多重乳液发生装置的制作方法

本实用新型涉及液滴微流控技术领域，尤其涉及一种多重乳液发生装置。

背景技术：

多重乳液是指一种乳状液的内相液滴又作为另一乳状液的外相，其内部包裹分散着与之不混溶的另一液体的更小液滴，多重乳液的制备常采用液滴微流控技术。液滴微流控技术近年来受到的关注日益增多，液滴微流控技术在生物化学领域的巨大优势主要体现在以下几个方面：(1)微流控技术可以在短时间内生成大量均一的微反应器，非常适合高通量的生物化学反应；(2)纳升与皮升的反应体积，大大降低了样品与试剂的消耗；(3)与连续流动的微流控系统或者其他宏观反应系统比较起来，小尺度液滴具有更大的比表面积，因而可以获得更高的传热传质速率，样本混合速度大大提升，各种反应效率也得到极大提高；(4)油包水封装的液滴微反应器，各自之间的交叉污染以及受环境的影响会被大大减小；(5)方便于数字化的操控，等等。

液滴微流控技术在医学药物、食品制备、化工合成等领域也有着重要作用。液滴微流控技术可以形成一些可降解的壳膜，该膜可以起到保护内部反应，隔绝外部污染的作用，常用于高通量的胶囊药物合成，药物精准输送和定点释放等。在单细胞包裹的领域，多重乳液形成的壳膜可以将单细胞包裹在内部，壳膜如果采用相变材料使其一定程度固化，可以克服乳液相互融合造成信息交叉污染的难题，将非常有利于单细胞的各种操作。另外，在净化技术、蛋白质结晶、生物活性材料固定以及微粒制造等领域也经常见到乳液多重包裹技术的运用。

目前，液滴微流控技术采用较多的是聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，简称PDMS)微流控芯片法和同轴毛细管法。但PDMS微流控芯片不仅需要繁琐的光刻过程，还需要对芯片内部不同流道位置进行亲水或疏水处理，非常不适合大规模工业化生产；而同轴毛细管法目前市场上没有成熟产品，并且需要独特的毛细管粘接技巧，操作工序也比较繁琐。

技术实现要素：

鉴于以上内容，有必要提供一种可产生高度分散的多重包裹液滴的多重乳液发生装置。

本实用新型提供一种多重乳液发生装置，包括第一液滴发生器和第二液滴发生器，所述第一液滴发生器包括内相流体管、中间相流体管、第一液滴流出管和连接所述内相流体管、中间相流体管和第一液滴流出管的第一接头，所述第二液滴发生器包括外相流体管、第二液滴流出管和第二接头，所述第二接头连接所述外相流体管、第一液滴流出管和第二液滴流出管，所述内相流体管用于流通内相流体，所述中间相流体管用于流通中间相流体并使中间相流体与所述内相流体垂直交汇，所述第一液滴发生器用于产生中间相流体包裹内相流体的第一液滴，所述外相流体管用于流通外相流体并使外相流体与所述第一液滴垂直交汇，所述第二液滴发生器用于产生外相流体包裹第一液滴的第二液滴。

优选地，所述第一接头和第二接头均为T字型的三通接头，所述内相流体管、中间相流体管嵌在所述第一接头并伸出所述第一接头外，所述外相流体管和第二液滴流出管嵌在所述第二接头并伸出所述第二接头外，所述第一液滴流出管的一端嵌在所述第一接头内，所述第一液滴流出管的另一端嵌在所述第二接头内。

优选地，所述内相流体管与所述第一液滴流出管连通并位于同一直线，所述中间相流体管与所述内相流体管连通并相互垂直，所述外相流体管与所述第二液滴流出管连通并位于同一直线，所述外相流体管与所述第一液滴流出管连通并相互垂直。

优选地，所述第一接头和第二接头均为十字型的四通接头，所述内相流体管、中间相流体管嵌在所述第一接头并伸出所述第一接头外，所述外相流体管和第二液滴流出管嵌在所述第二接头并伸出所述第二接头外，所述第一液滴流出管的一端嵌在所述第一接头内，所述第一液滴流出管的另一端嵌在所述第二接头内。

优选地，所述内相流体管、所述第一液滴流出管和所述第二液滴流出管连通并位于同一直线，所述中间相流体管包括第一中间相流体管和第二中间相流体管，所述第一中间相流体管和第二中间相流体管分别设在所述内相流体管的两侧，所述中间相流体管与所述内相流体管连通并相互垂直，所述外相流体管包括第一外相流体管和第二外相流体管，所述第一外相流体管和第二外相流体管设在所述第一液滴流出管的两侧，所述外相流体管与所述第一液滴流出管连通并相互垂直。

优选地，所述内相流体管、中间相流体管、第一液滴流出管、外相流体管和第二液滴流出管的内径范围分别为50μm～300μm，外径范围分别为250μm～500μm；所述第一接头和第二接头的接口内径范围均为250μm～500μm，并且所述第一接头和第二接头的接口内径大于或等于所述内相流体管、中间相流体管、第一液滴流出管、外相流体管和第二液滴流出管的外径。

优选地，所述第一接头和第二接头分别包括套圈和螺母，所述套圈用于固定所述内相流体管、中间相流体管、第一液滴流出管、外相流体管和第二液滴流出管，所述螺母用于固定所述套圈。

优选地，进一步包括内相流体推进器、中间相流体推进器以及外相流体推进器，所述内相流体推进器与所述内相流体管连通，所述中间相流体推进器与所述中间相流体管连通，所述外相流体推进器与所述外相流体管连通，所述内相流体推进器、中间相流体推进器以及外相流体推进器分别设有流量控制器，所述流量控制器用于调整流体流量。

优选地，所述多重乳液发生装置用于产生双重包裹液滴时，所述流量控制器用于调整外相流量与内相流量的比值X1在1<X1<60范围之间；所述多重乳液发生装置用于产生三重或三重以上包裹液滴时，所述流量控制器用于调整外相流量与中间相流量的比值Y在1<Y<50，中间相流量与内相流量的比值Z在5<Z<50，以及外相流量与内相流量的比值X2在5<X2<50范围之间。

优选地，所述内相流体管、中间相流体管、第一液滴流出管、外相流体管和第二液滴流出管均为毛细玻璃管。

与现有技术相比，本实用新型提供的多重乳液发生装置，包括两个液滴发生器，第一液滴发生器由内相流体管、中间相流体管、第一液滴流出管和固定接头构成，所述中间相流体管用于流通中间相流体并使中间相流体与所述内相流体垂直交汇，第一液滴发生器用于产生中间相流体包裹内相流体的第一液滴，第二液滴发生器由外相流体管、第二液滴流出管和另一固定接头构成，第一液滴沿所述第一液滴流出管进入第二液滴发生器，所述外相流体管用于流通外相流体并使外相流体与所述第一液滴垂直交汇，所述第二液滴发生器用于产生外相流体包裹第一液滴的第二液滴。该多重乳液发生装置无需经过亲疏水性处理，便可产生高度分散的多重包裹液滴，并且整套装置承压能力强，组装拆卸简便，易清洗。

附图说明

图1为本实用新型的实施例一提供的多重乳液发生装置的结构示意图。

图2为本实用新型的实施例一提供的三通接头的结构剖视图。

图3为本实用新型的实施例一提供的多重乳液发生装置产生的双重包裹液滴的效果图。

图4为本实用新型的实施例一提供的多重乳液发生装置产生的多重包裹液滴的效果图。

图5为本实用新型的实施例二提供的多重乳液发生装置的结构示意图。

图6为本实用新型的实施例二提供的四通接头的结构剖视图。

主要元件符号说明：

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，在本实用新型中，当一个组件被认为是与另一个组件“相连”或“连接”时，可以是紧固连接，也可以使可拆卸连接，一组件可以是与另一个组件直接连接，也可以是通过居中组件与另一个组件间接连接。

另外，在本实用新型中，所述“多重”是指双重或双重以上，“多重乳液”是指多重包裹液滴，即“双重或双重以上包裹液滴”，也即是一乳状液体的液滴的内部包裹一个或一个以上的另一乳状液体的液滴。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本实用新型的说明书中所使用的技术手段的名称只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

实施例一

请参阅图1和图2，本实施例提供一种多重乳液发生装置100，包括第一液滴发生器10和第二液滴发生器20，所述第一液滴发生器10包括内相流体管11、中间相流体管12、第一液滴流出管14和连接所述内相流体管11、中间相流体管12和第一液滴流出管14的第一接头，所述第二液滴发生器20包括外相流体管13、第二液滴流出管15和第二接头，所述第二接头连接所述外相流体管13、第一液滴流出管14和第二液滴流出管15，所述内相流体管11用于流通内相流体，所述中间相流体管12用于流通中间相流体并使中间相流体与内相流体垂直交汇，所述第一液滴发生器10用于产生中间相流体包裹内相流体的第一液滴，所述外相流体管13用于流通外相流体并使外相流体与所述第一液滴垂直交汇，所述第二液滴发生器20用于产生外相流体包裹第一液滴的第二液滴。

本实施例中，所述第一接头和第二接头均为T字型的三通接头21，所述内相流体管11、中间相流体管12嵌在所述三通接头21并伸出所述三通接头21外，所述外相流体管13和第二液滴流出管15嵌在另一所述三通接头21并伸出另一所述三通接头21外，所述第一液滴流出管14的一端嵌在所述所述三通接头21内，所述第一液滴流出管15的另一端嵌在另一所述三通接头21内。

本实施例中，所述内相流体管11与所述第一液滴流出管14连通并位于同一直线，所述中间相流体管12与所述内相流体管11连通并相互垂直，所述外相流体管13与所述第二液滴流出管15连通并位于同一直线，所述外相流体管13与所述第一液滴流出管14连通并相互垂直。可以理解的是，所述内相流体管11、中间相流体管12、第一液滴流出管14之间相互连通并构成一T型流体通道，所述外相流体管13、第一液滴流出管14和第二液滴流出管15相互连通并构成另一T型流体通道。

本实施例中，所述内相流体管11、中间相流体管12、外相流体管13、第一液滴流出管14和第二液滴流出管15的内径范围分别为50μm～300μm，外径范围分别为250μm～500μm。对应地，所述三通接头21的接口内径范围均为250μm～500μm。可以理解的是，所述第一接头和第二接头的接口内径大于或等于所述内相流体管、中间相流体管、第一液滴流出管、外相流体管和第二液滴流出管的外径。由于所述内相流体管11、中间相流体管12、外相流体管13、第一液滴流出管14和第二液滴流出管15部分嵌入所述三通接头21内并部分伸出所述三通接头21，因此，可以理解的是，所述内相流体管11、中间相流体管12、外相流体管13、第一液滴流出管14和第二液滴流出管15的外径应与所述三通接头21的接口内径一致，以使所述三通接头21将所述内相流体管11、中间相流体管12、外相流体管13、第一液滴流出管14和第二液滴流出管15固定。

本实施例中，所述两个三通接头21分别包括三个套圈201和三个螺母202，所述套圈201用于固定所述内相流体管11、中间相流体管12、外相流体管13、第一液滴流出管14和第二液滴流出管15，所述螺母202用于固定所述套圈201。具体地，所述三通接头21的每个开口分别装设有一个套圈201和一个螺母202，所述内相流体管11、中间相流体管12、外相流体管13、第一液滴流出管14和第二液滴流出管15分别插入相应的套圈201内，将螺母202外套在套圈201上并沿三通接头21的螺纹旋紧，从而将所述内相流体管11、中间相流体管12、外相流体管13、第一液滴流出管14和第二液滴流出管15固定并构成两个T型流体通道。

进一步地，本实施例中，所述多重乳液发生装置100包括内相流体推进器(图未示)、中间相流体推进器(图未示)以及外相流体推进器(图未示)，所述内相流体推进器与所述内相流体管11连通，所述中间相流体推进器与所述中间相流体管12连通，所述外相流体推进器与所述外相流体管13连通。可以理解的是，所述内相流体推进器、中间相流体推进器以及外相流体推进器用于将各相流体分别推入相应的管路。

进一步地，所述内相流体推进器、中间相流体推进器以及外相流体推进器分别设有流量控制器(图未示)，所述流量控制器用于调整外相流量与内相流量的比值X1在1<X1<60范围之间，或者外相流量与中间相流量的比值Y在1<Y<50，中间相流量与内相流量的比值Z在5<Z<50，外相流量与内相流量的比值X2在5<X2<50范围之间。

优选地，当多重乳液发生装置100用于产生双重包裹液滴时，所述流量控制器调整外相流量与内相流量的比值X1在1<X1<60范围之间；当多重乳液发生装置100用于产生三重或三重以上包裹液滴时，所述流量控制器调整外相流量与中间相流量的比值Y在1<Y<50，中间相流量与内相流量的比值Z在5<Z<50，以及外相流量与内相流量的比值X2在5<X2<50范围之间。

本实施例中，所述内相流体管11、中间相流体管12、外相流体管13、第一液滴流出管14和第二液滴流出管15均为毛细玻璃管，采用毛细玻璃管作为各流体管，则无需对各流体管进行亲疏水处理，即可实现液滴产生。需要说明的是，所述内相流体管11、中间相流体管12、外相流体管13、第一液滴流出管14和第二液滴流出管15可以为其它材质的不需亲疏水处理的管路。

本实施例中，所述三通接头21为聚四氟乙烯材质的固定接头。需要说明的是，在其它实施例中，所述三通接头21可以为其它材质的固定接头。

本实施例中，多重乳液发生装置100的组装和拆卸操作简便易行，在实验开始前，首先将还未组装好的所述内相流体管11、中间相流体管12、外相流体管13、第一液滴流出管14、第二液滴流出管15和三通接头21等部件放入超声清洗器中清洗一遍，然后用酒精浸泡再次清洗，并用氮气吹干，将上述清理好的部件组装成多重乳液发生装置100。

本实施例中，粘性较小的流体称为分散相流体，例如水相；粘性较大的流体称为连续相流体，例如油相。内相流体和外相流体采用分散相流体，中间相流体采用连续相流体。

本实施例采用T型通道法产生微液滴，利用两微通道交叉处的几何特点，使待分散相液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来生成液滴。

本实施例中，采用超纯水为内相流体，添加乳化剂EM90的矿物油作为中间相流体，含有添加嵌段式聚乙醚和甘油的水溶液作为外相流体，以此来产生水包油包水微液滴，其中，其中乳化剂EM90为鲸蜡基聚乙二醇/聚丙二醇-10/1二甲基硅氧烷，矿物油内所含的EM90体积分数为2％，外相流体内所含嵌段式聚乙醚和甘油的体积分数分别为1％和15％。通过内相流体推进器，中间相流体推进器以及外相流体推进器将分别将相应的试剂分三路推进入多重乳液发生装置100中，通过流量控制器调节各相流体流量到合适数值，在第一液滴发生器10的T型交叉口处，分散相前沿垂直进入连续相，微型液滴头部逐渐形成，而在连续相的粘性剪切力作用下，微液滴头部渐渐随着连续相向主通道下游方向流动，在此期间，随着分散相的不断进入微液滴体积不断变大，同时连续相在液滴前后的压力差也越来越大，使得液滴与分散相连接处越来越细，最终脱离分散相，在第一液滴发生器10的T型交叉口处形成第一液滴，第一液滴随着中间相液体进入到第二液滴发生器20的T型交叉口处，外相流体管13通入水相，此处第一液滴外层的中间相液体被外相液体挤压并断裂，从而形成多重乳液，即水包油包水液滴。

需要说明的是，通过流量控制器调节三相液体的流量可以控制多重乳液内外层液滴的大小。当外相流体流量一定，改变内相流体和中间相流体流量会改变内层液滴尺寸；当内相流体和中间相流体的流量一定，改变外相流体流量会改变外层液滴尺寸。在多重乳液发生装置中，产生双重包裹液滴需要满足外相流体与内相流体的流量比大于1，并且外相流体与内相流体的流量比越大，产生的双重包裹液滴越小；最高流量比有上限，当外相流量足够大时，其内部压力也很大，大到内相流体无法进入主通道，也就无法形成液滴，两相最高流量比大概在50-60之间。当内相流体流量Qi＝1mL/min，中间相流体流量Qm＝9mL/min，以及最外相流体流量Qo＝10mL/min时，所产生的水包油包水双重包裹液滴如图3所示。

另需要说明的是，通过流量控制器调节三相液体的流量还可以调控多重乳液内层包裹液滴的数量，当减小外相流体流量时，多重乳液的内层会出现包裹多个微液滴的情况。三重或三重以上包裹液滴生成需要同时满足以下条件：1<外相流量/中间相流量<50，5<中间相流量/内相流量<50，5<外相流量/内相流量<50。通过控制三相液体的流量比所产生的三重及三重以上包裹液滴如图4所示。

与现有技术相比，本实用新型提供的多重乳液发生装置，包括两个液滴发生器，第一液滴发生器由内相流体管、中间相流体管、第一液滴流出管和三通接头构成，所述中间相流体管用于流通中间相流体并使中间相流体与所述内相流体垂直交汇，第一液滴发生器产生中间相流体包裹内相流体的第一液滴，第二液滴发生器由外相流体管、第二液滴流出管和另一三通接头构成，第一液滴沿第一液滴流出管进入第二液滴发生器，所述外相流体管用于流通外相流体并使外相流体与所述第一液滴垂直交汇，所述第二液滴发生器产生外相流体包裹第一液滴的第二液滴。该多重乳液发生装置无需经过亲疏水性处理，便可产生高度分散的多重包裹液滴，并且整套装置承压能力强，组装拆卸简便，易清洗。

实施例二

请参阅图5和图6，本实施例提供一种多重乳液发生装置200，所述多重乳液发生装置200与实施例一提供的多重乳液发生装置100在结构上主要的区别在于：所述多重乳液发生装置200采用的第一接头和第二接头均为十字型的四通接头22；并且第一液滴发生器10包括两个中间相流体管12，所述第二液滴发生器20包括两个外相流体管13。

具体地，本实施例中，所述内相流体管11、中间相流体管12、第一液滴流出管14嵌入所述四通接头22并伸出所述四通接头22外，所述外相流体管13、第一液滴流出管14和第二液滴流出管15嵌入另一所述四通接头22并伸出所述四通接头22外。

所述内相流体管11、所述第一液滴流出管14和所述第二液滴流出管15连通并位于同一直线，中间相流体管包括第一中间相流体管121和第二中间相流体管122，所述第一中间相流体管121和第二中间相流体管122分别设在所述内相流体管11的两侧，所述第一中间相流体管121和第二中间相流体管122分别与所述内相流体管11连通并垂直，外相流体管包括第一外相流体管131和第二外相流体管132，所述第一外相流体管131和第二外相流体管132设在所述第一液滴流出管14的两侧，所述第一外相流体管131和第二外相流体管132与所述第一液滴流出管14连通并垂直。即是说，所述内相流体管11、第一中间相流体管121、第二中间相流体管122和所述第一液滴流出管14相互连通构成十字型流体通道，所述第一液滴流出管14、第一外相流体管131、第二外相流体管132和所述第二液滴流出管15相互连通构成另一个十字型流体通道。

需要说明的是，所述内相流体管11与内相流体推进器(图未示)连接，所述第一中间相流体管121和第二中间相流体管122均与中间相流体推进器(图未示)连接，所述第一外相流体管131和第二外相流体管132均与外相流体推进器(图未示)连接。

本实施例中，粘性较小的流体称为分散相流体，例如水相；粘性较大的流体称为连续相流体，例如油相。内相流体和外相流体采用分散相流体，中间相流体采用连续相流体。

本实施例采用流动聚焦法产生微液滴，流动聚焦法是使连续相流体从交叉处两侧来“挤压”分散相液体前沿，并利用液体前沿下游处通道的“颈状”结构，使该分散相液体前沿发生收缩变形而失稳，从而形成离散液滴。这种从两侧起“挤压”作用的通道结构，也可以看作为从“T型交叉”衍生而成的“十字交叉”，“颈状”几何结构设置则更有利于助推此处分散相液体的失稳。

本实施例中，通过内相流体推进器，中间相流体推进器以及外相流体推进器分别将相应的试剂分五路推进多重乳液发生装置200中，通过流量控制器调节各相流体流量到合适数值，在第一液滴发生器10的十字型交叉口处，使连续相流体从交叉处两侧来“挤压”分散相液体前沿，使该分散相液体前沿发生收缩变形而失稳，从而形成离散的第一液滴，第一液滴随着连续相向主通道下游方向流动进入到第二液滴发生器20的十字型交叉口处，所述第一外相流体管131和第二外相流体管132分别通入水相，此处包含着第一液滴的中间相液体被外相液体挤压并断裂，从而形成多重包裹液滴，即水包油包水液滴。

与现有技术相比，本实用新型提供的多重乳液发生装置，包括两个液滴发生器，第一液滴发生器由内相流体管、两个中间相流体管、第一液滴流出管和四通接头构成，所述中间相流体管用于流通中间相流体并使中间相流体与所述内相流体垂直交汇，第一液滴发生器产生中间相流体包裹内相流体的第一液滴，第二液滴发生器由两个外相流体管、第二液滴流出管和另一四通接头构成，第一液滴沿第一液滴流出管进入第二液滴发生器，所述外相流体管用于流通外相流体并使外相流体与所述第一液滴垂直交汇，所述第二液滴发生器产生外相流体包裹第一液滴的第二液滴。该多重乳液发生装置无需经过亲疏水性处理，便可产生高度分散的多重包裹液滴，并且整套装置承压能力强，组装拆卸简便，易清洗。

以上实施方式仅是用于解释权利要求书。然本实用新型的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都包含在本实用新型的保护范围之内。