一种用于大规模单分散液滴制备的装置、方法及其应用

本发明涉及微流控，尤其涉及一种用于大规模单分散液滴制备的装置、方法及其应用。

背景技术：

1、微流控技术近年来在化学合成、制药和材料科学等领域得到了广泛应用，传统的化学反应往往依赖于宏观反应器，存在反应效率低、产物均一性差等问题，微流控技术通过在微尺度下控制液体的流动和混合，能够显著提高反应速率、控制反应条件并提高产物质量。微流控合成技术在精细化学加工中的重要性日益凸显，通过微流控芯片，化学反应可以在均一的限域微反应器中进行，从而实现更高效的化学合成，这种技术不仅适用于制药和化工等领域，还在生物医学、材料科学和环境监测中显示出巨大潜力。

2、在微流控合成中，单分散液滴作为微反应器的重要形式，因其可控的尺寸和均一的反应环境，被广泛用于精细化学加工，然而，大规模生产单分散液滴仍面临挑战，尤其是在保证高通量和自动化的前提下，为此，提出一种用于大规模单分散液滴制备的装置、方法及其应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提出的一种用于大规模单分散液滴制备的装置、方法及其应用。

2、一种用于大规模单分散液滴制备的装置，包括微流控芯片，所述微流控芯片由基底层和流道层键合而成，所述流道层上设置有油相入口、水相入口、油相流道、水相流道、液滴生成结构和液体出口；

3、所述油相流道的两端分别与油相入口和液体出口连通，所述水相流道一端与水相入口连通，另一端为死端，所述油相流道在油相入口处分叉为两条平行的流道并在液体出口处汇集，且两条平行的流道分布于水相流道的两侧；

4、所述液滴生成结构包含400个液滴生成单元，多个所述液滴生成单元对称分布在水相流道壁面两侧用于连接水相流道和油相流道。

5、优选地，每个所述液滴生成单元由微通道和台阶构成，所述微通道的深度要远小于水相流道或油相流道的深度，所述微通道的出入口呈喇叭状，台阶的高度一般为微通道深度的2～4倍。

6、优选地，所述水相入口处设置有尺寸由大到小的矩形块阵列，用于过滤水相中的杂质和异物，所述油相入口处设置有尺寸由大到小的矩形块阵列，用于过滤油相中的杂质和异物。

7、优选地，所述流道层材料为聚二甲基硅氧烷，所述基底层材料为二氧化硅、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。

8、优选地，所述水相流道的宽度为500μm，所述油相流道的宽度为2000μm，所述液滴生成单元中微通道的长度为500μm，微通道的宽度为20μm，两个相邻微通道的间隔为80μm。

9、本发明还提供一种基于大规模单分散液滴制备的装置的液滴制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

10、s1、将油相溶液从油相入口泵入微流控芯片内，流量控制在200μl/min，该油相溶液作为连续相，确保液滴生成的稳定性；

11、s2、将水相反应溶液通过三通混合器预先混合后，从水相入口泵入微流控芯片内，流量控制在30μl/min，水相溶液包含纳米材料前体和其他反应物；

12、s3、在液滴生成单元中，通过微通道与台阶出口的设计，水相在油相流道内受剪切作用形成单分散微液滴，生成的微液滴在液体出口处用小型离心管收集，将收集的微液滴溶液置于实验所需温度下静置相应时间，使得纳米材料在微液滴内均匀反应；

13、s4、反应完成后，使用离心机进行离心破乳，去除上清液，保留底部沉淀的纳米材料，并对沉淀物进行清洗。

14、优选地，所述步骤s4中，需要对沉淀物进行三次以上的清洗。

15、根据一种用于大规模单分散液滴制备的方法在hemin@zif-8纳米材料合成中的应用。

16、与现有的技术相比，本发明优点在于：

17、本发明具有高通量液滴生成能力，400个液滴生成单元同时工作，提高了液滴生产效率，具备高效的合成能力，显著缩短了传统合成方法所需的反应时间，同时具有高均一性合成能力，微液滴提供了均一的反应环境，确保了合成纳米材料的尺寸和质量均一性，并且降低反应苛刻条件，利用微液滴高效的传质传热和大比表面积特性，降低了反应所需的温度和压力条件。

1.一种用于大规模单分散液滴制备的装置，其特征在于：包括微流控芯片，所述微流控芯片由基底层(1)和流道层(2)键合而成，所述流道层(2)上设置有油相入口(3)、水相入口(4)、油相流道(5)、水相流道(6)、液滴生成结构和液体出口(7)；

2.根据权利要求1所述的一种用于大规模单分散液滴制备的装置，其特征在于：每个所述液滴生成单元由微通道(8)和台阶(9)构成，所述微通道(8)的深度要远小于水相流道(6)或油相流道(5)的深度，所述微通道(8)的出入口呈喇叭状，台阶(9)的高度一般为微通道(8)深度的2～4倍。

3.根据权利要求1所述的一种用于大规模单分散液滴制备的装置，其特征在于：所述水相入口(4)处设置有尺寸由大到小的矩形块阵列，用于过滤水相中的杂质和异物，所述油相入口(3)处设置有尺寸由大到小的矩形块阵列，用于过滤油相中的杂质和异物。

4.根据权利要求1所述的一种用于大规模单分散液滴制备的装置，其特征在于：所述流道层(2)材料为聚二甲基硅氧烷，所述基底层(1)材料为二氧化硅、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。

5.根据权利要求2所述的一种用于大规模单分散液滴制备的装置，其特征在于：所述水相流道(6)的宽度为500μm，所述油相流道(5)的宽度为2000μm，所述液滴生成单元中微通道(8)的长度为500μm，微通道(8)的宽度为20μm，两个相邻微通道(8)的间隔为80μm。

6.一种基于权利要求1-5中任一项所述的用于大规模单分散液滴制备的装置的液滴制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种用于大规模单分散液滴制备的方法，其特征在于：所述步骤s4中，需要对沉淀物进行三次以上的清洗。

8.根据权利要求6-7所述的一种用于大规模单分散液滴制备的方法在hemin@zif-8纳米材料合成中的应用。