CN114699999B - 一种基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球制备方法，该方法包含制备梯度乳化装置，通道修饰，通道内液滴的生成以及微球的制备等步骤，通过液滴微流控技术中的梯度乳化法形成单分散液滴，以二氧化硅前体溶液和辛癸酸甘油酯在乙酸乙酯的存在下互溶作为分散相，以氟碳油作为连续相，形成尺寸均一的液滴，静置后乙酸乙酯的挥发导致二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯不互溶，同时氟碳油中的表面活性剂与二氧化硅前体溶液反应使液滴固化，因此形成了具有核壳结构的二氧化硅微球。在此基础上，改变了分散相中二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯的含量，得到了具有不同核壳厚度的二氧化硅微球。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球制备方法，属于微流控微液技术领域。
背景技术
随着微纳米技术的发展，核壳二氧化硅微球广泛应用于药物递送、生物传感等领域，在材料学中具有广阔的发展前景。核壳二氧化硅微球的制备方法多种多样。二氧化硅微球传统的制备方法是将乳化法与溶胶凝胶法相结合，但是该方法所需仪器设备庞大，制备的微球单分散性较差，在应用于微球尺寸要求严格的研究时，难以满足实验要求。检索发现，公开号为CN108341415A的中国专利公开了一种大孔二氧化硅核壳微球的制备方法，该方法制备的二氧化硅核壳微球具有大孔结构，是采用无孔微球与有机单体、交联剂、致孔剂反应改性无孔硅胶微球获得，所制备的微球尺寸是1～3μm，用于生物大分子的快速分离分析。CN110433882A公开一种毛细管液滴微流控装置及单粒柱塞制备方法，该装置是用毛细管制成的微流控装置，以四甲氧基硅氧烷、聚乙二醇、乙酸和氨水混合溶液为分散相制备毛细管柱塞。
液滴微流控技术形成的液滴具有高度单分散性，逐渐发展为微球制备的新方法。液滴微流控技术根据芯片装置几何形状的不同可分为：共流（co-flow）、交叉流（cross-flow）、流动聚焦（flow focusing）以及梯度乳化装置（step emulsification）。其中，梯度乳化法主要依靠通道几何形状和表面张力来形成单分散液滴，是一个自发过程。当分散相进入平行化副通道末端时受到四周通道壁的约束力，靠近副通道连接的储液池（连续相所处位置）时，流体受表面张力的作用变为舌状。舌状流体进入储液池后被不断填充为灯泡状，灯泡状流体与仍在副通道的分散相之间的普拉斯压力差不断增大，最终灯泡状流体颈部断裂形成液滴。目前，基于微流控液滴的梯度乳化法制备核壳二氧化硅微球还未发现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球制备方法，该方法将微流控技术用于微球制备，所制备的微球尺寸均一，具有高度单分散性。
本发明提供一种基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制备微流控芯片（即梯度乳化装置）——采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）浇筑在梯度乳化装置模板和无图案的空模板上，加热定型后取下，空白聚二甲基硅氧烷在上、梯度乳化通道在下进行封接后，打孔、等离子体清洗，最后封接至玻璃片上；
步骤2、通道修饰——将修饰液注入梯度乳化装置的通道内，修饰一定时间后，去除修饰液；
步骤3、通道内液滴的生成以及微球的制备——将二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯按照体积比10～50:1的比例溶于乙酸乙酯中（乙酸乙酯作为溶剂，其加入量为使二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯两者互溶即可），混合均匀构成分散相，分散相以一定的流速注入梯度乳化装置内中，分散相在梯度乳化装置的通道内破裂成液滴，液滴流进装有连续相的储液池中，静置一段时间后，固化成微球；
步骤4、收集微球于马弗炉中于800℃下煅烧2小时，得到基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球。
本发明通过微流控技术形成微液滴，液滴具有高度单分散性，并且后续固化成微球时，微球粒径分布小，同时利用二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯在有无乙酸乙酯存在下的互溶性得到具有核壳结构的微球，制备了具有不同核壳厚度的二氧化硅微球。所制备的核壳二氧化硅微球未观察到孔状结构，尺寸在200μm左右，具有吸附功能，能够吸附碘水溶液中的碘离子。
本发明利用梯度乳化装置制备核壳二氧化硅微球，与传统的核壳二氧化硅微球制备方法通过界面反应，所制得的核壳壁薄、易破相比，本发明通过两试剂间相分离实现核壳结构制备，核壳厚度可通过改变两试剂间含量进行调节。
作为本发明进一步优化的技术方案如下：
所述步骤1中，梯度乳化装置由一个分散相主通道、七个平行化副通道和一个装载连续相的储液池构成，所述主通道与注射泵的注射针头可插拔连接，所述主通道与副通道的入口相连，所述副通道的出口与储液池相连，本发明设计了合适的梯度乳化装置，在一定程度上增大了装置的通量；所述梯度乳化装置所用的材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
本发明的微流控芯片为梯度乳化装置，同时集成了七个平行化副通道，提高了装置的通量。
进一步的，所述储液池内装有连续相，所述连续相为氟碳油。
进一步的，所述修饰液为含氟三氯硅烷与电子氟化液（FC 40）组成的混合溶液，所述混合溶液含有3体积%的含氟三氯硅烷及97体积%的电子氟化液。采用含氟三氯硅烷、电子氟化液构成的修饰液，能够改变PDMS通道表面的疏水性，防止液滴粘黏在通道上。
所述步骤3中，由于副通道末端连接储液池区域分散相尖端的拉普拉斯压力差不断增大，分散相在副通道末端连接储液池区域破裂成液滴，流进盛满连续相的储液池中，以氟碳油为连续相，液滴静置30～40 min后，二氧化硅前体溶液随着乙酸乙酯的挥发固化得到二氧化硅微球。
本发明的二氧化硅微球具有核壳结构，以二氧化硅前体溶液、辛癸酸甘油酯和乙酸乙酯为分散相形成液滴，再通过乙酸乙酯的挥发使二氧化硅前体溶液和辛癸酸甘油酯不互溶得到核壳结构，其中二氧化硅微球为壳，辛癸酸甘油酯为核。
进一步的，所述液滴具有单分散性，固化后的二氧化硅微球也具有单分散性。
进一步的，所述核壳二氧化硅微球可通过调节分散相中二氧化硅前体溶液和辛癸酸甘油酯的体积比，制备得到不同核壳厚度的二氧化硅微球，分散相中二氧化硅前体溶液和辛癸酸甘油酯的体积比分别为10:1、20:1、30:1、40:1、50:1。
进一步的，所述二氧化硅前体溶液的制备方法如下：以正硅酸四乙酯为硅源，将2.7 g 0.01 M 盐酸溶液、3 g 乙醇溶液和5.2 g 正硅酸四乙酯混合，搅拌30 min。
本发明通过液滴微流控技术中的梯度乳化法形成单分散液滴，以二氧化硅前体溶液和辛癸酸甘油酯在乙酸乙酯的存在下互溶作为分散相，以氟碳油作为连续相，形成尺寸均一的液滴，静置后乙酸乙酯挥发会导致二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯不互溶，同时氟碳油中的表面活性剂与二氧化硅前体溶液反应使液滴固化，因此形成了具有核壳结构的二氧化硅微球。在此基础上，改变了分散相中二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯的含量，得到了具有不同核壳厚度的二氧化硅微球。
本发明还提供上述方法制备的核壳二氧化硅微球的应用：所述核壳二氧化硅微球具有吸附功能，用于吸附碘离子。
进一步的，在碘水溶液中加入制备的核壳二氧化硅微球，静置一晚后，与未加微球的碘水溶液进行对比，测定两种溶液的紫外吸光光度值，以验证微球的应用。
本发明的优点是采用液滴微流控技术能够生成高度单分散性的液滴，固化后得到尺寸均一的二氧化硅微球，二氧化硅微球具有核壳结构，通过改变分散相体积比可得到不同核壳厚度的二氧化硅微球，并且制备的微球具有吸附功能。
总之本发明的制备方法独特，通过微流控液滴技术中的梯度乳化法制备核壳二氧化硅微球，既能得到单分散微球又提高了液滴生成速率；形成核壳结构的试剂独特，由于二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯在乙酸乙酯存在下能够互溶，生成液滴后乙酸乙酯的挥发，导致二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯逐渐不互溶，从而得到核壳机构。通过液滴-微球一步到位制备核壳二氧化硅微球，制备快速，方法简单。
附图说明
图1为本发明方法的原理示意图和实物图。
图2为本发明中梯度乳化装置的示意图。
图3为本发明中不同分散相体积比下液滴刚形成以及凝固后的实物图。
图4为本发明中不同分散相体积比下液滴刚形成以及凝固后的尺寸统计图。
图5为本发明中不同分散相体积比下二氧化硅微球的电镜图。
图6为本发明中未加与加入二氧化硅微球静置一晚后的碘水溶液示意图。
图7为本发明中未加与加入二氧化硅微球静置一晚后的碘水溶液紫外吸收光光度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护权限不限于下述的实施例。
实施例1 梯度乳化装置中核壳二氧化硅微球的制备
采用标准光刻流程加工具有特定图案的光刻胶阳模，即可得到梯度乳化装置模板，该模板具有与梯度乳化装置上的主副通道及储液池相对应的阳性图案。聚二甲基硅氧烷（PDMS）的预聚物分别浇筑在阳模板上，直至预聚物高度与阳模齐平，同时将聚二甲基硅氧烷（PDMS）的预聚物浇筑在无图案的空模板上，分别进行真空脱气后，加热固化、定型。冷却后，剥离带有通道图案的聚二甲基硅氧烷块，打孔，等离子体清洗，将带有通道图案的聚二甲基硅氧烷块与空白的聚二甲基硅氧烷块进行封接，再与玻璃基板进行封接，形成微流控梯度乳化芯片，微流控梯度乳化芯片由一个分散相主通道、七个平行化副通道和一个装载连续相的储液池构成，其中主通道的一端与注射泵的注射针头可插拔连接，另一端与副通道的入口相连，副通道的出口与储液池相连（见图2）。储液池内装有连续相，连续相为氟碳油。
将修饰液注入梯度乳化装置的通道内，修饰30min后，去除修饰液，重复操作两次。修饰液为含氟三氯硅烷与电子氟化液（FC 40）组成的混合溶液，其中混合溶液含有3体积%的含氟三氯硅烷及97体积%的电子氟化液。
修饰完成后，通过注射泵将分散相以一定的流速注入芯片中，由于副通道末端连接储液池区域的分散相尖端的拉普拉斯压力差不断增大，分散相破裂成液滴，进入盛满连续相的储液池中，静置一段30～40 min后，二氧化硅前体溶液随着乙酸乙酯的挥发固化成微球（见图1、图3和图4，图3中二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯的体积比分别为A、D :20:1；B、E: 30:1；C、F : 50:1）。其中，将二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯按照体积比20:1、30:1、50:1的比例分别溶于乙酸乙酯（加入乙酸乙酯的量为使两者互溶即可）中，混合均匀构成分散相。二氧化硅前体溶液的制备方法如下：以正硅酸四乙酯为硅源，将2.7 g 0.01M 盐酸溶液、3 g 乙醇溶液和5.2 g 正硅酸四乙酯混合，搅拌30 min。将微球放置在马弗炉中于800℃下煅烧2小时去除微球中的辛癸酸甘油酯，得到具有核壳结构的微球。
另外，改变分散相中二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯的体积比为10:1、30:1、50:1，分别制备不同核壳厚度的二氧化硅微球（见图5，二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯的体积比分别为A、B、C10:1；D、E、F : 20:1；G、H、I: 30:1；J、K、L : 50:1）。
实施例2 核壳二氧化硅微球的应用验证
在碘水溶液中加入制备的核壳二氧化硅微球，静置一晚后，与未加微球的碘水溶液进行对比，观察溶液颜色变化，如图6所示，A表示未加微球的碘水溶液；B 表示加入微球的碘水溶液，同时测定两种溶液的紫外吸光光度值，结果见图7。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制备梯度乳化装置——采用聚二甲基硅氧烷浇筑在梯度乳化装置模板和无图案的空模板上，加热定型后取下，空白聚二甲基硅氧烷在上、梯度乳化通道在下进行封接后，打孔、等离子体清洗，最后封接至玻璃片上；
步骤2、通道修饰——将修饰液注入梯度乳化装置的通道内，修饰一定时间后，去除修饰液；所述修饰液为含氟三氯硅烷与电子氟化液组成的混合溶液；
步骤3、通道内液滴的生成以及微球的制备——将二氧化硅前体溶液与辛癸酸甘油酯按照体积比10～50:1的比例溶于乙酸乙酯中，混合均匀构成分散相，分散相以一定的流速注入梯度乳化装置内中，分散相在梯度乳化装置的通道内破裂成液滴，液滴流进装有连续相的储液池中，静置一段时间后，固化成微球；所述连续相为氟碳油；
步骤4、收集微球于马弗炉中于800℃下煅烧2小时，得到基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球。
2.根据权利要求1所述一种基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球制备方法，其特征在于，所述步骤1中，梯度乳化装置由一个分散相主通道、七个平行化副通道和一个装载连续相的储液池构成，所述主通道与注射泵的注射针头可插拔连接，所述主通道与副通道的入口相连，所述副通道的出口与储液池相连；所述梯度乳化装置所用的材料为聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求1所述一种基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球制备方法，其特征在于，所述混合溶液含有3体积%的含氟三氯硅烷及97体积%的电子氟化液；采用含氟三氯硅烷、电子氟化液构成的修饰液，能够改变PDMS通道表面的疏水性，防止液滴粘黏在通道上。
4.根据权利要求1所述一种基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球制备方法，其特征在于，所述步骤3中，由于副通道末端连接储液池区域分散相尖端的拉普拉斯压力差不断增大，分散相在副通道末端连接储液池区域破裂成液滴，流进盛满连续相的储液池中，以氟碳油为连续相，液滴静置30～40 min后，二氧化硅前体溶液随着乙酸乙酯的挥发固化得到二氧化硅微球。
5.根据权利要求4所述一种基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球制备方法，其特征在于，所述液滴具有单分散性，固化后的二氧化硅微球也具有单分散性。
6.根据权利要求5所述一种基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球制备方法，其特征在于，所述核壳二氧化硅微球通过调节分散相中二氧化硅前体溶液和辛癸酸甘油酯的体积比，制备得到不同核壳厚度的二氧化硅微球，分散相中二氧化硅前体溶液和辛癸酸甘油酯的体积比分别为10:1、20:1、30:1、40:1、50:1。
7.根据权利要求1所述一种基于微流控液滴的核壳二氧化硅微球制备方法，其特征在于，所述二氧化硅前体溶液的制备方法如下：将2.7 g 0.01 M 盐酸溶液、3 g 乙醇溶液和5.2 g 正硅酸四乙酯混合，搅拌30 min。
8.如权利要求1至7任意一项所述方法制备的核壳二氧化硅微球的应用，其特征在于，所述核壳二氧化硅微球具有吸附功能，用于吸附碘离子。
9.根据权利要求8所述一种核壳二氧化硅微球的应用，其特征在于，在碘水溶液中加入制备的核壳二氧化硅微球，静置一晚后，与未加微球的碘水溶液进行对比，测定两种溶液的紫外吸光光度值，以验证微球的应用。
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