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液滴微流控(Droplet-basedMicrofluidics)技术(亦称多相微流控技术)是本世纪初出现的新一代微流控技术。它是利用多相微流体的物理化学特性和尺度效应,在微通道(微结构)中进行微液滴等多相微功能单元的生成、操控、反应、分析和筛选。与常规的单相微流控系统相比,液滴微流控系统具有反应器体积微小、样品扩散和污染小、反应效率高、分析和筛选通量高、适于进行超微量样品的复杂操控和处理等特点。作为一种理想的微反应器,液滴微流控技术已成为当前微流控研究中最为活跃的热点领域之一,具有鲜明的多学科交叉特色,其研究成果将对化学、生物、医学、药学、化工、环境等诸多领域产生重要影响。以下文章中将介绍使用武汉s9lol竞猜平台(公司官网)多功能流体程控仪FCPVL-III(?PVL型多功能程控仪?)?以及对应的即插即用微流控芯片获得稳定,均匀的微流控液滴操作方法。?液滴的形成?微液滴的生成,其主要过程是以足够大的作用力扰动连续相与分散相之间存在的界面张力使之达到失稳。通常,当待分散相某处施加的力大于其界面张力时,该处微量液体会突破界面张力进入连续相中形成液滴。在微尺度下,界面张力和液体黏度都起着非常重要的作用。?通常引入毛细管数这一重要的动力学常数,在低毛细管数下,界面张力占据主要地位,液滴在传输过程中趋于形成球形来减少液滴的表面积。另外,微流控通道内壁的亲水疏水性对生成?O/W?或?W/O?液滴也有影响,疏水性微通道有利于生成?W/O?液滴,而亲水性通道有助于生成?O/W?液滴。?实现微流控液滴的生成的方法包括:水动力法,气动法,光控法,电动法等。其中水动力法比较简单常用,主要通过T型通道或流动聚焦的方法实现。T型通道法是利用两微通道交叉处的几何特点,使待分散相流体的前沿在该交叉处转弯时在连续相剪切力推动下造成的动量变化而失稳生成液滴。流动聚焦法是使连续相流体从交叉处两侧来“挤压”分散相流体前沿,并利用液体前沿下游处通道的“颈状”结构,使该分散相流体前沿发生收缩变形而失稳,从而形成离散液滴。?流动聚焦法液滴产生过程分为3个阶段:????(1)分散相与连续相在交叉处形成界面;???(2)分散相在几何结构的协调制约下和连续相压力作用下形成“收缩锥”;???(3)不断增加“挤压”力使“收缩锥”前端液体完全“失稳”,从而形成单个液滴。
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流体运动分为层流和湍流两种状态。层流流动是指流体互不掺混、运动轨迹有条不紊,其特征在于平行线线性地流动,几乎没有混合。层流与湍流的转换与雷诺数有关。雷诺数是反映流体惯性力与粘性力之比的一个无量纲参数。它是英国物理学家雷诺于1883年首先提出研究的一个参数,它是流体动力学研究中最重要的参数之一。对于在管内的流动,雷诺数定义为:Re=ρvD/u该式表明,雷诺数与管径,流体流速,流体密度成正比,与流体的黏度成反比关系。当Re小于2000时,流体流型为层流,Re大于4000流体流型为湍流,当Re在2000-4000时,流体流型为过渡状态。在微流控芯片中,管径通常在几十微米到几百微米,当流速越低,试剂的黏度越大的时候,则流体的Re越小。因此,在微流控芯片中当两种或更多的试剂同时流入同一通道的时候,各试剂能同时保持自身的流型不变只在相与相的接触界面上反应或分子扩散,并且具有较高的稳定性。基于微流控芯片中液体层流的特点,其被广泛应用于各个领域中,包括萃取,纳米材料制备,燃料电池以及细胞内物质提取,分离,检测,纯化等。
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基于液滴的微流体技术已被广泛用于许多研究领域,如化学,生物学,物理学和工程应用。既可以精确控制每个液滴的体积,还可以进行许多操作,包括分选,聚结,分裂,混合和捕获。基于液滴的微流体不仅可以产生简单的均匀液滴,也可通过流体路径设计生成各种用途的复杂液滴。其中一个突出的应用就是Janus液滴。雅努斯(Janus)是罗马人的门神,具有前后两个面孔,因此,Janus液滴是指实现在一个液滴中包埋多组分的液体或包埋两种不同表面特性的液体,包括不同的电荷,不同的浸润性等。Janus液滴可以用于微观流变学和生物成像微探针,它在物理学,化学,生物学和环境科学方面具有巨大的潜在影响。Janus微液滴可通过层流结合流动聚焦产生。液滴生成过程分为4个阶段:(1)两种不同的分散相形成层流;(2)层流与连续相在交叉处形成界面;(3)层流在几何结构的协调制约下和连续相压力作用下形成“收缩锥”;(4)不断增加“挤压”力使“收缩锥”前端液体完全“失稳”,从而形成Janus液滴。实验所需的组件:1.?????多功能流体程控仪2.?????样品池四个(密封瓶)3.?????流动聚焦型多相混合液滴芯片4.?????PTFE液体管(内径0.6mm,外径1.6mm)5.?????气管6.?????卡箍接头及硅胶管7.?????蓝色及红色水溶液8.?????植物油
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