微分散設備數量放大方式研究進展

崔永晉，李嚴凱，王凱，鄧建，駱廣生

（清華大學化學工程系，化學工程聯合國家重點實驗室，北京100084）

引 言

微化工系統起源于20 世紀90 年代，它基于裝備小型化和過程連續化的思想構建，迅速成為化學工程學科的前沿和熱點方向之一，是實現化工過程安全、高效、綠色的重要途徑[1?2]。微化工系統以微混合、微反應、微吸收、微萃取、微換熱等微結構設備為核心，結合流體存儲、輸送、計量、控制等單元形成車間或工廠級別的化工生產系統。得益于微尺度下優異的流體操控和傳遞強化性質，微化工系統表現出獨特的優勢：通過微通道的結構設計實現流體快速混合[3]；具有更大的比表面積、強化傳熱和傳質性能[4]；精確控制反應的流動狀態和停留時間[5]；方便實現在線監測[6]；對于使用極端反應條件且安全風險性高的化學品，微小化工裝置具有本質安全的屬性[7]；基于對流量和流型的準確控制，為高度單分散的液滴提供形貌和尺寸的精準調控，是制備均勻球形材料的理想模板[8]。微化工系統的這些優異的特性突破了傳統化工生產方式對于化學品合成的限制，在高端化學品制造中將發揮重要的作用。

面向工業生產，微化工設備以“數量放大”為基本準則，采用微結構單元串并聯集成擴大處理能力，有效避免“逐級放大”帶來的放大效應，具有優良的單通道“三傳”狀態重現性和多通道間抗干擾性[9]，保證大規模生產的工況與實驗室條件基本一致，實現實驗室成果的快速產業化。盡管如此，微分散裝置的放大尚未形成完整的理論和技術創新體系，在微結構元件的設計、集成和微化工系統模型化等層面上有待深入研究。例如，微通道結構設計不合理導致流體在通道中分布存在短路、堵塞問題；使用微分散技術制備單分散乳液的過程中，集成了上萬個液滴發生裝置的三維芯片制造困難，帶來高額的制造成本[10]；微反應器芯片有限的材料選擇，限制了設備的魯棒性和耐用性，產生日常的耗損；單個微流體單元的吞吐量低（＜10 ml/h），單分散液滴/氣泡制備的工業生產案例較少；指導高通量、復雜微結構元件設計的多相流動、傳遞和反應工程規律缺少相應模型和模擬技術。因此，微分散裝置的數量放大存在諸多挑戰。

為了將微化工技術推向工業化，實現產品的高通量可控生產，近年來，有大量的報道提出了對微通道進行數量放大的技術，其中，多通道間流體的均勻分布是需要解決的關鍵問題。圍繞微通道數量放大的難題，本文從微分散裝置的不同結構出發，介紹了微分散設備數量放大的最新進展以及不同設備在單分散液滴高頻制備、氣液傳質、有機反應、材料制備、醫學檢測等方面的應用。針對微分散設備數量放大通常需要加工復雜的三維結構這一需求，本文進一步對微分散放大設備的材料和加工技術進行了總結和比較，討論了目前微分散設備走向工業化面臨的挑戰，并對數量放大方法的未來發展方向進行了展望。

1 數量放大方式

1.1 梯形幾何結構型微分散設備

典型的液?液、氣?液微分散放大裝置通常由3部分組成：液滴/氣泡生成單元、流體輸送通道和連接二者的中間層（通道）。使用流體輸送裝置將液體或氣體輸入到微分散設備的主通道中，經過分配之后，流體進入多個輸送通道，在生成單元處被另一相流體剪切生成液滴或氣泡。為了實現液滴或氣泡的大規模生產，同時確保液滴/氣泡尺寸的均一性，多相流體在并行微通道中的均勻分配是關鍵，需要設計通道的結構和特征尺寸，將生成單元和流體分配通道以一定的排列連接方式進行集成，形成不同的幾何形狀。

梯形幾何結構是流體分配通道最常見的設計之一。Amstad等[11]提出了一種形似“千足蟲”的微分散裝置，如圖1所示。它包含數百個獨立的噴嘴，位于中央通道的兩側，分散相從中央通道注入，通過噴嘴與外腔中的連續相接觸形成液滴。噴嘴出口設計了一個三角形儲液器，收集足夠的液體以產生每一個液滴，減慢了液體流動，建立了液滴生成的準靜態條件。因此，液滴的大小僅取決于設備的幾何形狀，與流體的流量無關，且具有高度單分散性。該裝置的魯棒性強，通過增加平行噴嘴的數量，實現液滴的大規模制備，他們在單個芯片上集成了550個噴嘴，單分散液滴的產生量高達150 ml/h。

圖1 帶有噴嘴和兩相通道的“千足蟲”裝置[11]Fig.1 Schematic illustration of millipede device with nozzles and channels for two phases[11]

圖2 嵌入多個毛細管的階梯式微通道放大裝置[8]Fig.2 Schematic diagram of multi?capillary embedded stepwise microchannel[8]

Cui 等[8]提出了一種多毛細管嵌入的階梯式微通道，該裝置主要由流體分配層和液滴生成層組成，分散相流體從下層輸入，分配到多個通道后經過連接管進入上層（液滴生成層）的毛細管，剪切相流體從上層輸入，與分散相在通道交匯處相遇，剪切形成液滴，如圖2 所示。基于非對稱流場強化剪切，有效控制液滴尺寸的均一性，通道的交匯處被設計為階梯式。該裝置在射流下操作，液滴生成頻率高，在單個微通道中嵌入10 個毛細管，實現了頻率高達40 kHz 的單分散液滴的高通量制備。毛細管的作用是增大流動阻力，兩個液滴生成單元之間輸送通道的壓降應遠小于液滴生成段（毛細管內）的壓降，才能實現分散相流體在液滴生成層的均勻分布，否則有些通道會出現短路。相似的原理在Al?Rawashdeh等[12]的研究中也有報道，通過在氣、液輸送通道后增加阻力通道，提出了氣液兩相流均勻分布的流量分配器的設計準則。

為了實現兩相流體在通道中的均勻分布，近年來，研究者們提出了梯形結構微分散設備數量放大的定量設計方法[13?14]。結果表明，兩個相鄰液滴生成單元之間輸送通道的水力學阻力（Rd）應遠小于液滴生成段的水力學阻力（Rg），如圖3所示。

假設有兩個并聯的液滴生成單元，它們中的流量比Q1/Q2=1+2(Rd/Rg)，當阻力比可以忽略不計時（如Rd/Rg＜＜0.01），則兩個液滴發生單元中的流量基本相同。當有N 個并聯的液滴生成單元時，為了實現流體的均勻分布，必須滿足如下不等式[16?18]

圖3 梯形幾何結構中的水力學阻力模型[15]Fig.3 A model for hydraulic resistances in ladder?like network of channels[15]

式中，Rd為兩個相鄰液滴生成單元之間輸送通道的流動阻力；Rg為液滴生成段的流動阻力；Ng為液滴發生單元的數量。使用該設計原則，Jeong 等[18]在6 cm×5 cm 的三維整體結構中并行集成了1000個流動聚焦液滴發生裝置，該裝置消除了多部件對齊和鍵合的步驟，滿足高流速和高壓的需要，實現了油包水乳液的批量生產，生產速率高達1.5 L/h，液滴尺寸約為45 μm，變異系數（CV）僅為6.6%。

1.2 樹形分支幾何結構型微分散設備

圖4 樹形分支通道網絡[19]Fig.4 Tree?like branched channel network[19]

樹形分支幾何結構是另一種最常見的流體分配通道設計方式，在該結構中，兩相流體通過一系列的節點，被分為氣泡序列和液體柱塞，如圖4 所示。如果在各節點處均發生破裂且滿足流動對稱性條件，可以得到各通道內氣泡體積和氣泡間距均勻的分段流動[20?21]。樹形分支結構的優點是可以均勻對稱地分布分支通道中的流體，從一組入口開始增加節點的數量，無須考慮每個入口的流體阻力。

Guo 等[22]研究了樹形分支結構微通道內氣液兩相流動的流體力學和傳質特性。Su等[23]在樹形分支結構微混合器中，對鋸齒形液體混合通道的數量放大進行了研究。結果表明，采用具有分支結構的扁平分布器時，微混合器的混合性能可以達到與單個微通道相同的水平。Hoang 等[24]分析了樹形分支結構中氣泡在連續節點處的反復破碎，發現如果節點處的毛細管數超過一臨界值，可以實現所有氣泡的破裂。由于臭氧處理困難、反應活性高、氧化產物的潛在選擇性高，Wada 等[25]在該種結構的微反應器中，以亞磷酸酯、胺和烯烴為模型化合物的臭氧氧化反應為例進行了研究，轉化率和選擇性都很高，在低至1 s 的短接觸時間下可達100%。Li 等[26]在一個微反應系統中并行了多個樹形分支結構模塊，每個模塊由16個平行的微通道組成，包含乳化室和聚合室，以約50 g/h的產率生產多分散度不超過5%的聚合物微凝膠顆粒，如圖5所示。

基于樹形分支結構，Su 等將毛細管微反應器進行數量放大，應用于光氧化還原催化[27]和均相自由基聚合反應過程[28]。以硫醇的光催化有氧氧化制備二硫化物的過程為例，如圖6 所示。該微反應系統由T型混合器和一系列平行毛細管微反應器兩部分組成，反應中流量分布的標準偏差小于10%，并行放大后微反應系統內目標產物的收率和單個毛細管中得到的收率相當[27]。進一步地，他們測試了當受到潛在的干擾時該系統的魯棒性。通道堵塞導致流動分布和產率變化較大，光源故障并沒有引起流量分布的大幅變化，對反應產率具有顯著的影響[29]。

圖5 用于合成聚合物顆粒的樹形分支結構微反應器[26]Fig.5 Schematic diagram of a microreactor with tree?like branched geometry for synthesis of polymer particles[26]

樹形分支結構盡管在設計和實現上較簡單，但必須在分支的放置上投入較大的空間，很難達到梯形結構中液滴生成器的排布密度。在梯形裝置中，如果輸送通道和液滴生成器的阻力比足夠大，某個液滴生成裝置堵塞不會顯著影響流體分布。但是在樹形分支設備中，由于對稱性被破壞，分支中一個通道的堵塞會嚴重影響流量分配[15]。

1.3 環狀中心對稱幾何結構型微分散設備

為了有效利用空間、減小占地面積，研究者將并行微通道裝置設計為圓形中心對稱陣列，其本質上是梯形結構和樹形分支結構的變形，并未改變分配通道的形式。Conchouso等[30]將含有128個流動聚焦液滴發生裝置的液滴生成層三維堆疊為一個圓形陣列，如圖7 所示。該裝置最多可實現512 個液滴發生器并聯，100 μm 級液滴的生產率高達1 L/h，變異系數為6%。

Nisisako 等[13]將含有144 個液滴發生裝置的微分散芯片與具有兩個環形中心對稱流體分配通道的支撐模塊耦合，在180 ml/h 的通量下生產平均直徑為90.7 μm、變異系數（CV）為2.2%的水包油液滴。通過將微芯片與具有3～4個流體分配通道的支撐模塊耦合，成功地展示了Janus 液滴、雙乳狀液和三乳狀液的高通量生產，如圖8所示。

圖6 并行8個毛細管微反應器系統[27]Fig.6 Schematic overview of 8?capillary microreactor system[27]

圖7 三維并行化的環狀分支微分散裝置[30]Fig.7 Three?dimensional annular branched micro?dispersion device[30]

1.4 微篩孔陣列微分散設備

早在1995 年，Rijn 等[31]首次使用微機電系統（MEMS）制造技術，在100個硅片上清晰刻蝕了孔徑在0.5 ～10 μm 之間的硅基微篩孔陣列。在過去的十年里，基于金屬和陶瓷材料的微篩孔陣列已經在化工、制藥、免疫和食品工業中得到廣泛的應用[32?34]。

圖8 用于多重乳液制備的同軸環形微分散裝置[13]Fig.8 Schematic diagram of micro?dispersion device with circularly arranged droplet generators for preparation of multiple emulsion[13]

Wang 等[35]提出了“相似放大+微反應器并行放大+數值模擬”的微分散設備放大策略，提出了一種微篩孔分散反應器的放大方法，如圖9 所示。在每個分散單元中，分散相通過微篩孔被連續相擠壓而剪切形成微小液滴。在放大實驗中，首先不改變微篩孔的直徑，將通道截面擴大16 倍，對單個分散單元進行相似放大；進一步地，將10 個該分散單元并聯集成，組成了一個中試裝置，獲得了160倍于實驗室規模微反應器的處理能力。在發煙硫酸和環己烷羧酸反應的中試實驗中，主產物的選擇性為96%，僅比實驗室規模的微反應器低1%～2%，壓降低于40 kPa，實現了中試微反應器的穩定運行。

圖9 用于己內酰胺制備的微篩孔反應器的數量放大[35]Fig.9 Scaling?up of microsieve dispersion reactor for preparation of ??caprolactam[35]

Lim 等[36]提出了一種硅微篩芯片設備，具有密集填充的孔陣列（每個設備有105 個孔），利用腫瘤細胞和正常血細胞之間的大小和可變形性差異，高效快速地從全血樣品中檢測、分離腫瘤細胞，如圖10 所示。通過連接蠕動泵和熒光顯微鏡，包括腫瘤細胞捕獲、抗體染色、污染物去除和免疫熒光成像的全過程，直接在集成微分散單元的微篩板上進行，這種檢測裝備有可能取代現有復雜的循環癌細胞檢測方案，用于癌癥轉移分析。

圖10 用于腫瘤細胞快速計數和熒光原位雜交的微篩芯片裝置[36]Fig.10 Microsieve lab?chip device for rapid enumeration and fluorescence in situ hybridization of tumor cells[36]

圖11 用于合成TS-1分子篩的微篩孔反應器系統[37]Fig.11 Schematic diagram of microsieve pore reactor system for synthesis of TS-1[37]

由于微篩孔陣列反應器具有快速混合、強化傳質等特點，還被廣泛應用于材料制備領域。為了實現在無骨架鈦的情況下合成TS?1 分子篩，Hu 等[37]在連續制備可控前體的基礎上，借助微篩孔反應器，使TBOT（原鈦酸四丁酯）的正己烷溶液均勻地分散到低聚硅酸鹽預水解混合物中形成微液滴，如圖11 所示。由于微分散過程的快速混合和高傳質性能，保證了Ti 組分的低濃度均勻分布。表征結果表明，采用這種廉價、綠色的路線，在Si/Ti 摩爾比最小為51.5 的條件下，成功合成了粒徑約為150 nm、無骨架鈦的TS?1分子篩。

微篩孔陣列的固有性質如孔徑小、總體孔隙度高，使其具有優越的分離性能、選擇性以及較低的運輸阻力和系統能耗。同時，金屬或陶瓷微篩具有很高的熱穩定性和化學穩定性，操作條件穩定，設備的魯棒性強，有利于進行對熱、化學和通量要求更高的操作，如顆粒篩選、乳化、汽提和氣液相分離，具有工業應用前景[38?40]。然而，將微篩孔陣列應用于氣?液體系，如微氣泡制備過程，由于氣液之間的界面張力較大，毛細管壓力較高，而氣體的黏度很小，孔內的流動阻力相對較低，操作條件會顯著影響該過程的操作穩定性和氣泡的單分散性。氣液相流量超出某一范圍會導致部分孔失活，即沒有氣體通過，生成氣泡的尺寸也變得不再均一[32]。因此，對單分散性要求較高的微液滴/微氣泡的規模制備過程很少采用該裝置來完成。此外，在氣液相分離應用中，目前大多數的微篩孔陣列采用硅基微篩涂覆疏水涂層的方式，材質的壽命和穩定性有待進一步提高，這種材質多使用光刻、電鍍和模塑步驟進行加工，成本較高，不容易擴大規模[38]。

1.5 膜分散型微分散設備

近年來，研究者開發了一種膜分散反應器，操作簡單、放大效應不明顯，具有優異的混合性能和傳質傳熱速率。微濾膜是膜分散反應器的核心部件，其常見的類型包括帶有微孔的不銹鋼微濾膜[41]、非球形硼硅酸鹽玻璃制成的燒結膜[42]和球形陶瓷微珠制成的燒結膜[43]。在一定的壓力下，分散相通過孔徑分布均勻的膜滲透到連續相中，被剪切成多個微米級的小液滴，在不到1 s的時間內實現兩相的大接觸面積和均勻混合。膜分散反應器在氣體溶解度測定[44]，有機材料合成和無機納米顆粒如ZnO[45]、γ ?Al2O3[46]、SiO2[47]、FePO4[48]、Li2CO3[49]、丙 烯 酰 胺[50]、CeO2[51]、CaCO3[52]等的制備方面得到了廣泛的應用。

Xia 等[53]采用膜分散反應器對鏈霉素（STR）加氫合成二氫鏈霉素（DHS）進行了研究，如圖12 所示。將還原劑KBH4分散到含有STR的連續相中，促進了兩相的混合，傳質比表面積顯著增加，STR的轉化率在3 min 內達到99.81%，為工業化大規模合成雙氫鏈霉素奠定了基礎。

Nazir 等[54]的研究表明，使用結構多孔膜進行乳化，可以實現μm 級液滴的高度可控生產，并且單位體積乳液需要輸入的能量較低、不破壞液滴功能和應用。Hornig等[42]研究了多孔膜結構內的液/液多相分散過程，如圖13 所示。在膜乳化中，內膜結構對液體破碎和分散過程有重要影響，從而影響分散液滴的尺寸分布。這項研究分析了不同工藝條件、孔隙率、孔結構和孔徑條件下流體在多孔結構中的分散情況，將流體分散和乳化過程與膜的結構特性相關聯，有助于膜的結構優化和定制制造，使加工具有預定性能的乳液成為可能。

圖12 用于二氫鏈霉素合成的膜分散反應流程[53]Fig.12 Membrane dispersion reaction process for synthesis of DHS[53]

圖13 預混乳化工藝方案[42]Fig.13 Scheme of premix emulsification process[42]

在膜分散過程中，產生的液滴大小主要由膜的特性如材質、孔徑等決定，受液滴破裂機制的影響較小。由于操作相對簡單、對能量輸入及表面活性劑的需求較低、傳質性能優異、可以生成尺寸分布很窄的液滴，使得該技術非常具有吸引力[55]。盡管如此，由于膜分散過程存在的局限性，限制了其在工業水平的充分應用。首先，一旦膜被分散相流體潤濕，液滴的均一性將受到嚴重破壞，很難達到目標尺寸，這限制了分散相的通量和生產效率。這一問題對于亞微米和納米顆粒的生產至關重要，需要選擇非潤濕相作為分散流體通過納米多孔膜，體系的適用范圍具有一定限制。此外，膜表面或孔壁與溶液中某種成分之間的相互作用，可能會改變膜的潤濕性，出現結垢現象，導致通量下降、產率降低，影響液滴的質量等[56]。

將微分散設備的各種數量放大方式進行了比較和總結，如表1所示。

2 并行微分散裝置的材料及加工方法

由于微通道數量放大以實現微液滴和微氣泡的規模生產通常需要復雜的三維幾何結構，因此了解微分散設備的制造方法和材料的優缺點至關重要。慎重選擇方法和材料有利于制造更高集成度、高可重復性、魯棒性和精確性的微分散放大裝置。在本節中，對微分散放大設備的材料和加工技術進行了比較和總結，討論了不同材料和方法的優缺點及適用性。

2.1 軟光刻

對于聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚氨酯等材料的微通道，最常用的加工方法是光刻和軟光刻，如圖14所示。左邊的部分是光刻步驟，這一步的作用是在硅晶片上制造出微圖案，作為軟光刻的模板。首先，在硅片上旋涂一層光刻膠，然后，通過掩膜選擇性地暴露在紫外線下，照到的部分發生交聯反應固化，用顯影劑來溶解未交聯的區域，就得到了這塊模板，微通道的分辨率取決于掩模和光刻膠的類型。右邊的部分是軟光刻步驟，準備好模板之后，將液態的彈性物質（如PDMS）倒在上面，固化之后形成PDMS通道。

表1 微分散設備數量放大方式比較Table 1 Comparison of manufacturing of parallel micro-dispersion devices

圖14 光刻/軟光刻流程[15]Fig.14 Schematic illustration of photo?/soft?lithography[15]

PDMS 的表面自由能低且具有彈性，非常容易從模板上剝離；PDMS 通道的復制品可以從單個硅模板重復制造，不會損壞光刻膠圖案，使快速成型成為可能；與玻璃等堅硬材料的粘接不同，一塊PDMS可以很容易地粘接到另一塊PDMS或玻璃上，無須高溫或高壓。但是，軟光刻技術中，母版的制作過程復雜，需要專門的設施如無塵室；PDMS 黏性較大，兩層PDMS的表面接觸之后，分離、重新排列、再黏合就變得很困難，因此，通道制造的可重復性不高[15]。

為了應對這一技術挑戰，Jeong 等[18]通過雙面壓印方法開發了一種三維整體彈性體裝置，如圖15所示。該裝置使用硅片硬母版和PDMS 軟母版的組合，前者用于形成液滴生成和通孔層的通道，后者用于形成流體分布通道。兩塊母版之間充滿未固化的液態PDMS，使兩個母版中的特征非常容易對齊。PDMS 固化之后，將兩個母版分離，就可以得到三維整體彈性體裝置。該研究將復雜的三維通道嵌入到一塊PDMS 中，不再需要對齊和黏合多塊彈性體。兩個母版可以重復使用，使得三維結構能夠快速而廉價地鑄造。

2.2 微銑削

圖15 通過雙面壓印制作三維整體式彈性體裝置的過程[18]Fig.15 Fabrication procedure for 3D monolithic elastomer device by double?sided imprinting[18]

諸如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）之類的熱塑性塑料，具有容易加工、力學性能和韌性優良的特點，在微分散設備制造領域非常流行。加工塑料和其他剛性材料通道最常見的方法主要包括微銑床[57?58]、熱壓[59?60]、立體光刻[61?62]和注塑成型[63?64]幾種，Guckenberger 等[57]將微銑削和上述其他3種加工方法進行比較，評估了它們的技術性能、材料相容性和總體成本，每種方法都有其優點和局限性，但由于微銑床啟動成本低、分辨率高，在特征幾何形狀和材料選擇方面具有多功能性，在塑料微流控器件超快速成型方面具有獨特的優勢，其操作步驟和機器組件如圖16 所示。Berthier 等[65?66]使用微 銑 削 技 術 制 作 了 名 為Kit?On?A?Lid?Assays（KOALA）的微流控平臺，通過組裝多層芯片來輸送流體，基于細胞的微尺度分析方法，集成了細胞檢測所需的所有步驟。微銑削設備還被用來創造油水兩相界面，用于細胞捕獲和RNA、DNA、蛋白質分離[67?68]。Bischel 等[69]利用微銑削加工的限制陣列來捕捉斑馬魚，使用移液管即可快速、重復地將斑馬魚胚胎在陣列中定位，以進行成像和藥物測試。目前，計算機數控微銑床x-y 平面移動的精確度可以達到±0.5 μm，微銑床可自動執行加工過程，實現快速可重復性原型制作，減少人為錯誤[70]。但值得注意的是，對于大批量生產，微銑削的競爭力不如成本低、規模生產的注塑和熱壓成型技術，它在早期開發階段的表現更為出色。同時，對于光學清晰度至關重要的應用，如相位對比細胞顯微成像，銑削過程產生的粗糙度可能是不能接受的。

2.3 3D打印

圖16 計算機數控微銑削機器[57]Fig.16 Schematic diagram of computer numerical control micromill[57]

使用軟光刻和微銑削加工出的并行放大裝置基本均為二維結構，流體分配通道較長、占用空間大、具有一定的死體積，對各流體通道層精確對準、密封的要求高，在一定程度上限制了并行放大液滴生成裝置在工業中的應用[71]。三維微芯片可以克服傳統二維設計的局限性，具有觀察效率高[72]、連續三維運動[73]和集成更多功能的潛在優勢，隨著裝置的復雜化，不同流體在三維構型中的輸送變得更加容易[74]。基于增材制造原理的3D 打印技術，以光敏樹脂、高分子粉末、陶瓷粉末等為主要材料，將流體器件的制造過程簡化為單一步驟，直接在全三維空間中產生用戶設計的結構，無須繁重的勞動強度和復雜的程序，可以消除諸如多層對準和黏合之類的程序，快速、簡單、直接地制造三維微流控器件。此外，以消費者為中心的打印機價格低廉，服務商迅速增加，3D 打印材料與商業生產兼容，使得這一技術對研究人員來說很容易負擔。因此，近年來，3D打印技術已成為眾多研究領域中最強大的快速原型制作工藝之一，在微流控領域的應用經歷了爆炸性的增長[75]，許多工作對3D 技術在該領域的發展進行了報道[76?82]。Femmer 等[71]使用疏水性甲基丙烯酸酯光刻膠，使用3D 打印技術，使28 個液滴發生器逐層垂直堆疊，有效減少了占地面積和死體積，以3 L/h 的速度生產了直徑為500 μm 的單分散乳液和微凝膠，如圖17所示。

圖17 具有28個并行微通道的液滴發生器[71]Fig.17 Schematic diagram of parallelized droplet generator with 28 channel intersections[71]

盡管3D 打印對具有復雜幾何形狀的微分散設備的生產具有最高潛力，但其適用性受到技術能力的限制，在合理尺寸的設備中無法可靠地打印尺寸小于100 μm 的微通道，不同類型的3D 打印機很難將支撐材料移除便捷性[83]、材料消耗、材料通用性[84]、運行條件、設備成本[85]、通道精度和表面粗糙度[86]同時兼顧。為了解決3D 打印技術精度不高的問題，Muluneh 等[17]在3 cm×3 cm 的PDMS 微芯片上集成了512個流動聚焦液滴生成陣列。該研究的創新是軟光刻和激光微加工的混合使用，利用軟光刻技術在微尺度下分辨率高的特點，用來制造生產微小液滴的液滴生成裝置；利用激光雕刻，加工油水兩相的輸送通道和出口通道，雕刻通道的流體阻力低，確保每個液滴生成裝置以相同的流速驅動，保證了液滴尺寸的高度均一性。

2.4 深反應離子刻蝕

對于玻璃和硅等材質的微分散并行放大裝置，比較成熟的加工方法是深反應離子刻蝕，該方法的原理和步驟如圖18 所示[87]。（1）在玻璃上濺射一層金或者鉻的薄膜；（2）將光刻膠旋涂在金/鉻膜上，在紫外線下照射，曝光的地方發生反應變成可溶的物質，經溶劑處理后形成圖案和紋路；（3）將鎳選擇性地電鍍在金/鉻膜的裸露部分上作為掩膜，保護覆蓋的部分不被刻蝕；（4）用丙酮把光刻膠洗掉，使用SF6或C4F8作為蝕刻氣體進行反應離子刻蝕；（5）刻蝕之后去除電鍍的鎳膜，得到設計的通道輪廓。

圖18 Pyrex耐熱玻璃的深反應離子刻蝕[87]Fig.18 Deep reactive ion etching process of Pyrex glass[87]

Nisisako等[88]在4 cm×4 cm的玻璃芯片上大規模集成了128 個環形排列的液滴生成單元，芯片外部帶有不銹鋼支撐體用于入口液體供應，增加了裝置的耐用性，如圖19 所示。該裝置以320 ml/h 的流量制備單分散的光聚丙烯酸酯液滴，平均粒徑為96.4 μm，變異系數（CV）為1.3%，隨后使用紫外線聚合生產出單分散丙烯酸微球，產量約為0.3 kg/h。盡管玻璃芯片具有出色的力學和化學性能，如耐溶劑性，易于化學改性，高機械強度和熱穩定性，但器件制造費時、費力，蝕刻速率極低，選擇性很差[89?90]。為了密封，需要將刻蝕的玻璃微芯片黏合在一起，玻璃?玻璃黏合技術通常需要極其清潔的環境、專用工具和幾百度的高溫[15]。

圖19 用于生產單分散液滴的微分散芯片和支撐體[88]Fig.19 Schematic diagram of micro?dispersion chip and supporting module for production of monodisperse droplets[88]

將微分散放大設備的材料和加工技術的優缺點和適用性進行了比較和總結，如表2所示。

3 結論與展望

本文介紹了用于大規模制備單分散氣泡和液滴的微分散設備放大方式的最新進展。與傳統化工系統相比，微分散設備處理量的提升主要通過增加微通道的數量，即采用多通道并行的模式進行放大。這一數量放大過程必須考慮以下因素：通道設計以確保流體均勻分布到每個液滴生成裝置、大規模制造微通道的方法、可以承受高壓穩定操作的器件材料以及開發商業上可行的三維微流控器件制造技術。其中，為了保持液滴尺寸的高度均一，關鍵難題是多相流體在通道中的均勻分配，分配通道最常見的設計是梯形幾何結構和樹形分支幾何結構。在梯形結構中，需要對通道結構和液滴生成單元的阻力進行定量設計；樹形分支結構盡管設計簡單，但通道排布密度較低，且分支中一個通道的堵塞會嚴重影響流體分配。除此之外，微篩孔陣列和膜分散反應器的優異性能也為化學反應、醫學免疫和材料制備帶來更多的選擇。本文進一步對微分散放大設備的材料和加工技術進行了總結，每種材料和方法在大規模乳液制備方面各有優缺點，需要結合用途、成本、流體物性和材料兼容性自主選擇。

表2 并行微分散裝置的加工方法比較Table 2 Comparison of manufacturing of parallel micro-dispersion devices

總之，在數量放大方法方面已形成了一些共性認識，取得了可喜的進展，如幾何結構、元件集成以及流體操作要求等，同時在規模化微分散的加工技術方面也取得了很大的進展，特別是3D打印技術的發展，為微分散設備的低成本可靠制備提供了保證。但數量放大方法的研究目前還主要處于概念性階段，其系統性研究還十分缺乏，規模化微分散設備的放大還不能做到理性設計，因此未來發展還需要投入很大的力量。主要表現在：第一，在理論層面，建立微結構元件內多相流模型和計算流體力學模擬方法，明確微結構元件內部流動、傳遞和反應行為，揭示集成方式和集成度對反應和分離過程的影響規律，研究微通道數量放大和元件集成的基本規律；第二，在方法層面，通過微結構元件創新和集成獲得高效微化工裝備，提出微設備的設計原則與優化方法，以微設備和常規設備為基礎構建微化工模塊；第三，在技術層面，致力于開發成本低、用戶友好的微結構元件加工方法，為實現微結構元件的最大化、最優化和微結構陣列的集成化提供技術支撐。對于梯形結構和樹形分支結構這兩種實用性強、效率高的放大方式，未來的研究不能局限于二維平面上陣列數目的增加，為了真正實現并行化，需要研究微元件在三維空間上的擴展，提高空間利用率。這依賴于3D打印技術的進一步發展，直接在全三維空間中產生用戶設計的結構，且可以達到甚至超過其他加工方法的精度，快速、精準、直接地制造三維微分散器件。此外，保持均勻流量的流體輸送系統以及控制檢測系統的發展也是微分散技術發展的一個重要環節。有了這些方面的長足進步，微化工技術將為化學工業帶來變革性改變，助力化學工業轉型和高值化發展，成為化學工業可持續發展的重要基礎。