重要性。簡單地說，有效毛細(xì)管數(shù)是一個(gè)與毛細(xì)現(xiàn)象相關(guān)的指標(biāo)，它是通過輸入液體的粘度、速度和表面張力計(jì)算得出的。Shuzo Masui博士解釋說：“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有效毛細(xì)管數(shù)超過特定閾值時(shí)，由于衛(wèi)星液滴或次級液滴的相對尺寸增加，液滴尺寸的變化會(huì)使其從準(zhǔn)單分散增加到多分散水平?！?/p>

此外，研究人員還確定了兩種截然不同的液滴破裂模式，可以用類似于微流控T型接頭的方程式來描述，而微流控T型接頭相對簡單，作為一種液滴生成裝置得到了充分的研究。

總而言之，這項(xiàng)研究成果揭示了微流控柱陣列裝置的物理學(xué)原理。正如Shuzo Masui博士所觀察的那樣，這些知識(shí)對于提高其性能和適用性至關(guān)重要，他表示：“我們的研究有助于了解微流控柱陣列裝置中液滴的破裂，擴(kuò)展了其獨(dú)特的液滴生成特性，包括高通量、高餾分、穩(wěn)健和連續(xù)的乳化過程?！?/p>

幸運(yùn)的話，這項(xiàng)研究將為高效生產(chǎn)高質(zhì)量乳液鋪平道路，不僅能帶來更好的化妝品和油漆，還能通過先進(jìn)的微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)化學(xué)和材料合成的創(chuàng)新，以及生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的科學(xué)進(jìn)步。

審核編輯：劉清