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應用實例- 液滴生成：為何選擇氣動式壓力液體控制器而非使用注射式針筒幫浦
前言
利用微流體裝置生成液滴，其關鍵為液滴的單分散性。在微米大小的通道內，一次產生一個液滴以生成單分散液滴。穩定的流速對於獲得可重複的反應器體積和可重現的結果至關重要。注射式幫浦經常用於在微流體實驗中生成液滴，但注射式幫浦(Syringe Pump)對流體的控制度非常有限，因此造成液滴尺寸受到影響，因為液滴尺寸與流速會是成正比的。而且實際的流量也無法得知及回饋控制。如今，取而代之的是氣動式壓力液體控制器(Pressure-based flow controller)，它能提供高精準度的流量控制，反應時間快速，並且可以進行流量監控。| 注射式針筒幫浦 | Flow EZ氣動式壓力液體控制器 | |
| 長期穩定生成液滴的表現 | 普通 | 絕佳 |
| 到達穩定液滴尺寸所需時間 | 長(40到300秒) | 短(小於1秒) |
| 流量控制 | 可以 | 可以(需搭配流量計) |
| 液滴的尺寸範圍 | 受限於不同針筒的最小及最大流量值 | 廣 |
表1. 注射式針筒幫浦與Flow EZ氣動式壓力液體控制器的比較
我們使用微流體注射幫浦和Fluigent氣動式壓力液體控制器生成油包水液滴，以比較兩種設備生成特定尺寸的液滴的穩定性，以及達到幾種液滴尺寸所需的時間。
實驗材料
1.試劑分散相：用0.22 μm針頭過濾器過濾的純水。
連續相：dSurf 2% 在 3M™ Novec™ 7500 中稀釋，用0.22 μm針頭過濾器過濾。
2.微流體系統
流量控制
實驗期間使用了兩種類型的流量控制器：注射幫浦和Fluigent Flow EZ氣動式壓力液體控制器（兩個 Flow EZ 345 mbar）。
流量感測器
Flow Unit是一種流量感測器，可以進行實時流量測量。我們使用一個Flow Unit S和一個Flow Unit M來監測和控制運行期間分散相和連續相的流速。
微流體設備
用於液滴生成的微流體晶片為 Fluigent EZ-Drop。該晶片由 PDMS 製成，具有三個液滴通道的設計，如圖1。
圖1. 用於液滴生成的微流體晶片
實驗方法
1.→液滴生成隨時間的穩定性測試圖 2 a) 為使用Flow EZ氣動式壓力液體控制器的實驗設置。一個15 mL樣品管裝有蒸餾水，另一個1.5 mL樣品管裝有 2% dSurf，通過 1/32 英寸的 PEEK 管子 (內徑254 μm)連接到微流控晶片的兩個入口連。從樣品管到微流控晶片的管道長度約為80厘米。
圖 2 b) 為使用注射幫浦的實驗設置。兩個15 mL注射幫浦分別裝有15 mL蒸餾水和5 mL dSurf ，連接到微流控晶片。
兩個實驗使用相同的管子，並且通過流量感測器進行流量測量。首先，我們將水注入內部通道，再將 dSurf 注入微流體裝置的周圍通道，並生成液滴。我們使用光學顯微鏡進行晶片通道的觀察。在實驗中，水和油的恆定流速分別為2.0 μL/min和1.5 μL/min。每0.1秒記錄一次流速，持續5分鐘。每10秒拍攝一次帶有生成液滴的通道的照片。接下來使用ImageJ軟體測量所有圖片的液滴直徑。流量和液滴的測量在設定流量後兩分鐘進行，以確保設備都已經達到目標流量。最後，計算平均液滴直徑和相應的標準偏差。
圖2 a) 使用Flow EZ氣動式壓力液體控制器的實驗設置
圖2 b) 使用注射幫浦的實驗設置
2.→達到不同液滴尺寸所需的時間測試
為了測試達到不同特定液滴尺寸的反應時間，我們使用與上一部分“液滴隨時間的穩定性測試”相同的設置。在這裡，水的流速是隨時間變化的，以改變生成的液滴直徑。HFE 流速保持恆定在1.5 μL/min，水的流速則是按以下順序隨時間變化：1 μL/min - 4 μL/min - 1 μL/min - 2 μL/min。從一個液滴直徑移動到另一個（等同於一個流量值到另一個）的時間是通過測量在設定後達到流量所需的時間來確定的，公差誤差為 +/- 0.1 μL/min 。各儀器重複此實驗3次。隨後計算平均時間和標準偏差。如果在兩分鐘的時間限制內沒有達到流量，則流量切換到下一個值。
結果與討論
1.→液滴穩定性圖3為使用注射幫浦和Fluigent Flow EZ氣動式壓力液體控制器，水和油的流速隨時間的變化。表1為計算得到的平均流速、標準偏差和變異係數。使用Flow EZ的水和HFE流速的波動小於使用注射幫浦時的變化，證實了Flow EZ隨時間的流量穩定度。
圖3. 水和油的流速隨時間的變化
表1. 計算得到的平均流速、標準偏差和變異係數
為了測試流速對液滴穩定性的影響，每10秒我們拍攝一次通道照片，並計算各裝置內5分鐘內的平均直徑。為了更好地比較兩種設備，我們使用歸一化值。
圖4. 微流體晶片通道內液滴生成的照片(使用Fluigent Flow EZ氣動式壓力液體控制器)
下圖為標準化直徑隨時間的變化。我們可以觀察到與注射幫浦相比，使用Flow EZ時液滴隨著時間的推移更加穩定。這與關於流速穩定性的結果非常一致，並證實流速越精確，液滴越單分散。
圖5. 標準化直徑隨時間的變化
2.→液滴尺寸的改變
能夠快速從一種液滴尺寸移動到另一種尺寸也很有趣，用於判斷達到特定液滴直徑的反應時間。水的流速是變化的，而油的流速保持恆定在1.5 µL/min。設定的流速如下：1 µL/min – 4 µL/min – 1 µL/min – 2 µL/min。
圖5為使用Flow EZ獲得的結果。我們觀察到在幾秒鐘內達到了設定的流速。達到設定的流速後，我們可以觀察產生的液滴尺寸。使用Flow EZ時，分別使用1 µL/min、2 µL/min和4 µL/min獲得直徑為89 µm、101 µm和約110 µm的液滴。
圖6. 使用Flow EZ隨時間液滴尺寸的改變
圖7為使用注射幫浦和Flow EZ，水的流速隨時間的關係圖。表3為啟動系統後從一種流速變為另一種流速所需的時間。我們觀察到使用Flow EZ和注射幫浦切換到另一種流速所需的最長時間分別為6秒和93秒。因此，Flow EZ是反應時間最快的設備，能夠從一種液滴尺寸快速變化到另一種。
圖7. 水的流速隨時間的關係圖
表3. 啟動系統後從一種流速變為另一種流速所需的時間
結語
使用Flow EZ生成液滴時觀察到更穩定的流速，因此也生成了與注射幫浦相比更多的單分散液滴，並確認了流速與液滴大小之間的關係，還確定了不同設備之間的反應時間。使用Flow EZ時觀察到更快速的反應時間，從而可以在實驗過程中對液滴尺寸進行控制。微米尺寸的液滴和顆粒廣泛用於各行各業，Fluigent設備可輕易通過調整流量參數來控制液滴大小和頻率，為單分散液滴的生產提供完整的、具有成本效益的解決方案。
