使用确定性横向位移（DLD）微流控芯片从油包水乳液中分离大液滴

为何微小油滴很重要

从沙拉酱和护肤霜到药物递送系统，许多日常产品都依赖于漂浮在水中的微小油滴。如果某些液滴明显比其他液滴大，它们更容易聚并上浮或分层，使原本细腻的膏体变得颗粒状并缩短保质期。本研究探索了一种温和的方法，使用带有微观结构的小型塑料芯片去除这些惹事的大液滴，旨在在不添加额外化学物质的情况下获得更稳定、均匀的乳液。

通过去除大液滴获得更顺滑的混合物

油包水乳液是将油滴分散在水中的混合物。它们在化妆品、食品和药品中至关重要，产品的手感、外观以及活性成分的输送方式都取决于液滴尺寸。较大的液滴像“种子”一样加速聚合和分层，尤其在不使用表面活性剂（稳定化学品）时更明显。如果能把液滴尺寸压低到约一微米以下并保持窄的分布范围，随机的热运动就能对抗重力，帮助混合物更长时间保持均匀。因此，作者并不专注于如何从头制备乳液，而是研究如何对已制成的乳液进行“净化”，选择性地去除较大的液滴。

按尺寸分拣液滴的芯片

为此，团队使用了一种称为确定性横向位移（DLD）的微流控技术。在一个透明、信用卡大小的芯片内布置着一片微小柱子森林，这些柱子按行略微错位排列。当液体在这些柱子间流动时，小液滴沿着由水流塑造的平稳之字形路径移动，而超过某一尺寸的液滴在每次碰到柱子时都会被向侧向推动。这样在一次通过中便形成了两条不同的通路：一条供保持在通道中间的小液滴通过，另一条则逐步将较大液滴推向侧壁。通过精心选择柱子的直径、间距和行间错位，研究者设计出截止尺寸约为1.7微米的芯片，即大于此尺寸的液滴会被从其余液滴中剥离出来。

用模型颗粒测试分拣效果

在使用真实乳液前，研究者先检验了芯片分离已知尺寸颗粒的能力。对柱子间流体流动的计算机模拟展示了流线如何被弯曲和压缩，解释了为何较大物体会被侧向引导而较小物体则穿梭其间。用直径为1和2微米的荧光塑料微球进行的实验证实了该机制：小微球在通道内分布较广，而较大微球则以紧密带状出现在靠近壁面的区域并从不同出口流出。流动条件的选择使得液滴的行为更像刚性球体而非易变形的团块，保证了决定行径路线的主要因素是尺寸而非变形。

净化真实乳液并检验稳定性

随后，团队将芯片应用于用超声设备制备的油包水纳米乳液，该设备利用聚焦声波在不使用表面活性剂的情况下将油打散成细小液滴。初始乳液的中位液滴尺寸约为1.1微米。通过DLD芯片后，一个样品的中位尺寸降至约0.77微米，另一个降至0.73微米，同时较大液滴的比例显著减少。使用多个相同芯片重复实验得到的尺寸分布几乎一致，表明该过程可重复。当对后处理乳液存放一周并监测分层迹象时，未观察到显著变化，这表明缩小液滴尺寸并收窄分布确实提高了稳定性。

前景与实际障碍

尽管理念运行良好，但现有设备面临实际限制。要针对更小的截止尺寸或处理每小时更多液体，柱子间隙必须更窄且通道更高，这在软硅胶中制造具有挑战性，并且在更高压力下可能导致变形或泄漏。作者建议未来采用更坚硬的材料（如玻璃或硬聚合物）并使用多条并联通道的版本，可以在保持同样温和、被动分拣原理的同时实现适合工业使用的更高流量。

对日常产品的意义

简而言之，这项研究表明，精心设计的微芯片可以从油包水混合物中梳理出较大、不稳定的液滴，留下更细、更均匀且更易保持混合状态的乳液——这一切都不需要添加稳定化学品或使用耗能的设备。如果实现放大生产，这一方法可帮助食品、化妆品和药品制造商通过紧凑的连续后处理步骤微调质地和保质期，将对液滴尺寸的精确控制变为改善产品质量和可靠性的实用工具。

引用: Hong, H., Lee, E., Hwangbo, S. et al. Separation of large droplets from an oil-in-water emulsion using a deterministic lateral displacement (DLD) microfluidic chip. Sci Rep 16, 9985 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39347-0

关键词: 纳米乳液, 微流控芯片, 液滴分离, 乳液稳定性, 确定性横向位移