着分散相的粘度的增加，微 滴的大小增加。如图3B所示，绘制了微滴的大小随无量纲的毛细管数Ca的变化，其中Ca 定义为Ca = X η/γ，其中，n (eta)是内相的粘度；γ (gamma)是具有不同粘度的不同 类型的内相和外相的表面张力。这些曲线彼此十分相似，这表明微滴大小受内相的流率与 其粘度的乘积的影响。
[0124] 为了研究设备的几何结构对微滴大小的影响，改变小通道的宽度ws(见图1)和相 邻通道之间的间隔。图4示出了微滴大小随^比例变化。在内相的流率较高时，微滴大小 也取决于相邻通道之间的间隔；如图5所示，随着间隔增大，微滴大小增大。如图6A、6B、7A、 7B所示，在内相的流率较低并且分散相的粘度较低时，微滴大小不取决于内相和外相的流 率，这表明微滴因毛细波不稳定性而破碎。在内相的流率较高时，微滴在与相邻微滴接触时 破碎。微滴的破碎被认为是由微滴的先端和末端的不同曲率引起的不同拉普拉斯压力驱动 的。因微滴在与相邻微滴接触时变形，造成微滴的先端和末端具有不同曲率。因此，在不希 望受限于任何理论的情况下，认为形成单分散微滴的前提是微滴在通道中同步生产，这是 因为随后微滴可以均匀且均等地变形。随着相邻通道之间的间隔增大，同步化变得更加艰 难；如图5A- 5B所示，在相邻通道之间具有较大间隔的装置中生产的微滴的多分散性明显 高于在相邻通道之间具有较小间隔的装置中生产的微滴的多分散性。因此，有利的是，在较 小通道内使微滴破碎；这允许形成较为单分散的微滴而不需要同步破碎。
[0125] 微滴的先端和末端的不同曲率还可以通过使微滴在小通道内的通道壁上变形而 引起；如图8所示，如果小通道的小孔被扩大，那么可以引起微滴的先端和末端的不同曲 率。为了检验孔的几何结构对微滴大小的影响，改变如图8限定的孔的宽度w和高度以及 其长度1。这些装置包括2x250个小通道，这些小通道使分散相的大储存器与用于连续相的 两个大通道互连。此外，在这些装置中，孔的高度总是与宽度w相等。在保持连续相的流率 为恒定的20ml/h的同时，测量微滴大小随分散相的流率的变化。如图9A- 9B所示，宽度 w不显著影响微滴大小。然而，孔必须至少长100微米才能在小通道内引起微滴的破碎。如 图10A- 10B所示，在孔的长度为1 = 50微米的装置中生产的微滴明显大于在孔的长度为 100或200微米的装置中生产的微滴。此外，如果分散相的流率大于7. 5ml/h，那么，在长度 为1 = 50微米的装置中生产的微滴的多分散性明显高于在长度1大于100微米的装置中 生产的微滴的多分散性，正如图10A- 10B中在长度为1 = 50微米的装置中生产的微滴的 大的误差条所指示的那样。
[0126] 为了研究^对在具有200微米长、80微米宽和高的孔的装置中生产的微滴的大小 的影响，ws在10微米到60微米之间变化。如图11A- 11B所示，微滴大小随ws比例变化， 这与具有横截面恒定的小通道的装置类似。如图12A- 12B所示，对于大于10微米的ws， 微滴大小仅微弱地取决于分散相的流率。这表明微滴因毛细波不稳定性而破碎。相反，在 ws= 100微米的装置中生产的微滴的大小随分散相流率的增加而增加。如图11A- 11B所 示，类似于在具有横截面恒定的小通道的装置中生产的微滴，随着ws增大，变化系数（CV) 降低。CV定义成微滴大小分布的标准偏差〇 (sigma)除以微滴的平均大小，S卩，CV= 〇/ d。此外，通道的孔的顶视图不必是正方形的，而是也可以是如图13所示的楔形。
[0127] 因此，上述实验示出了不同类型的微流装置，所述微流装置允许以较高的生产率 进行较为单分散的单一乳剂的组装。通过调节小通道的尺寸中的ws，可以密切控制微滴的 平均大小，所述小通道使这些装置内的分散相的储存器与主通道互连。
[0128]示例 2
[0129] 本示例示出了一种微流"千足虫式"装置，所述装置以全新的、可扩展的方式生产 乳剂液滴。所述装置能够允许以例如600ml/h的产量生产较为单分散的乳剂。
[0130] 包含在乳剂和凝胶中的液滴例如在食品、药品、化妆品和农业中广泛使用。可以通 过剪断两种不混溶的液体（例如通过机械混合、声波降解法、高压均化或膜滤）制造所述液 滴。这些技术高产量地形成液滴，但对液滴的形成提供有限的控制，因此典型地生产多分散 液滴。
[0131] 在一些情况中，液滴能够用作进行筛选试验的器皿、用作在有限容积中进行化学 和生化反应的容器、以及用作生产具有限定大小和组分的颗粒的模板。这些应用通常需要 液滴具有较窄的大小分布，因而必须以可控的方式生产液滴。一种对流体流动并因此对液 滴形成提供极高控制的技术是微流技术；微流技术可以生产具有很窄的大小分布的液滴。 然而，这种精细的控制通常带来产量较低的代价。微流液滴制造器典型地每次生产一个液 滴；即使制造器可以每秒生产高达数千个液滴，但产量仍然较低。在一些情况下，产量在对 于（直径）小于50微米的液滴而言的每小时几十微升直至对于超过100微米的液滴而言 的每小时若干毫升的范围内。
[0132] 上述限制例如可以通过使单个液滴制造器并行而得到解决。如果通过分配通道连 接，多个液滴制造器可以同时运行而不用增加用于流体的入口数量；而产量随着液滴制造 器的数目成比例增加。遗憾的是，在不就较窄的大小分布作出让步的情况下，有时难以实施 上述策略，这是因为液滴大小很大程度上取决于流体的速度。如果在并行的装置内流率存 在细微变化，这时每个液滴制造器生产单分散液滴，但是在相邻的液滴制造器中生产的液 滴的大小可能是不同的。如果所有液滴最后在单个瓶子内收集，液滴的大小分布因而变广， 因此限制了本技术对某些应用的效果。还可以通过拉普拉斯压力的小差异形成液滴；这时 液滴的大小取决于流率，这使这些液滴制造器的并行化更为容易。然而，液滴生成频率受到 拉普拉斯压力的小差异的限制，这可能会导致流体流动较慢。
[0133] 本示例示出了一种包含多个生产液滴的喷嘴的装置的设计，在高频时，所述液滴 的大小不取决于流体流率。然而，这种装置可以有助于单分散乳剂液滴的高产量。在本示 例中，提供微流装置。微流装置由于与千足虫大体相像而被称为"千足虫式"装置。该装置 能够以更为可扩展的方式生产单分散液滴。装置的接合处的流体流动由压差引起，所述压 差由生长的液滴引发。因此，流体流动由装置几何结构和流体性质决定，并且相对独立于流 体注入的流率。如下文所讨论的，在这些示例中使用的千足虫式装置包含布置在200_ 2的 区域上的500到1250个独立液滴制造器，并且用于以高达每小时600毫升的产量生产大小 在15微米直至280微米范围内的高度单分散性液滴。
[0134] 在本示例中使用的千足虫式装置由聚二甲基硅氧烷（PDMS)组成并且使用软光刻 制造。所述装置包括用于内相的一个入口和用于外相的一个入口。用于内相的入口将流体 引导到宽175微米、高260微米、长3毫米的储存器中。平行于所述储存器的两个长侧部的 是宽225微米、高260微米的用于外相的两个通道；所述两个通道与储存器相距950微米。 如图16A- 16B所示，用于分散相和连续相的通道通过680个宽20微米、高20微米、长900 微米的连接通道连接，所述连接通道的长轴定向为垂直于储存器的长轴。如图16C所示，这 些通道的孔是三角形的；其长度1为231微米，连续相的通道壁与连接通道的出口之间的角 度为Θ=170°，孔的宽度w为100微米。在出口端部处，通道高度突然增加超过一个数量 级。如图16A所示，液滴通过位于装置的下游最远处的单一出口离开装置。
[0135] 内相是水溶液，所述水溶液包含不同量的聚乙二醇（PEG) (Mw= 6kDa)以调整其粘 度。外相是全氟化油（HFE7500)，其包含1%的全氟化表面活性剂并且具有ImPas的粘度。 通过在使用容积控制栗注入流体之前用包含1 %的全氟化三氯硅烷的HFE7500基溶液处理 通道壁来避免内水相变湿。
[0136] 通过采用包含20wt%PEG、粘度为8mPa的水溶液来演示千足虫式装置的操作。引 人注目的是，如图16D所示，尽管由680个不同的通道以高达10ml/h的产量生产液滴，但是 千足虫式装置生产的液滴高度单分散性，平均大小为60微米。确实，这些液滴的变化系数 (CV)(定义成平均液滴大小除以其标准偏差）已发现为低至3%。如果在不同的通道中生 产的液滴具有基本相同的大小，那么可以实现这种低CV。这意味着，液滴大小不取决于流体 流率，这是因为在整个装置中流率不太可能完全相等。为了验证这一观点，独立地改变内相 和外相的流率，并获取所产生的液滴的光学显微图像以测量其大小。确实，如图16A- 16F 所示，发现液滴大小不取决于内相和外相的流率。这与在微流流动聚焦接合处生产的、大小 显著取决于流体流率的液滴大相径庭。
[0137] 图16A示出了千足虫式装置的示意图。用于内相的储存器由（1)标记，用于外相的 通道由⑵标记，连接通道由⑵标记。图16B示出了概况图，图16C示出了千足虫式装置 的区段的放大光学显微图像。标记了连接通道的宽度a，孔长度1，宽度w，角度Θ(theta)。 图16D示出了在千足虫式装置中以10ml/h的内相流率生产的液滴的光学显微图像。图 16E- 16F示出了内相流率（图16E)和外相流率（图16F)对液滴大小的影响。误差条表 示液滴大小的标准偏差。
[0138] 为了解释液滴大小对流体流率不敏感的原因，使用以17kHz运行的高速照相机监 测液滴形成。内相以恒定速率从连接通道流到孔中，所述恒定速率由分散相的流率设定。如 图17A所示，由于内相是不变湿的流体，随着内相通过孔朝向孔的边缘流动，内相形成半圆 形弯液面；包含在孔中的内相有时被称为"舌状物"。如图17B所示，当内相到达孔的边缘 时，内相被推入到连续相的大通道中，并且通过沿z方向膨胀并在xy平面中收缩以使其表 面面积最小而形成液滴。
[0139] 在不希望受限于任何理论的情况下，认为可以通过下文解释上述内容。为了保
舌状物的曲率；r。是平均半径；rxy是孔平面中的 半径，rz是垂直于孔的半径。生长的液滴的曲率持续减小，这是因为液滴可以沿z方向膨 胀。然而，舌状物的表面曲率不能适应较大变化，
孔的几何结构决定的；如图16C所示，a是连接通道的宽度，h是通道高度，a(alpha)是 流体与壁的接触角度，
如果液滴半径达到特征值r。（约为 20微米），那么，生长的液滴的表面曲率与舌状物的表面曲率相等；液滴中的拉普拉斯压力
等于舌状物的拉普拉斯压力，系统平衡。然而，由于额外的流体被推入到孔 中，更多的内相流入到液滴中并且使其半径增加超过r。，这使得系统不再平衡。因此，液滴 中的拉普拉斯压力变得小于舌状物中的拉普拉斯压力并将更多的内相推入到液滴中，液滴 则更快速地生长。舌状物与液滴之间的压力梯度变得更大，并且进一步加速内相向液滴的 通量。确实，内相的通量从在孔的第一部分中的几乎停滞增加到靠近孔的边缘处的极高速 度。
[0140] 图17示出了在水相的弯液面到达楔（wedge)的边缘（图17A)、20ms之后（图 17B)、27ms之后（图17C)的千足虫式装置中滴液形成的时滞光学显微图像。
[0141] 如图17C所示，如果从舌状物进入到滴液的通量超过从连接通道进入到舌状物的 通量，则舌状物的总体积减小，这导致内相变细。舌状物体积的减小使孔中的压力降低，并 且使外相流入到孔中。随着舌状物的不稳定性增加，外相的定位在液-液相间附近的部分 转变其方向并且沿着界面流出孔；所述流动与生长的滴液的交错断裂一起进行。因此，在滴 液形成的最后阶段期间，靠近孔边缘的流体流动由滴液与舌状物之间的压力梯度驱动，因 此不取决于入口处的流体流率。
[0142] 在液滴形成的最后阶段期间驱动流体流动的压力梯度取决于舌状物的Lp，其主要 贡献来自沿z方向的曲率；因此，压力梯度受到h的很大影响。有意思的是，如图18所示， 随着h增加，液滴大小线性地增加，这表明液滴大小与舌状物和生长的液滴之间的压力梯 度直接相关。确实，如图18B所示，h= 10微米的装置生产小至15微米的液滴，尽管其单 分散性没有大液滴的那么高。如图18A和18D所示，h= 40微米的装置生产大至160微米 的液滴，这表明通过调节孔的高度能够在较大范围内改变液滴大小。
[0143] 图18A示出了通道高度h对液滴大小的影响。图18B-18D是在h= 10微米（图 18B)、h= 20微米（图18C)、h= 40微米（图18D)的装置中制造的水液滴的光学显微图 像。内相的流率为 5ml/h(图 18B)、10ml/h(图 18C)、100ml/h(图 18D)。
[0144] 舌状物的拉普拉斯压力也随着Θ(theta)增加而降低，这是因为舌状物在xy平面 的曲率减小。确实，如图19A- 19D所示，随着Θ(theta)增加，液滴大小增加，从而证实了 液滴大小取决于舌状物的拉普拉斯压力Lp的观点。然而，如果Θ(theta)接近180°并且 孔的宽高比w/h接近1，那么，孔中的内相的速度不会明显慢下来，系统永远都达不到平衡。 液滴于是通过不同的机制破碎，所述机制与膜乳化十分相似；这一机制生产的液滴的大小 分布显著变广。相反，如果Θ(theta)变得太小以致于孔的宽w高h比超过一特征值，那么， 舌状物变得不对称，并且液滴破碎变得较少可控；确实，如图19A的光学显微图像所示并且 如图19D的增大的误差条所表示的，液滴于是开始在沿孔的边缘的多个位置处破碎，这导 致具有较广的液滴大小分布。
[0145] 确实，液滴破碎机制这时与步骤乳化工艺相似。类推地，还可以通过调整1改变 h/w，对液滴的大小和大小分布影响相同。过高的1值导致较高的h/w比和较广的液滴大 小分布，这是因为液滴在沿孔的边缘的多个位置处破碎，这导致对液滴破碎的控制较差， 因此导致较广的大小分布，正如图19E中液滴大小的较大误差条所示的那样，所述液滴在 Θ(theta) = 145°、1 = 531微米的装置中生产。过低的1值导致较小的h/w比，这不允 许系统在液滴形成的初始阶段达到平衡。液滴破碎于是受到较少控制，并且在这些装置中 生产的液滴略大、更重要的是多分散性更高，正如图19E中液滴大小的相当大的误差条所 示的那样，所述液滴在Θ(theta) = 170°、1 = 131微米的装置中生产。
[0146] 图19A- 19C示出了在千足虫式装置（右）中生产的液滴（左）的光学显微图像， 其中，Θ(theta) = 145。（图 19A)、Θ(theta) = 161。（图 19B)、Θ(theta) = 170。（图 19A) ;1 = 331微米。图19D示出了液滴大小随Θ(theta)的变化。图19E示出了孔的长 度1对液滴大小的影响，其中，所述液滴在楔的角度为145° (圆形）、16Γ(三角形）、 170° (正方形）的装置中形成。误差条对应于液滴大小分布。
[0147] 如果调整h，可以改变液滴大小。然而，h/w比应当保持在液滴形成能够得到控制 的范围内。在这种情况中，调整w使得0. 15〈h/w〈0. 25。在h= 10微米的装置中，w减小到 66微米；这允许将包含在横截面为200mm2的千足虫式装置中的液滴制造器的数目增加到 1250个，这是因为所述数目受到相邻液滴制造器的最小间隔（对应于w)的限制。相反，对 于h= 40微米的装置，w增加到160微米，因此将包含在这些装置中的液滴制造器的数目 降低到500个。
[0148] 与装置几何结构相比，如图20A- 20F所示，内相的粘度不显著影响液滴大小。值 得注意的是，如图20A和20F所示，即使从粘度高达水的粘度的55倍的流体，千足虫式装置 也生产非常单分散的液滴，这与形成这些粘性液体的长射流并且所述长射流典型地不可控 地破碎成多分散液滴的传统流动聚焦装置相反。
[0149] 为了可控地形成液滴，舌状物可以在液滴形成之后缩回并且在液滴形成的初始阶 段期间保持其平衡的半圆形形状。随着内相的粘度增大，这种缩回变得更慢。因此，如图 20G所示，随着粘度的增大，装置的产量下降，如图20H所示，单个液滴制造器的液滴生成频 率也下降。当使液滴与舌状物相连的线变得过细并因此断裂时，液滴与舌状物分开。当内相 从连接通道到舌状物的通量小于内相从舌状物到液滴的通量并因此舌状物的体积下降时， 出现液滴与舌状物分开的情况。然而，如果连接通道中的内相的通量超过一特征值（例如， 通过增加内相在其入口处的流率），那么，舌状物的体积可能不会显著减小。液滴于是继续 生长，直到其或者被连续相的流或者被撞击液滴不可控地剪断。对液滴形成的较差控制导 致所产生的液滴具有极高的多分散性。
[0150]内相在其入口处的通量的特征值可能会影响千足虫式装置的产量。然而，对于横 截面为200mm2、h= 40微米的装置，这种限制可以高达150ml/h，比单个流动聚焦装置的产 量大将近两个数量级。如图201所示，随着h减小，产量下降，并且如图20所示，液滴生成 频率也下降。千足虫式装置的各个液滴制造器的液滴生成频率比流动聚焦微流装置的液滴 生成频率小将近一个数量级。较低的液滴生成频率归因于形成液滴的机制完全不同。为 了可控地在千足虫式装置中形成液滴，系统在液滴形成的初始阶段达到平衡，这可能需要 一些时间，但是这使液滴形成非常稳定。因此，这里使用的装置可扩展得更多，并且能够通 过