两步法微流控双乳液的可控包封与液滴尺寸预测-北京永康乐业科技发展有限公司

导读：

近期，伦敦大学学院 Prof. Panagiota Angeli 团队联合图卢兹大学研究者，系统探究了两步流动聚焦微流控系统中 W₁/O/W₂双乳液的形成规律。通过改变三相流速和 SDS 表面活性剂浓度，识别出滴落模式 (Drop-in-drop)、塞流模式 (Drop-in-plug)、丝流模式 (Drop-in-thread) 三种不同形成模式，并绘制了完整的三维流型图谱。针对实际应用价值最高的滴落模式，团队基于剪切力与毛细管力平衡建立了半经验预测模型，核液滴与双液滴的预测误差分别为 8.16% 和 9.54%。研究还定量评估了低表面活性剂浓度下动态界面张力对预测精度的影响，为微流控包封系统的理性设计提供了定量框架。相关成果以“Controlled encapsulation and droplet size prediction in two-step microfluidic double emulsions”为题，发表于微流控领域顶级期刊 Lab on a Chip。

本文要点：

1. 研究背景与实验系统

研究目标：系统研究流速和界面张力对双乳液形成的影响，建立液滴尺寸预测的定量框架。
实验装置：采用双十字交叉节点的玻璃微通道，第一段为疏水性（生成W₁/O 液滴），第二段为亲水性（实现包封生成 W₁/O/W₂双乳液）。
实验材料：油相为低粘度硅油，水相为水/甘油混合溶液，并添加不同浓度的十二烷基硫酸钠 (SDS) 来调节界面张力。

2. 识别出的三种形成模式

研究通过改变流速比和表面活性剂浓度，识别出三种截然不同的形成模式：

滴落模式 (Drop-in-drop)：内液滴进入节点后诱发快速断裂，形成具有薄油壳和同心结构的球形液滴，适用于需要精确控制包封几何形状的应用。
塞流模式 (Drop-in-plug)：断裂发生较晚且不在节点处，形成较厚的油壳，且内芯可能发生偏移，适用于制造多功能 Janus 颗粒等非对称结构。
丝流模式 (Drop-in-thread)：由于油相流速过大，形成连续的油丝，无法产生稳定的双乳液液滴。

3. 流型图与界面张力的影响

流速驱动：中间油相流速 () 是关键变量，增加会促使模式从滴落向塞流和丝流转变。
表面活性剂效应：降低界面张力（增加 SDS 浓度）会扩大塞流模式的区域，因为更低的界面张力会导致内液滴变小，从而减弱了其诱发快速断裂的能力。当 SDS 浓度达到或超过临界胶束浓度 (CMC) 时，界面在液滴形成期间趋于平衡。

4. 液滴尺寸预测模型

研究针对具有高度实用价值的“滴落模式”开发了半经验预测模型：

模型原理：基于剪切力与毛细力的平衡，假设双液滴的总重量是内芯液滴体积与第二节点生成的理论油壳体积之和。
预测精度：

在平衡界面张力条件下（C/CMC ≥ 1），内芯液滴的平均绝对百分比误差 (MAPE) 为 8.16%，双液滴为 9.54%。
在低表面活性剂浓度下，考虑动态界面张力 (DIT) 可将双液滴尺寸的预测误差进一步降低至 8.17%。

5. 研究结论

本研究为微流控系统中受控生成包封液滴提供了定量框架和操作指导。研究表明，虽然动态界面张力在低浓度下有影响，但在大多数情况下，使用平衡值已足以提供良好的尺寸估计。该框架有助于生物包封系统等应用的设计与优化。

增加油相流速 () 导致模式从滴落 (drop-in-drop) 向塞流 (drop-in-plug) 转变，主要归因于以下物理机制的变化：

内芯液滴尺寸减小：在第一节点，增加油相流速会导致生成的内芯液滴体积变小。
油相颈部变宽：在第二节点，较高的油相流速会形成一个较宽的射流颈部 (wide jetting neck)。
内芯液滴失去对断裂过程的主导作用：

在滴落模式下，内芯液滴体积相对较大，当它进入第二节点的油颈区域时，会诱发外部油/水界面产生较大的曲率，从而产生巨大的拉普拉斯压力 (Laplace pressure)，促使颈部迅速收缩并发生断裂。
当增加后，由于内芯液滴变小且油颈变宽，液滴进入颈部时产生的局部曲率不足以诱发快速断裂。

断裂位置下移与油量累积：由于颈部无法在节点处立即断裂，油颈会继续向通道下游移动，断裂发生得更晚。这段延迟时间允许更多的油在内芯液滴周围积累，最终形成具有较厚油壳的塞流结构。

简而言之，增加油相流速改变了毛细力与剪切力的平衡，使得内芯液滴无法再通过产生高拉普拉斯压力来主导快速断裂过程，从而转向了更依赖流体动力学不稳定性的塞流断裂机制。

图 1 双乳液形成示意图：(a) 一步法；(b) 两步法

根据液滴断裂顺序，双乳液的制备策略通常分为一步法和两步法（如图 1 所示）。在一步法配置中（图 1a），内相、中间相和外相在同一节点处汇聚，导致所有相同时发生断裂。虽然这种设计可以简化装置的润湿处理，但多相流的强耦合通常使液滴形成对流动条件的微小扰动高度敏感。相比之下，两步法将断裂过程分解为2个顺序阶段（图 1b）。首先形成内液滴（例如油包水分散液），随后该液滴在第二个节点处被外水相包封。这种分阶段工艺提高了稳定性，并在调节核壳尺寸方面提供了更大的灵活性。

图 2 芯片结构及实验装置示意图：(a) 流动聚焦微通道入口尺寸示意图；(b) 微通道结构示意图，两个交汇点间距约 2 cm，远大于通道宽度；(c) 实验装置

图 3 双乳液液滴的流型。(a) i. 滴落模式（drop-in-drop），Qw₁、Qo、Qw₂ 分别为 12、200、600 μL/min（0.2 CMC）。该模式下，油颈在交汇点附近直接收缩并断裂（0 ms）。(b) ii. 塞流模式（drop-in-plug），Qw₁、Qo、Qw₂ 分别为 20、80、400 μL/min（0.2 CMC）。该模式下，油颈先收缩至最细但未断裂（0 ms），随后变宽并延展为伸长的油射流（0.02 ms），最终在下游处断裂（0.57 ms）。红色箭头标示断裂前收缩的油颈位置。(c) iii. 丝流模式（drop-in-thread），Qw₁、Qo、Qw₂ 分别为 20、80、200 μL/min（1 CMC）