基于T形共流聚焦法的液滴生成技術(shù)

王洪，鄭杰，閆延鵬，張晨，崔建國

（重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶400054）

微流控液滴技術(shù)是一種新興的操控微小液體的技術(shù)，基于微液滴的生成[1-2]、融合[3-4]、捕獲[5]等操控技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)分析[6-7]、分子檢測[8]、臨床診斷[9]等領(lǐng)域。微液滴的生成是微液滴操控技術(shù)的首要步驟，從液滴組成相種類出發(fā)，液滴可分為氣-液相液滴和液-液相液滴；本文主要開展液-液相液滴的生成控制技術(shù)研究。從液滴生成機(jī)理差異出發(fā)，又可將液滴生成方法分為水動力法、氣動法、光控法和電動法等四種主要類型；其中，作為液滴主流生成方法的水動力法又可細(xì)分為T 形結(jié)構(gòu)法、流動聚焦法和毛細(xì)管流動共聚焦法等，研究者們圍繞這些液滴生成技術(shù)開展了大量的研究工作。

Thorsen等[10]率先報道了一款帶縮頸的T形結(jié)構(gòu)芯片，油水兩相分別從水平通道和垂直通道中流出，在T 形結(jié)構(gòu)處形成油/水界面，當(dāng)油/水界面張力不足以維持油相剪切力時，水溶液斷裂形成液滴。Garstecki[11]和Baroud[12]等在T 形結(jié)構(gòu)液滴生成理論上展開了進(jìn)一步研究，論證了兩相流速比、毛細(xì)管數(shù)、幾何尺寸比等因素對液滴生成過程的作用及尺寸影響。隨著數(shù)值計算方法的發(fā)展，楊帆[13]和李藝凡[14]等對T形通道內(nèi)液滴生成過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。T形結(jié)構(gòu)法具有芯片結(jié)構(gòu)簡單的特點，但芯片中縮頸結(jié)構(gòu)加工難度較大，且該方法中液滴生成穩(wěn)定性較差，液滴尺寸控制范圍較窄。

流動聚焦法是在T形結(jié)構(gòu)法基礎(chǔ)上提出的另一種液滴生成方法，在該方法中連續(xù)相從兩側(cè)對離散相進(jìn)行擠壓，在下游縮頸通道處油/水界面失穩(wěn)形成液滴。Anna[15]、Dreyfus[16]和劉思蔚[17]等分別從實驗和數(shù)值模擬角度開展了流動聚焦法液滴生成的研究。流動聚焦法較T 形結(jié)構(gòu)法中液滴生成更加穩(wěn)定，生成的液滴尺寸可控范圍更寬，對遠(yuǎn)小于通道尺寸的液滴生成更加有利；但在該方法中，要求芯片結(jié)構(gòu)具有高度對稱性，縮頸處尺寸更小，因此需要精度更高的加工工藝。

毛細(xì)管流動共聚焦法在芯片制作工藝上相比前兩種方法簡單，不需要用于微通道加工的光刻技術(shù)或者超凈實驗室；在結(jié)構(gòu)上該方法不同于流動聚焦法中從兩側(cè)擠壓離散相流體，而是利用毛細(xì)管嵌套關(guān)系使連續(xù)相環(huán)繞分散相從四周徑向“擠壓”形成“收縮頸”，分散相流體前端“失穩(wěn)”，從而生成液滴。Shah等[18]提出了一種用于制造單分散相乳液及多核乳液的玻璃毛細(xì)管裝置，后期研究者多借鑒該裝置開展液滴生成的相關(guān)研究[19]。流動共聚焦方法在穩(wěn)定生成液滴方面相比前兩種方法更具優(yōu)勢，且液滴尺寸可控范圍更寬廣，但其不足是兩相流注入難，不如T形結(jié)構(gòu)法和流動聚焦法方便，且封裝體積較大；同時，毛細(xì)管之間能否共軸成為一個難點。

為實現(xiàn)液滴的穩(wěn)定生成、尺寸可控、流速可調(diào)，解決芯片加工制作難、封裝體積大等技術(shù)問題，本文開展了毛細(xì)管中微液滴生成控制技術(shù)的研究，創(chuàng)新性地提出了基于T形共流聚焦結(jié)構(gòu)的微液滴生成技術(shù)，借助商品化的T形管簡化了傳統(tǒng)毛細(xì)管流動共聚焦液滴生成裝置封裝難的問題。在此基礎(chǔ)上，針對毛細(xì)管出口管徑和錐角加工問題，本文還研制了一種毛細(xì)管環(huán)形加熱拉伸法，用以控制毛細(xì)管出口錐角和實現(xiàn)更細(xì)管徑的制取。本拉伸方法的提出，為實現(xiàn)更小液滴的制取提供了硬件裝置上的支持，可用于優(yōu)化毛細(xì)管出口錐角及管徑在液滴尺寸控制中的作用。本裝置結(jié)構(gòu)簡單、管道支撐穩(wěn)定、便于制作，不需要復(fù)雜加工工藝及實驗條件，便于深入研究流速比、出口錐角角度和出口管徑對液滴均一性的影響。

1 液滴生成方法及實驗

1.1 T形共流聚焦法結(jié)構(gòu)設(shè)計

T 形共流聚焦法是在傳統(tǒng)T 形結(jié)構(gòu)法和毛細(xì)管流動共聚焦法的基礎(chǔ)上提出的一種新型結(jié)構(gòu)封裝方法。該裝置由商品化T 形管和毛細(xì)管嵌套封裝而成，其三維剖面圖如圖1所示。

圖1 T形共流聚焦結(jié)構(gòu)三維剖面圖

圖1中T形管既起到固定毛細(xì)管的作用，又起到簡化兩相流入口結(jié)構(gòu)的作用；外徑0.75mm 主流路毛細(xì)管從C端口插入至T形管水平B-C支路與垂直A（連續(xù)相入口）支路的相交處右端。外徑0.35mm 的內(nèi)嵌毛細(xì)管從T 形管B 端口插入至C 端口，錐角尖端E 距C 端口約3mm；在水平支路B端，內(nèi)嵌毛細(xì)管外嵌套外徑0.75mm 毛細(xì)管增強(qiáng)內(nèi)嵌毛細(xì)管強(qiáng)度，并有利于從外部引入離散相流體。該結(jié)構(gòu)中，毛細(xì)管與毛細(xì)管之間、T形管與毛細(xì)管之間皆采用黏合劑進(jìn)行密封。

1.2 液滴生成裝置封裝及測試

T形共流聚焦結(jié)構(gòu)的封裝是液滴生成的重要步驟，所需實驗材料主要包括商品化T形管、不同管徑毛細(xì)管和黏合劑等。在T形共流聚焦法中，內(nèi)嵌毛細(xì)管與外毛細(xì)管能否共軸是封裝的難點和關(guān)鍵技術(shù)問題，直接影響液滴生成效果。T形共流聚焦結(jié)構(gòu)的主體封裝可分三步完成，具體步驟如下：①完成T形管與主流路毛細(xì)管的封裝，得到部件一；外徑0.75mm 主流路毛細(xì)管與T 形管壁間用黏合劑（浩奇，多功能502膠水）密封；②從外徑0.35mm內(nèi)嵌毛細(xì)管左端口套入一長2cm 外徑0.75mm 毛細(xì)管（此毛細(xì)管與部件一的主流路毛細(xì)管同等規(guī)格，這為后期內(nèi)外兩毛細(xì)管共軸提供了保障），用以增強(qiáng)后段管道強(qiáng)度，兩者之間用黏合劑密封，得到部件二；③將部件一和部件二按圖1進(jìn)行裝配，使內(nèi)嵌毛細(xì)管端口E距T形管C端口約3mm，用于增強(qiáng)內(nèi)嵌毛細(xì)管強(qiáng)度的外套毛細(xì)管不超過T 形管水平B-C支路與垂直A支路的相交處左端。微調(diào)部件二使得部件一與部件二中的兩毛細(xì)管處于共軸位置，最后用黏合劑將部件二與T形管密封固定，得到的封裝實物如圖2所示。

圖2 T形共流聚焦結(jié)構(gòu)實物

如圖3所示為液滴生成實驗平臺。實驗儀器包括計算機(jī)、接觸角測量儀（北京金盛鑫，JYSP-360）、工業(yè)高清數(shù)碼顯微鏡（高索，G600）、帶測量軟件的光學(xué)顯微鏡（Phenix 鳳凰，XZJ-2003B）和數(shù)字注射泵（RISTRON，RSP01-A）。用數(shù)字注射泵分別將連續(xù)相的油（食用油）和離散相的紅墨水注入到T形共流聚焦結(jié)構(gòu)的兩個入口，即可在所制作的結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)液滴的可控生成。借助接觸角測量儀上的攝像頭實時觀測液滴生成過程，在主流毛細(xì)管出口處用裝有食用油的培養(yǎng)皿收集液滴樣本，然后放置到顯微鏡下進(jìn)行液滴直徑測量，并利用球體積公式計算液滴大小。

圖3 液滴生成平臺

如圖4 所示，當(dāng)離散相流速為0.5μL/min，連續(xù)相和離散相流速比為120∶1，在不同時刻采集毛細(xì)管出口處離散相所呈現(xiàn)的不同流動狀態(tài)；從圖4中易得知，液滴的形成過程分為三個階段：①連續(xù)相和離散相在內(nèi)毛細(xì)管出口處形成油水界面，并向下游推移；②連續(xù)相環(huán)形擠壓離散相形成收縮頸；③在壓力的作用下，收縮頸斷裂形成單個液滴（在t=6.04～6.08s 的時間段內(nèi)，收縮頸完全斷裂，形成單個液滴）。從圖4 中可觀測到，在內(nèi)嵌毛細(xì)管的出口橫截面管壁上離散相出現(xiàn)了滯留，端口處滯留的離散相液體尺寸與內(nèi)嵌毛細(xì)管外徑基本相等。內(nèi)嵌毛細(xì)管出口處出現(xiàn)的滯留現(xiàn)象，對于液滴的連續(xù)生成是十分不利的，為此本文對如何減小離散相液滴滯留進(jìn)行了研究。對內(nèi)嵌毛細(xì)管出口進(jìn)行了拉伸處理，使得出口位置出現(xiàn)錐型傾角，并縮小毛細(xì)管出口管徑，這能較好的解決滯留問題。

1.3 出口未拉伸下液滴生成結(jié)果分析

圖4 液滴生成過程

表1 不同流速比下液滴體積、生成頻率和均一性

根據(jù)文獻(xiàn)報道，已知連續(xù)相和離散相之間流速比影響著液滴生成，通過改變流速比值可控制不同尺寸的液滴生成[11-12]。當(dāng)離散相流速為0.5μL/min，不同流速比下生成的液滴尺寸不同，如表1 所示。由表1可知，在(40∶1)～(280∶1)的流速比范圍內(nèi)，可實現(xiàn)液滴生成；隨著流速比的增加，生成的液滴體積逐漸減小，但并不是隨著流速比的增加液滴尺寸無限制的減小，當(dāng)流速比為360∶1 時，長時間無液滴生成；流速比低于40∶1時，流路中的液滴出現(xiàn)貼壁，由規(guī)則球體向圓柱體轉(zhuǎn)變。另外，本文還測試了液滴生成頻率（數(shù)量），從表1 中可知，即使增大流速比，液滴生成的頻率并未提高太多，在該組流速比條件之下，液滴生成過程始終保持在滴流狀態(tài)，進(jìn)一步提高流速比，也未出現(xiàn)向射流狀態(tài)的轉(zhuǎn)變[20]。從表1 還可直觀得到，液滴生成頻率與液滴體積之間近似成反比關(guān)系，液滴體積越小，液滴生成的頻率越高，在后期實驗中本文對該關(guān)系進(jìn)行了進(jìn)一步的驗證。評價液滴生成的指標(biāo)中除了生成的液滴體積、頻率外，同組液滴之間的均一性（單分散性）好壞，對于使用者來說也意義重大。本文將多個樣本體積的標(biāo)準(zhǔn)差除以其自身體積均值來度量一組液滴均一性的好壞，如表1所示，流速比為40∶1 時，具有最小均一性值0.003，該組液滴的均一程度最高。而在流速比為280∶1 下，液滴均一性最差。

表1 中所生成的液滴體積較大，且存在圖4 中出現(xiàn)的毛細(xì)管出口液滴滯留問題。為此，本文提出了毛細(xì)管環(huán)形加熱拉伸法進(jìn)行毛細(xì)管出口錐角和管徑的優(yōu)化，對內(nèi)嵌毛細(xì)管進(jìn)行拉伸處理用以進(jìn)一步減小出口橫截面積，并可使出口位置展現(xiàn)為錐角狀，這能較好的解決液滴滯留問題。

2 毛細(xì)管環(huán)形加熱拉伸法

本文提出毛細(xì)管環(huán)形加熱拉伸法的初始目的是制取更加微小的出口管徑，但在制作過程中，改變了原有毛細(xì)管出口的平直狀態(tài)，端口位置呈現(xiàn)為錐角狀。在T形流動共聚焦法中，端口錐角是否會影響液滴生成規(guī)律以及影響程度，引發(fā)本文作者的思考，故在后續(xù)正交實驗設(shè)計中，將錐角角度作為影響因素之一進(jìn)行觀察。

2.1 拉伸平臺設(shè)計

圖5 毛細(xì)管加熱拉伸示意圖

如圖5(a)所示為毛細(xì)管環(huán)形加熱拉伸法的局部剖面示意圖，其中A、B 兩端是電阻絲電流接入端，中間部分是電阻絲（0.25mm，阻值22.7Ω/m）環(huán)繞而成的螺旋加熱區(qū)（螺旋管內(nèi)徑700μm，長為1.5～4mm）。外徑0.35mm 的毛細(xì)管垂直懸掛于螺旋加熱區(qū)中央，其下部懸掛有拉伸用重物，利用微位移平臺調(diào)節(jié)螺旋電阻絲位置，將毛細(xì)管置于螺旋管中心軸線位置，保證其四周均勻受熱。將A、B兩端接入恒流源，電阻絲發(fā)熱產(chǎn)生高溫，使螺旋加熱區(qū)內(nèi)部的毛細(xì)管受熱熔化，在底端重物的拉伸作用下，形成拉絲狀，并出現(xiàn)錐形尖端。圖5(b)為毛細(xì)管環(huán)形加熱拉伸區(qū)實物平臺，產(chǎn)生高溫的螺旋電阻絲將毛細(xì)管熔化，其端口被拉伸形成錐角狀。

2.2 制作錐角角度的影響因素

本文通過毛細(xì)管環(huán)形加熱拉伸實驗對通入電阻絲電流值、螺旋電阻絲匝數(shù)和底端拉力三者與拉伸錐角θ的關(guān)系開展了研究。實驗中恒流源電流值選擇為1.3A、1.6A和1.9A，電阻絲匝數(shù)為5匝、10匝和15 匝，底端拉力為0.05N、0.1N 和0.15N。三個因素每個因素三種水平共27 種排列組合，同時每個組合需進(jìn)行3次重復(fù)實驗，可通過控制變量法研究三個因素對于毛細(xì)管出口錐角角度的影響。

固定加熱區(qū)電阻絲匝數(shù)和底端拉力不變，研究錐角角度θ與電流關(guān)系：不同電流值下毛細(xì)管完成拉伸過程時間是不一致的，電流值越大，電阻絲發(fā)熱溫度越高，所用時間越短。在螺旋電阻絲匝數(shù)為5匝，底端拉力為0.1N，不同電流值條件下，毛細(xì)管錐角角度變化范圍為12°～15.3°。從實驗數(shù)據(jù)中分析可知，錐角角度的變化幅度較小，改變電流值大小對錐角角度影響作用較小。固定電阻絲匝數(shù)和電流值不變，研究錐角角度θ與底端拉力關(guān)系：在螺旋電阻絲匝數(shù)5匝，電流值1.6A，不同拉力條件下，毛細(xì)管錐角角度變化范圍為12°～15.3°，與前述錐角角度與不同加熱電流值關(guān)系相同，故毛細(xì)管錐角角度受底端拉力影響較小。固定底端拉力和電流值，研究錐角角度θ與螺旋電阻絲匝數(shù)關(guān)系：如圖6所示，為底端拉力0.1N，電流值1.6A時，錐角角度均值與螺旋電阻絲匝數(shù)的關(guān)系圖，隨著電阻絲匝數(shù)變化，錐角θ的平均值從14°變化到4°。從圖6中可以看出電阻絲匝數(shù)越多對應(yīng)毛細(xì)管錐角角度越小，且錐角角度標(biāo)準(zhǔn)差有所減小，角度趨于恒定值。由此可知，加熱區(qū)電阻絲匝數(shù)對錐角角度影響最大，加熱區(qū)電阻絲匝數(shù)的本質(zhì)是毛細(xì)管加熱區(qū)接觸面積的大小。

圖6 錐角角度與螺旋加熱電阻絲匝數(shù)關(guān)系圖

2.3 毛細(xì)管出口錐角優(yōu)化后液滴生成測試及結(jié)果分析

如圖7所示為毛細(xì)管出口錐角優(yōu)化后液滴生成過程，相比出口未優(yōu)化之前，出口橫截面管壁上離散相的液滴滯留問題得到較好解決。在時間9.92～9.96s之間液滴從管口脫離形成獨立液滴。

如圖8所示為內(nèi)嵌毛細(xì)管出口進(jìn)行錐角優(yōu)化后生成的液滴體積和液滴生成頻率的關(guān)系圖，分別選取0.1μL/min、0.5μL/min 和1μL/min 的基準(zhǔn)離散相流速，測試了不同流速比下液滴尺寸和頻率值。從圖中可直觀看出，液滴生成頻率與液滴體積之間近似呈反比關(guān)系，與前文出口未拉伸下液滴生成結(jié)果分析中所得結(jié)論一致。圖8中1μL曲線生成頻率相比其他兩條曲線，變化趨勢明顯，變化速率快，液滴生成呈噴射狀態(tài)（當(dāng)離散相流速足夠大時，離散相流體的慣性力大于表面張力，在液滴生成中起主要作用，液滴生成狀態(tài)呈現(xiàn)為噴射狀）。另外，對比離散相流速0.5μL/min 出口管徑錐角優(yōu)化前后的液滴生成情況可知，液滴尺寸明顯減小，優(yōu)化后可生成液滴最小為3.1nL，未優(yōu)化時最小液滴為11.1nL。圖8 中流速比范圍為(20∶1)～(250∶1)，流速比在20∶1 時，液滴開始輕微貼壁，呈圓柱狀；流速比為300∶1 時，離散相和連續(xù)相壓力接近平衡，5min 時間內(nèi)未有液滴生成。因此在后期開展液滴均一性的正交試驗中，選定流速比因素的三個水平分別為130∶1、190∶1和250∶1。

圖7 毛細(xì)管出口錐角優(yōu)化后液滴生成過程

圖8 液滴體積與液滴生成頻率關(guān)系圖

3 正交試驗設(shè)計

通過前期預(yù)試驗分析可知，影響液滴穩(wěn)定生成的主要因素包括出口錐角角度、出口管徑和流速比，每個因素各包括三個水平數(shù)，三個因素的三個水平數(shù)之間通過不同排列組合，分別對應(yīng)著不同的液滴生成效果；本試驗考核的主要指標(biāo)為相應(yīng)條件（錐角角度、出口管徑、流速比）下生成液滴的均一性（單分散性），度量液滴均一性的綱量值由液滴體積標(biāo)準(zhǔn)偏差除以其體積平均值，進(jìn)行歸一化處理之后得到。為減少實驗次數(shù)，提高實驗效率并保證nL級液滴的穩(wěn)定生成，本文借助正交試驗方法，選擇正交表L9(34)對液滴生成的控制參數(shù)進(jìn)行研究。

3.1 正交試驗方案

根據(jù)前期預(yù)試驗，并假定因素間無交互作用，通過抽簽法隨機(jī)選擇因素水平排列方式，確定T形共流聚焦法液滴生成的因素和水平選擇情況，如表2所示。正交試驗中設(shè)有一組空白列，試驗的相關(guān)參數(shù)、試驗測試結(jié)果和評判結(jié)果優(yōu)劣的均一性數(shù)值如表3所示。

表2 T形共流聚焦法液滴生成試驗因素水平表

表3 T形共流聚焦法液滴生成正交實驗方案、結(jié)果及均一性表

3.2 正交試驗結(jié)果的直觀分析

根據(jù)正交試驗結(jié)果直觀分析方法，計算不同因素下均一性指標(biāo)的平均值ki以及極差R，并繪制了不同因素與指標(biāo)的關(guān)系圖，其結(jié)果如表4和圖9所示。由表4得，因素B（錐角角度）的極差值RB最大，即RB＞RC＞RA，所以各因素從主到次的順序為：B（錐角角度），C（流速比），A（出口管徑）。在本文中，試驗指標(biāo)是液滴均一性，指標(biāo)值越小代表液滴大小偏差越小，液滴尺寸越一致，所以應(yīng)挑選每個因素的k1，k2，k3中最小的值對應(yīng)的那個水平，故優(yōu)選方案為B3C2A1（即錐角角度4°，流速比190∶1，出口管徑72μm）。本文通過極差分析得到的優(yōu)方案B3C2A1，并不包含在正交表已做過的9個試驗方案中，這正體現(xiàn)了正交試驗設(shè)計的優(yōu)越性。從表3液滴體積均一性可知，最大值為0.119，最小值為0.016；為驗證優(yōu)選方案所能達(dá)到的均一性值，需要開展進(jìn)一步的實驗研究，以驗證優(yōu)方案的優(yōu)越性。

表4 不同條件下液滴均一性的正交結(jié)果分析

圖9 因素與指標(biāo)關(guān)系圖

除了研究T形共流聚焦法中液滴生成的均一性外，在表3中還列出了每組實驗條件下測得的液滴體積均值和液滴生成頻率。從表3得，液滴最大體積為10.5nL，最小體積為0.7nL（液滴直徑d約為109μm），液滴最高生成頻率為12Hz，最低頻率為0.4Hz。圖10為液滴體積按從大到小順序排列，相應(yīng)的液滴生成頻率，在同一坐標(biāo)維度(橫軸為液滴體積由大到小排列的對應(yīng)編號)上所繪的散點分布圖，從圖中可直觀得到液滴生成頻率和液滴體積近似呈反比關(guān)系，體積越小，對應(yīng)生成頻率越大。9個實驗方案中液滴的最大生成頻率12Hz，結(jié)合圖10 可知該頻率下液滴生成狀態(tài)為噴射狀，其余為滴流狀態(tài)下的液滴生成，該圖正好印證了Cramer等[20]提出的共流聚焦法生成液滴存在的兩種不同機(jī)理——滴流原理（dripping）和噴射原理（Jetting）。在滴流區(qū)，生成的液滴體積逐漸減小，液滴生成頻率增加；在1.9Hz處為過渡點，后直接跳至完全噴射狀態(tài)，液滴體積達(dá)到最小0.7nL。滴流狀態(tài)下，液滴在管口緩慢形成直至脫離管口，形成獨立液滴；在噴射狀態(tài)下，液滴在管口形成時間明顯縮短，快速脫離成獨立液滴，兩種狀態(tài)最大不同之處的宏觀表現(xiàn)是單位時間內(nèi)生成液滴頻率差異非常大。

圖10 液滴體積與液滴生成頻率分布散點圖

4 液滴均一性生成參數(shù)優(yōu)化分析

按照極差分析所得優(yōu)方案B3C2A1開展進(jìn)一步試驗，從收集的液滴中隨機(jī)測量三個液滴直徑分別為250μm、251μm和252μm。由球體積公式計算得到液滴體積分別為8.2nL、8.3nL、8.4nL，平均體積8.3nL，液滴生成頻率0.7Hz，均一性為0.011。優(yōu)化方案所得到的均一性值明顯小于前9組正交試驗方案結(jié)果，證實了該組試驗條件（B3C2A1）確實為最優(yōu)設(shè)計方案。

在前面圖9因素與指標(biāo)關(guān)系圖中，出口管徑和流速比因素條件下均取得代表液滴體積波動范圍的最小均一性值。而在均一性值與錐角角度關(guān)系趨勢圖中，在居中角度7°時，均一性值最大，液滴體積范圍波動較大；在角度為4°和12°時均表現(xiàn)出了均一性值下降趨勢。根據(jù)圖中走勢，在低于4°的毛細(xì)管錐角下，或可獲得更加穩(wěn)定的液滴生成，但更低毛細(xì)管錐角的制取難度變大，因此選擇4°作為最優(yōu)的錐角因素的水平量。通過與其他幾組實驗生成的液滴尺寸相比較，最優(yōu)設(shè)計方案生成的液滴雖然均一性最好，但在液滴尺寸上并不是最小；因此將均一性作為第一要素時，液滴尺寸上會有所限制，而當(dāng)優(yōu)先考慮液滴尺寸時，均一性則會變差。

5 結(jié)論

本文開展了微量液滴的生成研究，借助商品化T 形管，提出了一種新型共流聚焦液滴生成方法——T形共流聚焦法。另外，為優(yōu)化內(nèi)嵌毛細(xì)管出口錐角和管徑，提出了毛細(xì)管環(huán)形加熱拉伸法，研究了拉伸錐角角度與加熱區(qū)電阻絲匝數(shù)（接觸面積）、電流和底部拉力之間的關(guān)系；其中，加熱區(qū)電阻絲匝數(shù)對錐角角度影響最大，電阻絲匝數(shù)越多對應(yīng)毛細(xì)管錐角角度越小，同時錐角角度標(biāo)準(zhǔn)差值減小，即角度偏差波動范圍逐漸減小。通過毛細(xì)管環(huán)形加熱拉伸法可制作實現(xiàn)最小4°，最大14°的錐角。毛細(xì)管出口通過錐角優(yōu)化后生成的液滴尺寸相比出口未優(yōu)化生成的液滴尺寸減小明顯。液滴尺寸與連續(xù)相和離散相流速比具有明顯的規(guī)律性，隨著流速比的提高，液滴尺寸相應(yīng)減小；液滴尺寸在隨著流速比變化的過程中，流速比值增加到一定程度時無法繼續(xù)生成液滴，同時當(dāng)?shù)陀谀硞€流速比時，也無法生成液滴，離散項呈圓柱狀。另外液滴生成頻率與液滴尺寸之間近似呈反比關(guān)系，隨著液滴尺寸減小，液滴生成頻率增加。在液滴均一性研究中，本文通過正交試驗和直觀分析法得到液滴均一性最好的優(yōu)參數(shù)，即錐角角度4°，流速比190∶1，出口管徑72μm，所生成液滴平均體積為8.3nL，生成頻率0.7Hz，均一性0.011。影響液滴均一性的主次順序為：錐角角度＞流速比＞出口管徑。液滴均一性和尺寸大小并未直接關(guān)聯(lián)，在實際運用中，可根據(jù)實際需求選擇主要參考因素，如追求液滴的均一性則在液滴尺寸大小上就可能會有所限制；如優(yōu)先考慮液滴尺寸，液滴大小的均一性則可能會變差。