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Pickering乳状液制备

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Pickering简介

乳状液是由两种互不相容的液体组成的分散相,其中一相作为连续相,一相作为分散相。由于两相界面的不稳定性,通常需要加入乳化剂以生成稳定的乳状液。传统的乳化剂主要为表面活性剂(如SDS,Span80,Tween80等)。20世纪初,Ramsden[1]发现胶体尺寸的固体颗粒也可以生成稳定乳液,之后,Pickering[2]对这种乳液体系开展了系统的研究工作,因而此类乳液又被称为Pickering乳液。图1为Pickring乳液的稳定机理示意图:

图1 Pickring 乳状液稳定机理示意图(a)O/W乳状液(b)W/O乳状液

与传统表面活性剂稳定的乳液比较,Pickering乳液具有自身的优势:(1)可以大大降低乳化剂的用量,节约成本;(2)对人体的毒害作用远小于表面活性剂;(3)对环境友好;(4)乳液稳定性强。因此在食品、化妆品、医药等领域均有重要的应用价值[3]。

 

Pickering乳状液制备系统

 

Pickering乳状液制备系统主要包括两个部分:流体控制模块以及芯片模块。其他辅助模块如光学显微镜、激光显微镜、微流体导管及转接头等。图2是Pickering制备系统的连接示意图。本技术说明将对该系统做进一步的介绍。

图2 Pickering制备系统实际连接图

 

流体控制模块

通过芯片平台处理样品,首先需要将样品引入芯片的样品处理通道或通道网络,该步骤即为进样。引入样品的量、形式以及方式均会对后续样品处理产生影响,因为芯片体系微小,这种影响甚至是决定性的。因此稳定、可靠的流体控制模块十分重要。

Fluigent驱动泵有正压力泵和负压力泵两种。正压力泵的压力范围可从0到25、69、345 、800、1000、7000 mbar;负压力泵的范围可从0 到 -800 mbar。正压泵和负压泵的压强稳定性均小于0.1%(测量值),Fluigent驱动泵上压力传感器的分辨率为其量程的0.03%。因此可以满足不同尺寸的通道微滴芯片对驱动压强大小以及分辨精度的需求。

基于气体压力制动的Fluigent驱动泵可以提供无脉冲波动的快速、稳定的气体驱动力,能够实现长时间的恒定压强驱动。同时可以直接输入压力设定值,无需电脑控制,在OLED屏上可以直观显示压力值;可扩充的设计,使得Flow-EZ可以即插即用;性能优异,压力稳定性和分辨率高,且置位时间快;易于携带。

 

多达10个通道的输出压力,允许同时进行对10个支路进行液体驱动,通过Fluigent AIO软件,可对10个通道的输出压力进行单独设置。MAT软件可实现简单或复杂波形的压力驱动,通过SDK软件开发包,用户可方便的将MAESFLOTM软件集成到MATLAB、LabVIEW、Python、C/C++、JAVASCRIPT等软件中。

图3为Fluigent MFCSTM和Flow-EZ的示意图。

图3 Fluigent MFCSTM和Flow-EZ

 

芯片模块

 

芯片是Pickering乳状液制备系统的核心,芯片的研究涉及芯片的材料、尺寸、设计、加工和表面修饰等。目前常用于制备微滴芯片的材料有单晶硅片、石英、玻璃和有机聚合物如PMMA、PDMS以及PC等。产生微滴的微结构主要有十字型和T型,如图4所示。

图4 产生微滴的十字型(a)和T字型结构(b)

 

 

为了方便流体控制模块与芯片的有效连接,并防止液体泄漏,本实验使用芯片夹具固定芯片,然后将流体控制模块直接与芯片夹具连接。芯片夹具如图5所示:

图5  芯片夹具

 

其他辅助设备

为了观察微流控芯片通道内的液体的流动情况和微滴生成大小与频率,还需要配备光学显微镜。光学显微镜分为倒置光学显微镜、正置光学显微镜和体视光学显微镜。本实验使用的是Motic AE31系列显微镜,并配置Fastec IL5高速CCD,可以实现高通量下的稳定监测。

除了光学显微镜外,还需要准备不同规格尺寸的毛细导管和转接头,以便将连接。

 

实验及结果

试剂

  1. 食用油

  2. 蛋白质分散液

     

Pickering乳状液制备

1.W/O Pickering乳状液制备

(1)按图1所示方法连接实验系统,使用食用油作为连续相,蛋白质分散液作为分散相,同时对两相给压300mbar;

(2)1min后,同时暂停给压,从芯片收集口取样滴至玻片上,进行观察。

2. O/WPickering乳状液制备

1)将上述芯片使用氧等离子处理1-2min;

(2) 按图1所示方法连接实验系统,使用蛋白质分散液作为连续相,食用油作为分散相,同时对两相给压300mbar;

(3)1min后,同时暂停给压,从芯片收集口取样滴至玻片上,进行观察。

 

观察结果

 

如下图5所示分别为油包蛋白质(W/O)和蛋白质包油(O/W)Pickering乳状液收集池内状态;图6分别为玻片上观察结果。实验表明成功生成了单分散的Pickering乳状液。

图6  W/O(a)和O/W(b) Pickering乳状液收集

 

图7  W/O(a)和O/W(b) Pickering乳状液

 

数据处理

分别进行若干组实验,并取样对微乳滴大小进行测量,结果如图8所示,对数据进行进一步分析表明使用微流控方法制备的Pickering乳状液分散性良好,具有较好的均一性,CV值小于2%。

图8  W/O和O/W Pickering乳状液尺寸分布

 

结论

实验结果显示使用微流控芯片可以实现Pickering乳状液的高通量生成,制备分散性良好,均一度较高的乳状液。

 

参考文献

1、Pamsden W.Proceedings of the royal Society of London, 1903/1904,72:156-164

2、Pickering S U. J.Chem. Soc. ,1907,91:2001-2021

3、杨飞,王君,蓝强,孙德军等.    Pickering乳状液的研究进展.《化学进展》, 2009