一种离心式微流控芯片及连续合成Janus粒子的方法与流程

本发明属于微流控技术领域，特别涉及一种离心式微流控芯片及连续合成Janus粒子的方法。

背景技术：

Janus是古罗马神话中具有前后两张脸的神，1991年De Gennes在诺贝尔获奖致辞中首次用Janus来形象化地表示具有不对称性的颗粒。因为在同一个粒子上可以表现出不同的性质，这种具有不对称双面结构的Janus粒子在一些应用领域中比单一性质的粒子表现出更优异的性能，在乳液稳定、光学、生物传感、药物输送和电子学领域均具有潜在的应用前景。

基于微流控技术的合成方法具有很高的传质和传热效率，易于准确控制反应条件，混合速度快，试剂消耗量低。将微流控技术用于合成Janus粒子，有利于控制粒子的尺寸和形貌，合成的粒子具有高度均一性，而且制备过程简单[Xiao-Ting Sun，Mei Liu，Zhang-Run Xu.Talanta.2014，121，163-177.]。基于微流控技术制备Janus微粒的方法常见的有两类：一类是以液滴为模板制备粒子，另一类是通过掩模直接固化制备粒子。对于前一类方法，一般先利用微流控技术形成Janus液滴，然后将液滴固化成Janus微粒。可以通过构建流式聚焦结构在芯片上形成Janus液滴[Zhi-Hong Nie，Li Wei，Min-Seok Seo，Sheng-Qing Xu，and Eugenia Kumacheva.J.Am.Chem.Sco.2006，128，9408-9412.]，也可以利用多孔毛细管形成不对称液滴[Shin-Hyun Kim，Seog-Jin Jeon，Woong Chan Jeong，Hyo Sung Park，and Seung-Man Yang.Adv.Mater.2008，20，4129-4134.]，还可以利用离心式微流控芯片形成不对称液滴[Mei Liu，Xiao-Ting Sun，Chun-Guang Yang，and Zhang-Run Xu.J.Colloid Interface Sci.2016，466，20-27.]。使用这类方法合成形貌复杂的粒子，如多相不对称粒子，就需要三维几何形状的通道和对多相液流进行精确控制[Andreas Walther，Axel H.E.Müller.Chem.Rev.2013，113，5194-5261.]。对于后一类方法，常常将平板印刷技术和微流控多相层流技术相结合，在芯片的微通道内形成两相或更多相层流液流，将设定好形状的掩模覆盖在通道上，通过光刻技术在通道内固化成粒子，粒子的形状取决于掩模的形状[Ki-Wan Bong，Ki-Tae Bong，Daniel C.Pregibon，and Patrick S.Doyle.Angew.Chem.Int.Ed.2010，49，87-90.]。

基于微流控技术的Janus粒子合成方法尽管能够制备尺寸均一、形貌可控的微粒，但制备速率一般都很低，无法满足大批量生产的需要。离心式微流控技术使用的设备简单，可以同时驱动圆形芯片上的并行阵列通道，十分有利于提高微粒的制备速率。Maeda等在离心管中固定并排的毛细管，每一根毛细管内通入一种溶液，在离心管底部加入交联剂，在离心力作用下将毛细管内的溶液甩出，与交联剂发生迅速的交联固化合成不对称粒子[Kazuki Maeda，Hiroaki Onoe，Masahiro Takinoue，and Shoji Takeuchi.Adv.Mater.2012，24，1340-1346.]。但是这种方法需要在毛细管中事先注入溶液，难以实现试剂的连续引入和连续合成。Liu等设计了一种离心式微流控芯片，利用芯片上的并行通道，合成了海藻酸钙不对称粒子[Mei Liu，Xiao-Ting Sun，Chun-Guang Yang，and Zhang-Run Xu.J.Colloid Interface Sci.2016，466，20-27.]，但依然没能实现连续进样与合成。

尽管离心微流控技术在Janus粒子制备方面具有明显的潜力，但由于难以向高速旋转的芯片中引入不同的反应液，其在这方面的优势一直没有得到有效体现。解决离心微流控技术在多种溶液引入方面的瓶颈问题，提高微流控芯片合成Janus粒子的产量，同时保持Janus粒子的高质量，对于Janus粒子的制备具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有微流控方法合成Janus粒子在产率方面存在的问题，本发明提供一种离心式微流控芯片及连续合成Janus粒子的方法。

本发明的离心式微流控芯片，由上层基片、中间层基片和下层基片组成；所述的上层基片、中间层基片和下层基片为同心圆，且大小相等；

所述的上层基片，上层基片圆心处设置有1个上层中心圆孔；上层基片上设置有圆环形液池，圆环形液池与上层基片同心，圆环形液池穿透上层基片，圆环形液池外侧设置有若干个上层分散圆形通道，且若干个上层分散圆形通道沿周向均布设置在上层基片上，上层分散圆形通道与圆环形液池之间通过一级直通道相连通，一级直通道的延长线通过上层基片的圆心；

所述的中间层基片，中间层基片圆心处设置有1个中间层中心圆孔，中间层基片设置有若干个中间层分散圆孔，中间层分散圆孔的数量、位置和大小，与上层分散圆形通道相同；

所述的下层基片，下层基片圆心处设置有1个中心液池，下层基片设置有若干下层分散圆形通道，下层分散圆形通道的数量、位置和大小，与上层分散圆形通道相同；下层圆心处的圆形通道与边缘之间通过若干个二级直通道相连通，边缘处的连通点即为通道出口，二级直通道的数量＝下层分散圆形通道的数量；下层分散圆形通道与同侧相邻的二级直通道之间通过三级直通道相连通，且三级通道位于下层分散圆形通道所形成的圆的外侧。

所述的上层基片的圆环形液池的边缘外侧设置有圆环形挡片；所述的上层基片的中心圆孔外侧设置有圆环形挡片，中心圆孔的圆环形挡片与中心圆孔同心，且其直径小于上层基片的圆环形液池的直径。

所述的上层基片的圆环形液池为圆环形微通道，用于液体引入；上层一级直通道呈发散性分布。

所述的圆环形液池直径设为S，上层基片的直径设为D，则S∶D＝(1～100)∶(4～400)；且上层环形液池的内径和外径差为1～2mm；

所述的上层基片上设置有1～200个上层分散圆形通道，所述上层分散圆形通道的直径为X，则X∶D＝(0.5～10)∶(4～400)；所述上层分散圆形通道与上层基片的圆心距设为H，则，H∶D＝(1～200)∶(4～400)；

所述的一级直通道的宽度＝二级直通道的宽度＝三级直通道的宽度，均设为L，则L∶D＝(0.05～2)∶(4～400)；

所述的下层基片的二级直通道与三级直通道的连通点距离下层基片边缘的距离设为Y，则Y∶D＝(0.5～20)∶(4～400)；

所述的下层中心液池为圆形，上层中心圆孔的直径＝中间层中心圆孔的直径＝下层中心液池的直径；

所述的上层基片的直径为4～400mm，上层基片厚度＝下层基片厚度＝1～50mm，中间层基片厚度为30～500μm；上层中心圆孔的直径为0.5～100mm；上层圆环形液池的直径为1～100mm；上层分散圆形通道的直径均为0.5～10mm，所述的上层一级直通道的宽度＝二级直通道的宽度＝三级直通道的宽度＝0.05～2mm；上层一级直通道的长度为1～100mm；下层二级直通道的长度为2～200mm，下层三级直通道的长度为1～100mm，二级直通道与三级直通道的连通点距离下层基片边缘的距离为0.5～20mm。

本发明的离心式微流控芯片，配合匀胶机使用，使用时将离心式微流控芯片放置在匀胶机的吸盘上，吸盘的直径要小于离心式微流控芯片的直径。

本发明的离心式微流控芯片的材质是聚二甲基硅氧烷。

本发明的离心式微流控芯片，当材质为聚二甲基硅氧烷时，上层芯片和下层芯片的制备过程均是按照SU-8光刻胶阳模的标准制作工艺，得到坚固的带有通道构型的SU-8光刻胶阳模；中间层芯片的制备过程是按照AZ光刻胶阳模的标准工艺，完成微流控芯片阳模制作，

本发明的离心式微流控芯片，当材质为聚二甲基硅氧烷时，上层芯片的制备过程为：

在具有上层通道构型的SU-8光刻胶阳模上浇注聚二甲基硅氧烷预聚物，经过加热聚合过程，固化成型，将其从阳模上取下；按照芯片上的圆形通道裁剪出一个贯穿其中的环形液池，此液池作为第一种试液的进样口，这样制得圆盘形的上层基片(未带有上层中心圆孔)；

中层芯片的制备过程为：在AZ阳模上浇注聚二甲基硅氧烷预聚物，经过加热聚合固化成型，将其从阳模上取下，用打孔器在聚二甲基硅氧烷层上，对应上层基片的圆圈处打孔；

下层芯片的制备过程为：在具有下层通道构型的SU-8光刻胶阳模上浇注聚二甲基硅氧烷预聚物，经过加热聚合过程，固化成型，将其从阳模上取下，制得下层基片；

用等离子体清洗器将要封接的上层基片和中间层基片的表面进行改性后，将上层基片具有通道的一面与改性后的中间层基片对准封接在一起，形成封闭的微通道网络；在已封接好的两层基片的中心位置打一通孔，该通孔为中间层中心圆孔，作为另外一种试液的入口；将下层基片有直通道的一面，与封闭的微通道网络的中间层一面对准封接，中间层的小圆孔与下层基片的下层分散圆形通道一一对应，用等离子清洗器进行表面改性后封接在一起；这样，就制得所需的微流控芯片。

在使用离心式微流控芯片时，根据中心液池和环形液池的大小，将直径比较小的塑料管用硅橡胶粘接在芯片中心液池进样口外围，作为中心液池导液槽，直径比较大的塑料管用硅橡胶粘在环形进样口外围，与直径比较小的塑料管一起围成圆环形液池导液槽；两个液池均可以实现在高速旋转条件下，将两种试液分别引入到两组通道中。

采用离心式微流控芯片，连续合成Janus粒子的方法，包括如下步骤：

步骤1：

(1)将外置环形液池放置在匀胶机吸盘外，并向外置环形液池内注入试液；将离心微流控芯片固定在匀胶机吸盘上；

(2)调离心微流控芯片，使其通道出口通向外置环形液池的储液槽；

步骤2：

(1)持续向中心液池注入聚合物试液，持续向圆环形液池内注入另一种不同性质的聚合物试液；上层基片的一级直通道内、下层基片的二级直通道和三级直通道内，均充满试液；

(2)打开匀胶机旋转离心，连续不断进入芯片通道内的试液在离心力作用下，于通道出口处形成双相液滴；

(3)调整试液进入中心液池和试液进入圆环形液池的速率，使两者的速率均与试液从芯片上甩出的速率相等；

步骤3：

双相液滴连续不断地被甩入外置环形液池内，并与外置环形液池内的试液反应，双相液滴沉积出来形成Janus粒子。

其中：

所述步骤1中，外置环形液池与离心微流控芯片同心放置。

所述的步骤2(1)中，通过向中心液池导液槽注入聚合物试液，使中心液池充满试液；通过向圆环形液池导液槽注入不同性质的聚合物试液，使圆环形液池充满试液；

所述步骤2中，持续分别向中心液池和圆环形液池内注入试液的具体方法为：分别通过注射器针头或导管向液池内注入试液；所述的注射器针头或导管位于液池上方，注射器针头通过导管与注射器连接，注射器固定在微量蠕动泵或注射泵上；所述的导管与注射器连接，注射器固定在微量蠕动泵或注射泵上。

所述的步骤2(3)中，三者速率相等，使得试液在通道中保持连续流动。

所述的步骤2(2)中，离心速度为500～2000r/min。

所述的步骤2(3)中，试液从芯片上甩出的速率为3～6400μL/min。

所述的离心式微流控芯片的使用方法中，通过旋转产生的离心力驱动芯片上的试液流动，离心速度控制在500～2000r/min，保证从液池上方进入液池的试液能够流入微通道内，并从通道内甩出；相应地试液进样速度控制在为3～6400μL/min保证通道内充满连续流动的液体。

所述的离心式微流控芯片的使用方法中，向中心液池注入的聚合物试液为进行纳米沉积反应或交联反应的试液；向圆环形液池注入的不同性质的聚合物试液为与中心液池注入的种类相同性质不同的试液；向外置环形液池注入的试液为触发聚合物沉积反应或交联反应的试液。

本发明方法中，两种试液是从不同液池、芯片的不同层引入的，两种试液在下层通道的出口端汇合。其中一种试液从环形液池经上层基片上的通道进入，流经中间层上的小孔，流入下层基片上的短通道中。另一种试液从中心液池直接进入到下层基片上的发散型直通道中。两种试液在下层基片上的通道出口处汇合。

本发明方法中，芯片上形成的Janus液滴在外置环形液池内通过交联反应或纳米沉积法进行固化，形成Janus粒子。由于保证了试液的连续引入，从而实现了Janus粒子的连续合成。阵列式的合成通道、高速旋转驱动液体和连续合成，提高了Janus粒子的合成产率。

附图说明

图1本发明实施例的微流控芯片示意图；

其中：a为上层基片，b为中间层基片，c为下层基片，1：圆环形液池；2：上层基片上的一级直通道；3：中间层分散圆孔；4：中心液池；5：下层基片上的二级直通道；6：下层基片上的三级直通道。

图2本发明实施例的连续合成Janus粒子的装置示意图；

其中：7：注射器；8：连接管；9：芯片上的两个导液槽；10：外置环形液池；11：微流控芯片。

图3本发明实施例1制备的Janus粒子的荧光显微图像；其中：方框A里的小圆点为合成粒子发绿色荧光的部分；方框B里的小圆点为合成粒子发红色荧光部分。

图4本发明实施例2制备的Janus粒子的荧光显微图像；其中：方框A里的小圆点为合成粒子发绿色荧光的部分；方框B里的小圆点为合成粒子发红色荧光部分。

具体实施方式

实施例1

本发明的离心式微流控芯片，如图1所示，由上层基片a、中间层基片b和下层基片c组成；所述的上层基片、中间层基片和下层基片为同心圆，且大小相等；

所述的上层基片，上层基片圆心处设置有1个上层中心圆孔；上层基片上设置有圆环形液池1，圆环形液池1与上层基片a同心，圆环形液池1穿透上层基片a，圆环形液池1外侧设置有若干个上层分散圆形通道，且若干个上层分散圆形通道沿周向均布设置在上层基片上，上层分散圆形通道与圆环形液池之间通过一级直通道2相连通，一级直通道2的延长线通过上层基片的圆心；

所述的中间层基片b，中间层基片b圆心处设置有1个中间层中心圆孔，中间层基片设置有若干个中间层分散圆孔3，中心层分散圆孔3的数量、位置和大小，与上层分散圆形通道相同；

所述的下层基片c，下层基片圆心处设置有1个下层圆形液池4(中心液池)，下层基片设置有若干下层分散圆形通道，下层分散圆形通道的数量、位置和大小，与上层分散圆形通道相同；下层圆心处的圆形液池4与边缘之间通过若干个二级直通道5相连通，边缘处的连通点即为通道出口，二级直通道的数量＝下层分散圆形通道的数量；下层分散圆形通道与同侧相邻的二级直通道5之间通过三级直通道6相连通，且三级通道6位于下层分散圆形通道所形成的圆的外侧。

所述的上层基片的圆环形液池1的边缘外侧设置有圆环形挡片；所述的上层基片的中心圆孔外侧设置有圆环形挡片，中心圆孔的圆环形挡片与中心圆孔同心，且其直径小于上层基片的圆环形液池的直径。

所述的上层基片的圆环形液池为圆环形微通道，用于液体引入；上层一级直通道呈发散性分布。

所述的圆环形液池直径为14mm，上层基片的直径为70mm，则S∶D＝14∶70；且上层环形液池的内径和外径差为1mm；

所述的上层基片上设置有36个上层分散圆孔，所述上层分散圆孔的直径为0.9mm；所述上层分散圆形通道与上层基片的圆心距为28.45mm；

所述的一级直通道的宽度＝二级直通道的宽度＝三级直通道的宽度，均为100μm；

所述的下层基片的二级直通道与三级直通道的连通点距离下层基片边缘的距离为1mm，则Y∶D＝1∶70；

所述的上层中心圆孔的直径＝中间层中心圆孔的直径＝下层圆形通道的直径；

所述的上层基片的直径为70mm，上层基片厚度＝下层基片厚度＝1mm，中间层基片厚度为100μm；上层中心圆孔的直径为2mm；上层圆环形液池的直径为14mm；上层分散圆形通道的直径均为0.9mm，所述的上层一级直通道的宽度＝二级直通道的宽度＝三级直通道的宽度＝100μm；上层一级直通道的长度为27mm；下层二级直通道的长度为34mm，下层三级直通道的长度为7mm，二级直通道与三级直通道的连通点距离下层基片边缘的距离为1mm。

本实施例的离心式微流控芯片的材料是聚二甲基硅氧烷。

本发明的离心式微流控芯片，上层芯片制备过程均是按照SU-8光刻胶阳模的标准制作工艺，得到坚固的带有通道构型的SU-8光刻胶阳模，其制作过程为：按照SU-8光刻胶阳模的标准制作工艺，在硅片上形成微通道网络阳模，阳模的高度约为100μm，再于其上浇注聚二甲基硅氧烷预聚物，经过加热聚合过程，固化成型，将其从阳模上取下，在基片中心，分别用直径为13mm和直径为14mm的钻孔器制作出一个贯穿聚二甲基硅氧烷层的圆环形液池，此液池作为一种试液的进样口，这样就制得圆盘形的上层基片；

中间层芯片的制备过程是按照AZ光刻胶阳模的标准工艺，完成微流控芯片阳模制作，其制作过程为：在玻璃上形成带有一系列小圆圈的阳模，这些圆圈与上层基片上通道的末端一一对应；在玻璃阳模上浇注一层聚二甲基硅氧烷预聚物，控制其厚度为100μm，加热固化成型，将其从阳模上取下；用打孔器在聚二甲基硅氧烷层上的圆圈处打孔，孔的直径为0.9mm。将上层基片具有微通道的一面与所制作的中间层基片对准封接，形成封闭的微通道网络。在已封接好的两层基片的中心位置打一直径为2mm通孔，作为另一种试液的入口；

下层芯片制备过程均是按照SU-8光刻胶阳模的标准制作工艺，得到坚固的带有通道构型的SU-8光刻胶阳模，其制作过程为：在硅片上形成微通道网络的阳模，阳模的高度约为100μm，再于其上浇注聚二甲基硅氧烷预聚物，经过加热聚合过程，固化成型，将其从阳模上取下，制得下层基片；

将下层基片有通道的一面与上层和中间层封接在一起的基片的中间层一面对准封接，小圆孔与下层基片上的短通道起始端一一对应；用等离子清洗器进行表面改性后封接在一起，这样，就制得所需的微流控芯片。

取直径为8mm、高为15mm的塑料管，将其用硅橡胶粘接在芯片中心位置，作为中心液池；取直径为16mm、高为15mm的塑料管，将其用硅橡胶粘在中心液池外围，形成环形液池；这样就制得了环形液池的导液槽。

用于储存不良溶剂的外置环形液池是由三层厚度不同的玻璃组装而成，使用圆规玻璃刀将两块厚度为1mm的玻璃上分别切割出两个直径为73mm的圆形玻璃，在一块厚度为5mm的玻璃上切割出一个直径为93mm的圆形玻璃，将三块带有圆孔的玻璃叠放在一起，厚玻璃夹在两块薄玻璃中间，同心对准，使用光固化玻璃粘胶将三层玻璃粘在一起，形成一面开口三面封闭的玻璃液池。

利用离心式微流控芯片，连续合成Janus粒子的方法，采用含有离心式微流控芯片的连续合成Janus粒子的装置如图2所示，具体如下：

步骤1：

(1)将外置环形液池放置在匀胶机吸盘外，外置环形液池与离心微流控芯片同心放置，并向外置环形液池内注入PLGA的不良溶剂；将离心微流控芯片固定在匀胶机吸盘上；

(2)调离心微流控芯片，使其通道出口通向外置环形液池的储液槽；

步骤2：

(1)通过注射器7和连接管8，持续向中心液池注入罗丹明B标记的10mg/mL PLGA乙腈溶液，持续向圆环形液池内注入荧光黄标记的10mg/mL PLGA乙腈溶液；上层基片的一级直通道内、下层基片的二级直通道和三级直通道内，均充满试液；

(2)打开匀胶机旋转离心，连续不断进入芯片通道内的试液在离心力作用下，于通道出口处形成双相液滴；其中，匀胶机离心旋转速度为1000r/min；

(3)调整试液进入中心液池和试液进入圆环形液池的速率，使两者的速率均与试液从芯片上甩出的速率相等；其中，试液从芯片上甩出的速率为400μL/min，

步骤3：

双相液滴连续不断地被甩入外置环形液池内，并与外置环形液池内的水溶液反应，双相液滴沉积出来形成Janus粒子。

本实施例制备的Janus粒子的英光显微图像如图3所示，制备的粒子在不同激发波长下，可以观察到每个粒子具有红绿两种不同的部分。

实施例2

本实施例采用的离心式微流控芯片结构和材质同实施例1，但尺寸不同：

本实施圆环形液池直径为14mm，上层基片的直径为70mm，则S∶D＝14∶70；且上层环形液池的内径和外径差为1mm；

本实施上层基片上设置有36个上层分散圆孔，所述上层分散圆孔的直径为0.9mm；所述上层分散圆形通道与上层基片的圆心距为28.45mm；

本实施一级直通道的宽度＝二级直通道的宽度＝三级直通道的宽度，均为200μm；

本实施下层基片的二级直通道与三级直通道的连通点距离下层基片边缘的距离为1mm，则Y∶D＝1∶70；

本实施上层中心圆孔的直径＝中间层中心圆孔的直径＝下层圆形通道的直径；

本实施上层基片的直径为70mm，上层基片厚度＝下层基片厚度＝2mm，中间层基片厚度为200μm；上层中心圆孔的直径为2mm；上层圆环形液池的直径为14mm；上层分散圆形通道的直径均为0.9mm，所述的上层一级直通道的宽度＝二级直通道的宽度＝三级直通道的宽度＝200μm；上层一级直通道的长度为27mm；下层二级直通道的长度为34mm，下层三级直通道的长度为7mm，二级直通道与三级直通道的连通点距离下层基片边缘的距离为1mm。

利用离心式微流控芯片，连续合成Janus粒子的方法，采用含有离心式微流控芯片的连续合成Janus粒子的装置如图2所示，具体如下：

步骤1：

(1)将外置环形液池放置在匀胶机吸盘外，外置环形液池与离心微流控芯片同心放置，并向外置环形液池内注入PLGA的不良溶剂；将离心微流控芯片固定在匀胶机吸盘上；

(2)调离心微流控芯片，使其通道出口通向外置环形液池的储液槽；

步骤2：

(1)通过注射器7和连接管8，持续向中心液池注入罗丹明B标记的10mg/mL PLGA乙腈溶液，持续向圆环环形液池内注入荧光黄标记的10mg/mL PLGA乙腈溶液；上层基片的一级直通道内、下层基片的二级直通道和三级直通道内，均充满试液；

(2)打开匀胶机旋转离心，连续不断进入芯片通道内的试液在离心力作用下，于通道出口处形成双相液滴；其中，匀胶机离心旋转速度为1000r/min；

(3)调整试液进入中心液池和试液进入圆环形液池的速率，使两者的速率均与试液从芯片上甩出的速率相等；其中，试液从芯片上甩出的速率为800μL/min，

步骤3：

双相液滴连续不断地被甩入外置环形液池内，并与外置环形液池内的水溶液反应，双相液滴沉积出来形成Janus粒子。

本实施例制备的Janus粒子的荧光显微图像如图4所示，制备的粒子在不同激发波长下，观察到每个粒子具有红绿两种不同的部分。