過化學反應轉化為凝膠狀態(tài)。在一些情況下，例如經(jīng)干燥或加 熱技術，可通過從溶膠中除去溶劑可促進反應。因此，在一些情況下，例如在下文中討論的， 可在使用之前預處理溶膠，例如通過引起在溶膠內(nèi)進行一些縮合反應。溶膠-凝膠化學過程 一般地類似于聚合，但是為硅烷水解產(chǎn)生硅烷醇W及隨后運些硅烷醇縮合W形成二氧化娃 或硅氧烷的順序。
[0143] 在一些實施方案中，可選擇溶膠-凝膠涂料W具有某些性能，例如具有一定疏水 性。通過控制溶膠-凝膠的組成(例如，通過在溶膠-凝膠內(nèi)使用某些材料或聚合物），和/或 通過改性涂料，例如通過使涂料經(jīng)受縮合或聚合反應W使聚合物與溶膠-凝膠涂料反應來 控制涂料的性能，如本文所討論。
[0144] 例如，可通過在溶膠-凝膠中并入疏水性聚合物來使得溶膠-凝膠涂料更加地疏水 性。例如，溶膠-凝膠可包含一種或多種硅烷，例如氣硅烷（即包含至少一個氣原子的硅烷） 例如十屯氣硅烷或十屯氣辛基硅烷，或其它硅烷如甲基Ξ乙氧基硅烷(MTES)、或包含一個 或多個脂質鏈的硅烷例如十八烷基硅烷、或其它CH3(CH2)n-硅烷，其中η可為任意合適的整 數(shù)。例如，η可為大于1、5或10,和在一些情況下，小于約20、25、或30。硅烷還可任選地包含其 它基團如烷氧基(alkoxide)，例如十八烷基Ξ甲氧基硅烷。合適的硅烷的其它實例包括燒 氧基硅烷如乙氧基硅烷或甲氧基硅烷、面硅烷例如氯硅烷、或在娃原子上包含可水解部分 (例如氨氧化物部分）的其它含娃化合物。一般而言，大多數(shù)硅烷可用于溶膠-凝膠中，而基 于所需性能例如疏水性來選擇特定的硅烷。在本發(fā)明的其它實施方案中，還可取決于期望 的因素如相對的疏水性或親水性選擇其它硅烷(例如，具有較短的或較長的鏈長度）。在一 些情況下，硅烷可包含其它基團，例如，例如胺類的基團，其可使溶膠-凝膠更親水性。非限 制性實例包括二氨基硅烷、Ξ氨基硅烷、或Ν-[3-(Ξ甲氧基甲娃烷基)丙基]乙二胺硅烷?？?使硅烷反應W在溶膠-凝膠內(nèi)形成網(wǎng)絡，并且縮合程度可通過控制反應條件，例如通過控制 溫度、存在的酸或堿的量等來控制。
[0145] 在一些情況下，一種W上硅烷存在于溶膠-凝膠中。例如，溶膠-凝膠可包含氣硅烷 W使所得溶膠-凝膠顯示更高疏水性、W及其它有利于聚合物產(chǎn)生的硅烷(或其它化合物）。 在一些情況下，可能存在可產(chǎn)生Si化化合物W有利于縮合或聚合的材料，例如TE0S(原娃酸 四乙醋）。在一些實施方案中，硅烷可具有至多4個與其接合的化學部分，并且在一些情況 下，該部分之一可為R0-部分，其中R為烷氧基或其它化學部分，例如使得硅烷可并入金屬氧 化物基網(wǎng)絡中。此外，在一些情況下，一種或多種硅烷可水解形成對應的硅烷醇。
[0146] 此外，應當理解溶膠-凝膠不限于只包含硅烷，而是除了硅烷W外可W存在其它材 料或可用其它材料代替硅烷。例如，涂料可包含一種或多種金屬氧化物，例如Si化、五氧化 二饑(V2化）、二氧化鐵(Ti〇2)、和/或氧化侶(A12化）。作為其它的實例，溶膠-凝膠可包括含雙 鍵的部分、或另外在任何聚合反應內(nèi)為反應性的，例如參與自由基聚合的硫醇。
[0147] 溶膠-凝膠可作為基材或通道壁上的涂料存在，并且該涂料可具有任意合適的厚 度。例如，該涂料的厚度可為至多約100微米、至多約30微米、至多約10微米、至多約3微米、 或至多約1微米。在一些情況下，可能期望較厚的涂料，例如在其中期望較高耐化學性的應 用中。然而，在其它的應用中可能期望較薄的涂料，例如，在相對小的微流體通道內(nèi)。
[0148] 在一組實施方案中，可控制溶膠-凝膠涂料的疏水性，例如使得溶膠-凝膠涂料的 第一部分為相對疏水性，且溶膠-凝膠涂料的第二部分為比第一部分或多或少相對疏水性。 涂料的疏水性可使用本領域技術人員熟知的技術確定，例如使用接觸角測量如本文所討論 的那些。例如，在一些情況下，基材的第一部分(例如在微流體通道內(nèi)，例如壁)可具有有利 于有機溶劑對水的疏水性，而第二部分可具有有利于水對有機溶劑的疏水性。
[0149] 溶膠-凝膠涂料的疏水性例如可通過使至少一部分溶膠-凝膠涂料經(jīng)受縮合或聚 合反應W使聚合物與溶膠-凝膠涂料反應來改變。與溶膠-凝膠涂料反應的聚合物可為任意 合適的聚合物，并且可選擇具有特定的疏水性能。例如，聚合物可選擇為比基材和/或溶膠- 凝膠涂料更加疏水性或更加親水性。作為實例，可使用的親水性聚合物為聚丙締酸。
[0150] 可通過將單體(或低聚物）形式的聚合物提供到溶膠-凝膠涂料（例如在溶液中） 中，并且使聚合物與溶膠-凝膠之間發(fā)生縮合或聚合反應，而將聚合物添加到溶膠-凝膠涂 料中。例如，可W利用自由基聚合W使聚合物結合到溶膠-凝膠涂料中。在一些實施方案中， 例如自由基聚合的反應可通過任選地在能夠在暴露于光時產(chǎn)生自由基（例如經(jīng)由分子裂 解)的光敏引發(fā)劑存在下，將反應物暴露于熱和/或光，例如紫外(UV)光來引發(fā)。本領域一般 技術人員將意識到許多運樣的光敏引發(fā)劑，其中許多商購可獲得，例如Irgacur 2959(aba Specialty Qiemicals)、氨基^苯甲酬、^苯甲酬、或2-?基-4-(3-二乙氧基甲娃烷基丙氧 基）-二苯基酬（SI冊200.0、ABCR Gm地&Co. KG)。
[0151] 光敏引發(fā)劑可包含在添加到溶膠-凝膠涂料中的聚合物中，或在一些情況下，光敏 引發(fā)劑可存在于溶膠-凝膠涂料中。在一些實施方案中，還可將光敏引發(fā)劑在涂覆步驟后引 入到溶膠-凝膠涂料中。例如，光敏引發(fā)劑可包含在溶膠-凝膠涂料內(nèi)，并且當暴露于光時活 化。光敏引發(fā)劑還可W共輛到或結合到溶膠-凝膠涂料的組分上，例如到硅烷上。作為非限 制性實例，光敏引發(fā)劑如Irgacur 2959可W經(jīng)由氨基甲酸醋鍵共輛到硅烷-異氯酸醋上(其 中光敏引發(fā)劑上的伯醇可參與到與異氯酸醋基的親核加成中，其可生成氨基甲酸醋鍵）。
[0152] 溶膠可包含在溶劑內(nèi)，其還可包含其它化合物例如包括如上所述的那些的光敏引 發(fā)劑。在一些情況下，溶膠還包含一種或多種硅烷化合物。可使用任何合適的技術處理溶膠 W形成凝膠，例如通過使用化學或物理技術例如加熱來除去溶劑。例如，溶膠可暴露于至少 約50°C、至少約100°C、至少約150°C、至少約200°C、或至少約250°C的溫度下，其可用于驅走 或蒸發(fā)至少一些溶劑。作為特定的實例，可使溶膠暴露于設定達到至少約20(TC或至少約 250°C的溫度的熱板，并且溶膠暴露于熱板可導致至少一些溶劑被驅走或蒸發(fā)。然而在一些 情況下，溶膠-凝膠反應甚至可在不存在加熱的情況下，例如在室溫下進行。因此，例如，可 將溶膠單獨放置一段時間（例如約一小時、約一天等），和/或可使空氣或其它氣體或液體， 在溶膠上通過，W允許溶膠-凝膠反應進行。
[0153] 在其它實施方案中，可使用其它引發(fā)技術代替光敏引發(fā)劑或除了光敏引發(fā)劑，可 使用其它引發(fā)技術。實例包括但不限于氧化還原引發(fā)、通過例如加熱裝置的部分引起的熱 分解(例如運可通過具有一定溫度或包含氧化或還原化學品的液體物流完成）。在另一實施 方案中，例如，如果表面包含可參與反應的反應性基團，表面的官能化可通過加聚和/或縮 聚反應實現(xiàn)。在一些情況下，還可添加包含期望官能性的硅烷，例如包含C00H部分、N此部 分、SO抽部分、S04H部分、0H部分、PEG-鏈等的硅烷）。
[0154] 在一些情況下，可從基材去除仍存在的任何未凝膠化的溶膠?？芍鲃拥厝コ茨?膠化的溶膠，例如物理地通過施加壓力或將化合物添加到基材中等，或者在一些情況下未 凝膠化的溶膠可被動地除去。例如，在一些實施方案中，可加熱存在于微流體通道內(nèi)的溶膠 W蒸發(fā)溶劑，溶劑在微流體通道內(nèi)W氣態(tài)積累，從而增加了微流體通道內(nèi)的壓力。在一些情 況下，壓力可為足夠引起至少一些未凝膠化的溶膠被除去或被"吹"出微流體通道。
[0K5]在某些實施方案中，在涂料已經(jīng)引入基材中后，可處理部分涂料W改變它的疏水 性(或其它性能）。在一些情況下，如上所討論，使涂料暴露于包含單體和/或低聚物的溶液， 然后使其縮合或聚合W結合到涂料上。例如，部分涂料可暴露于熱或光例如紫外線光，其可 用于引發(fā)自由基聚合反應W導致發(fā)生聚合。任選地，光敏引發(fā)劑存在于例如溶膠-凝膠涂料 內(nèi)W促進該反應。在一些實施方案中，光敏引發(fā)劑還可包含雙鍵、硫醇、和/或其它反應性基 團，W使得單體和/或低聚物可共價地連接到溶膠-凝膠涂料上。
[0156] W下文件W它們的全部內(nèi)容通過引入并入本文中：2005年10月7日由Link等人申 請的題目為"Formation and Conhol of Fluidic Species"的美國專利申請序列號11/ 246,911,2006年7月27日公開為美國專利申請公開號2006/0163385; 2004年12月28日由 Stone等人申請的題目為''Method and Appara1:us for Fluid Dispersion"的美國專利申 請序列號11/024,228,現(xiàn)為2010年5月4日授權的美國專利號7,708,949;2007年8月29日由 Weitz等人申請的題目為''Method and Apparatus for Forming Multiple Emulsions"的 美國專利申請序列號11/885,306,2009年5月21日公開為美國專利申請公開號2009/ 0131543; W及2006年2月23 日由Link等人申請的題目為巧lectronic Control of Fluidic Species"的美國專利申請序列號11/360,845,2007年1月4日公開為美國專利申請公開號 2007/000:3442。
[0157] 同樣W它的全部內(nèi)容通過引入并入本文中的為2011年2月7日由Abate等人申請的 題目為"Systems and Methods for Splitting Droplets"的美國臨時專利申請序列號61/ 440,198。
[0158] W下實施例意欲說明本發(fā)明的某些實施方案，而不是舉例說明本發(fā)明的全部范 圍。
[0159] 實施例1
[0160] 雙重乳液為內(nèi)部包含額外的較小液滴的液滴。因為它們的小尺寸W及核殼結構， 它們可用于需要微囊化的應用，包括食物、化妝品、和藥物。用微流體裝置，可形成具有控制 性能，包括控制的尺寸和體積分數(shù)的雙重乳液液滴。液滴還可有效地用活性材料填充:典型 地，可實現(xiàn)100 %效率的封裝，而相反地，大批量方法實現(xiàn)小于10 %的活性物封裝。然而，該 方法存在缺點：一個重要的實例來自裝置的小尺寸，其導致液滴W非常慢的速率形成。典型 地，雙重乳液僅W幾毫升/小時形成，對于某些應用而言可能太慢。
[0161] 增加生產(chǎn)量的一種方法是使裝置并行。不是產(chǎn)生少量液滴的單個裝置，而是可同 時使用許多裝置W生產(chǎn)更大的量。然而，由于運樣的裝置的復雜性，雙重乳液合成的并行化 是困難的。雖然例如僅使用簡單的T形接合點可形成單一乳液，但是雙重乳液通常需要更復 雜系統(tǒng)，例如級聯(lián)的T-或交叉通道接合點，有時具有空間圖案化的界面潤濕性。
[0162] 該實施例說明了用微流體裝置將多重乳狀液的生產(chǎn)速率提高多達若干數(shù)量級的 某些系統(tǒng)和方法。該策略基于運樣的認識:裝置可形成液滴的最大體積速率與液滴制造器 噴嘴的尺寸成比例:越大的噴嘴每單位時間產(chǎn)生越大體積的多重乳液。然而，增加的尺寸也 產(chǎn)生更大的液滴，對于某些應用可能是不期望的。為了生產(chǎn)較小尺寸的液滴，在該實施例中 使用分裂陣列(array)將較大的液滴分裂為小液滴。每次液滴流過分裂部分(split)時，它 被平分為兩個相等部分(盡管在其它情況下可使用其它分裂比）。盡管仍然基本上為單分散 的，但是通過分裂額外的次數(shù)，形成甚至更小的液滴。分裂還可適用于單一和多重乳狀液。
[0163] 不期望受任何理論束縛，形成單分散液滴的裝置的最大速率可通過測定滴落至射 流的過渡而測量。運可產(chǎn)生內(nèi)相流速的最大值Vin。然而，乳液的生產(chǎn)率不與Vin成比例，而是 與體積流量化n=VinA成比例，其中A為液滴制造器或通道的橫截面積。因此，即使對于固定 的流速，生產(chǎn)量可通過按比例增加 A而提高。然后，運也可導致較大液滴的生成，因為，對于 液滴生成，其中封堵效應是重要的，Vdrop=W A( 1-aUin/Uout)，其中Vdrop為液滴體積，W為液滴 審雌器噴嘴的橫截面寬度，α為接近1的幾何參數(shù)，且Uout為外相的流量?；诖耍珼sphere~(W A)i/3。為了獲得期望的小尺寸的液滴，使用該實施例中的分裂陣列將液滴分裂為小的基本 上單分散的液滴。
[0164] 該分裂陣列包括各自數(shù)次分成兩個通道的一系列通道。當液滴遇到分裂接合點之 一時，黏性力和壓力使其拆開(pull down)進入各分支。取決于流動條件、通道尺寸和流體 的界面張力，液滴可選擇一個路徑從而保持完整，或沿著兩個路徑，從而分裂為2個。如果液 滴分裂，所得液滴的尺寸可取決于分裂接合點后分支的流體力學的流體阻力。對于相等的 阻力，液滴可均勻分裂，從而產(chǎn)生基本上單分散的、包含具有初始體積一半的液滴的兩倍的 乳液?？商砑宇~外的分裂接合點或"代產(chǎn)生較小的液滴。各次分裂或各代使體積平分，使 得每Ξ次分開把有效直徑平分。運允許通過選擇分裂接合點或者代的數(shù)目來選擇最終的液 滴尺寸。此外，分裂速率不受液滴最終尺寸的限制，因為對于每次分裂，添加通道;實質上， 運是平行化的形式，盡管在液滴已經(jīng)形成后進行平行化。
[0165] 為了說明分裂用于增加生產(chǎn)的用途，在該實施例中，W高生產(chǎn)量產(chǎn)生基本上單分 散的單一乳液。水用于液滴相和HFE-7500(3M)用作氣代控油，1.8wt%的Kry化X?157F化 (DuPont)的錠鹽作為表面活性劑，用于連續(xù)相。為了能夠生產(chǎn)油包水液滴，通過用 Aquapef(PPG Indus化ies)處理，使裝置通道變得疏水性。在該實施例中通過穿過裝置 沖洗Aquapel?幾秒、用空氣沖洗，且然后在65 °C下烘裝置20分鐘而實現(xiàn)。
[0166] 將水和油注入裝置中并且在交叉通道接合點相遇，其中形成水射流，如圖4A的上 部所示，其顯示單一乳液裝置。如本文所討論，該裝置使用軟光刻技術在聚(二甲基硅氧烷） 中制造。W比普通的液滴制造器快約10倍的通過量操作單一乳液裝置。由于流量接近滴落 至射流的過渡，射流是不穩(wěn)定的，在將它分裂為液滴的邊緣上的界面上具有波紋。通常，射 流將無規(guī)地分開，從而產(chǎn)生多分散液滴;然而，通過在下游添加收縮，引導該射流基本上分 裂為單分散液滴，如該圖中所示。由于噴嘴的尺寸，50微米的高度和120微米的寬度，所得的 液滴相對大，如果當作球體的話直徑為約88微米。為了產(chǎn)生直徑或尺寸期望為35微米的液 滴，使大液滴分離(88微米/35微米)3~4次成為24=16個相等部分。因此該裝置的最大生產(chǎn) 率為約7，000微升/小時;為了直接生產(chǎn)該尺寸的液滴通常將需要高度為25微米和寬度為25 微米的尺寸的噴嘴，最大速率僅為~600微升/小時。
[0167] 實施例2
[0168] 分裂還可用于提高雙重乳化液滴的生產(chǎn)率。在該實施例中，將分裂陣列加入到大 的液滴制造器末端，例如在實施例1中所討論的，盡管運次它為雙重乳液制造器。該雙重乳 液裝置包括兩個串聯(lián)的交叉通道接合點，如圖4B和圖5中圖像的上排所示。如本文所討論， 使用軟光刻技術在聚(二甲基硅氧烷）中制造裝置。雙重乳液裝置比常規(guī)的液滴制造器快~ 5倍操作；由于分裂接合點數(shù)目較少，雙重乳液裝置的速度相對于實施例1的裝置較慢。
[0169] 圖5說明了使用一步雙重乳化形成雙重乳液(頂排)并且使用分裂接合點(較低排） 將其分裂成較小液滴的圖像順序。該裝置將雙重乳液平分Ξ次成為體積為初始母體液滴的 1/8的子液滴。在各階段后，分裂接合點變窄，W允許較小液滴的有效分裂。如果視為球體， 最終液滴的直徑為約43微米。
[0170] 為了制備雙重乳液，將辛醇、水與Iwt%的SDS(十二烷基硫酸鋼），和HFE-7500與 1.8wt %的Krytox?表面活性劑，分別W200微升/小時、500微升/小時和1000微升/小時注 入內(nèi)部、中間和連續(xù)相入口。運形成辛醇在水中在第一接合點的穩(wěn)定射流，其進入其中添加 油的第二接合點。運產(chǎn)生了由水殼(sh