三相微流控系统液滴在液-液界面上的自发转移机制解析

微流控技术，尤其是液滴在微通道中的转移，是现代微流体学和化学工程领域的一个重要研究方向。这种技术在囊泡制备、液滴分离、化学合成、化学分析、药物递送等多个领域有着广泛的应用。然而，液滴在微尺度下的界面穿透是一个技术挑战，因为在这个尺度下，液滴的行为受到流体动力学、界面张力和微通道结构的复杂影响。  

目前跨界面的液滴转移方法主要分为主动和被动两种。主动方法依赖于外部场（如磁场、声场、光场）来控制液滴的运动，虽然可以实现精确控制，但对流体性质的限制较多。被动方法则利用微流控装置的特殊配置或流体动力学特性来实现液滴的转移。

近来，一种利用界面张力诱导液滴在微流体界面上自发转移的新方法受到越来越多的关注。在由两个连续相和分散液滴形成平行流动的三相系统中，液滴会在界面张力的作用下从一个连续相转移到另一个连续相。这种方法由于液滴尺寸较小，液滴在界面上的转移过程通常伴随着径向位移。但是，使用主动或被动方法都很难使液滴在微通道中径向移动。考虑到液体的流动性，改变液滴与界面之间的相对位置和接触模式在促进液滴转移方面具有巨大潜力。然而，关于液滴转移机理的研究十分有限，也没有提出准确的流动模式预测方程。

为解决上述问题，近期，来自天津大学的研究人员观察了液滴转移的新型流动模式并研究了其机理，从而提出了确定液滴转移临界条件的精确预测方程。同时，还观察到了液膜夹带，这导致了水包油系统的形成。该研究为进一步研究液滴传递机理提供了有价值的参考，并为其工业应用提供了实际指导。相关研究成果以“Spontaneous Transfer of Droplets across a Microfluidic Liquid–Liquid Interface”为题，发表在American Chemical Society期刊上。

具体而言，本研究首先构建了一个三相微流控系统，用于观察和分析液滴在微通道中的转移行为。实验中使用的三相系统由两种水相（富含三钠柠檬酸盐（TSC）的水相和富含聚乙二醇（PEG）的水相）以及一种油相（离子液体[BMIM]PF₆）组成。微通道在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板上通过精密数控（CNC）机床加工而成。微通道由三个T型结构组成，每个部分的横截面为矩形，高度和宽度均为0.4 mm。[BMIM]PF₆和TSC分别从微通道顶部的两个入口注入，而PEG从底部的入口注入。使用精密注射泵调节流体的流速，[BMIM]PF₆的流速设置为0.5、1、1.5和2 mL/h，TSC和PEG的流速范围分别为0.02 ~ 1.9 mL/h和1.5 ~ 3 mL/h。使用高速摄像机记录液滴的行为，拍摄速度根据流模式的不同在500到5000 fps（帧每秒）之间变化。通过这些精心设计的实验方法和系统，研究人员能够详细观察和分析液滴在微通道中的转移过程，从而深入理解液滴与界面相互作用的机制，并提出了相应的预测模型。这些实验结果对于微流控技术的发展具有重要的科学和工程意义。

图1 微通道结构示意图，蓝色箭头表示微通道中流体的流动方向

在该研究中，研究人员观察到三种液滴转移模式：完全转移、部分转移和非转移。（1）完全转移模式：当PEG插塞长度达到临界值时，液滴可以完全穿过油水界面，形成水/水系统。此模式包括三个阶段：变形阶段、积累阶段和转移阶段。（2）部分转移模式：当PEG插塞长度不足临界值时，液滴仅部分穿过界面，形成油/水/水系统。（3）非转移模式：当PEG插塞长度远小于临界值时，液滴无法穿过界面。

图2 液滴的三种转移模式：完全转移、部分转移和非转移

通过分析液滴在微通道中的变形、积累和转移阶段，该研究揭示了液滴与界面相互作用的复杂机制。其中，液膜阻力和驱动力的相互作用是决定液滴能否成功穿越界面的关键因素。液膜的厚度、界面的接近速度以及液膜内部的流动都对液膜阻力有显著影响。液膜的破裂是液滴成功穿越界面的关键步骤，这一过程受到界面张力和分子间作用力的共同影响。通过计算PEG液体塞的临界长度和液膜排空时间，可以预测不同流型。该研究给出了流动模式预测方程。研究结果显示，预测方程与实验结果吻合良好，表明方程的准确性。此外，通过比较液滴在主通道中的停留时间和液膜排空时间，可以准确预测不同转移模式。

图3 液滴转移过程中液膜阻力和驱动力的相互作用

此外，研究人员通过比较液滴在主通道的停留时间和液膜排水时间，绘制了流模式图。该图清晰地展示了不同流模式的边界条件，为实验操作提供了直观的指导。流动模式图的应用可以帮助研究人员在实际的微流控实验中预测和控制液滴的转移行为，从而实现更精确的实验结果。

图4 流模式图

综上所述，该研究不仅观察到了一种新的液滴转移流动模式，而且还提出了一个准确的预测方程来确定液滴转移的临界条件。这对于理解和控制微流控系统中液滴的行为至关重要。此外，研究还观察到了液膜的卷入现象，这导致了油包水包水（O/W/W）系统的形成，这对于开发新型微流控装置和集成微流控系统具有重要的参考价值。

图5 W/W系统和O/W/W系统形成的流型图

展望未来，研究人员可以从以下方面继续优化该研究。

（1）界面张力在微流控中的应用：研究强调了界面张力在微流控系统中的重要性，提示未来研究可以进一步探索界面张力在液滴操控、相分离和微反应器设计中的应用。

（2）多相系统的设计与优化：通过观察到的油包水包水（O/W/W）系统的形成，未来的研究可以探索更多复杂的多相微流控系统设计，以及这些系统在化学反应、生物工程和材料科学中的应用。

（3）液滴转移机制的深入理解：研究提出了液滴转移的预测方程和流动模式图，这为未来研究提供了一个框架，以更深入地理解液滴在微通道中的流动行为和动力学。

（4）微流控装置设计的改进：论文中提出的预测工具和流模式图可以指导微流控装置的设计，帮助研究人员优化设备结构，提高液滴操控的精确度和效率。

（5）跨学科研究的促进：液滴转移的研究涉及流体力学、界面科学、材料科学等多个领域，鼓励跨学科合作，以解决微流控技术中的复杂问题。

（6）实验与模拟的结合：未来的研究可以结合实验观察和数值模拟，以更全面地理解液滴在微通道中的转移过程，特别是在复杂流体相和微结构条件下的行为。

（7）实际应用的拓展：研究结果为微流控技术在药物递送、生物检测、化学合成等领域的应用提供了新的思路，鼓励研究人员将这些基础研究成果转化为实际应用。

审核编辑：黄飞