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液滴微流控

原创: 石头道科普

微液滴在药物控释、病毒检测、颗粒材料合成、催化剂等领域中均有重要应用。就IVD领域,基因芯片、蛋白芯片、dPCR都需要利用微液滴。微流控技术的发展实现了微液滴尺寸、结构、形貌和功能的可控设计和精确操控,使之成为微液滴领域最重要的技术平台之一。本推送主要介绍液滴微流控的特点、常见芯片结构和主要应用。

微液滴 

微液滴生成原理

微流控法制备微液滴主要是利用互不相容的两种液体分别作为连续相和离散相,通过控制微管结构和两相流速比来控制液滴的生成。在固定体积流率的驱动的推动下,连续相和离散相分别进入不同的微通道,当两股流体在交叉点处相遇后,离散相流体继续延伸形成“塞状或“喷射状”的液柱后在连续相流体的剪切和挤压作用下而被夹断,以微液滴的形式分散于连续相中。

微液滴 

通常,微液滴的生成需要以足够大的作用力扰动连续相与分散相之间存在的界面张力。当待分散相某处施加的力大于其界面张力时,该处微量液体会突破界面张力进入连续相中形成液滴。在微尺度下,界面张力和液体黏度都起着非常重要的作用,其中最常用的调节手段就是加入不同的表面活性剂。

液滴微流控的特点

微液滴常作为微反应器,实现生化反应、试剂快速混合以及微颗粒合成等,极大地强化了微流控芯片的低消耗、自动化和高通量等优点

利用微流控芯片制作液滴具有下列特点:

速度快

短时间内可以生成大量的微反应器(最高可达数千赫兹),适合高通量的生物和化学分析;

均一性好

通常利用微流控方法制备的液滴均一性较常规方法更好。

尺寸可调 

微流控生成的液滴尺寸可由多种方法进行控制。液滴的体积可小至皮升或飞升,大大降低了样品与试剂的消耗。

连续可控

微流控液滴可连续合成液滴,且可根据需求调节液滴的成份,使之广泛应用于IVD领域。

混合效率高

混合速度较连续流动的微流控系统明显加快,反应时间大大减少。

液滴独立

液滴被与之不互溶的另一相间隔,每个液滴皆可作为独立的微反应器。

基于上述特点,液滴微流控系统在IVD领域有巨大的应用前景。尽管现在仍然需要解决液滴不稳定,难以与后续步骤集成等问题,但液滴微流控一定会在以后的单分子、单细胞分析领域有广阔的应用前景。

微流控液滴生成结构

微流控液滴的生成最常见的方式有两种:T型管道结构、聚集型管道结构和同轴管道结构。根据设计的不同,又可分为多种形式。

T型管道法

T型管道法是一种被动形成方法。连续相和分散相以一定角度运行,在T形结处分散相与连续相相交,分散相延伸到连续相中并被拉伸,直到被剪切力分离成液滴。在T型接头中,液滴的大小和形成速度取决于流速比和毛细管数。毛细管数与连续相的粘度,连续相的表观速度和界面张力有关。通过添加其他通道,可以在同一点添加不同的分散相,以生成具有不同组成的交替液滴。

T型管道法 

聚集型管道法

流动聚集是常用的被动形成方法。分散相在接口处受到连续相的对称剪切力,并进一步在通道中变窄以产生液滴。减少连续相的流量会增加液滴的大小。这种方法的好处在于可以以更快的速度进行液滴的生成,速率高达数百Hz至数十kHz。

聚集型管道法 

同轴管道法

同轴管道法是一种被动液滴形成方法。将分散相通道封闭在连续相通道内,在分散相通道的末端,流体被拉伸,并通过滴落或喷射形成液滴。连续相流速对液滴尺寸的影响取决于系统是处于拉伸状态还是扩展状态。这种方法通常生成液滴的速度更快,尺寸可达纳米级别。

同轴管道法 

液滴微流控的应用

IVD检测

自聚合酶链反应(PCR)诞生以来,它一直是基因组学和生物学研究中的重要工具。液滴式数字PCR(ddPCR)的技术进步使单分子PCR的构建成为可能。使用油包水系统,液滴PCR通过组装成分,形成液滴,合并液滴,热循环以及然后像常规PCR一样处理结果来进行操作。基于ddPCR大大提高了普通PCR的检测能力,其中该方法最为出名的就是Bio-Rad公司开发的QX200系统和Rain Drop系统。

另一方面,目前液滴微流控系统还被应用于单分子、单细胞分析领域。将细胞分离到单独的液滴中,通过对单个细胞进行后续分析,可以得到比常规方法更加灵敏的,更加有效的临床信息。

化学合成

由于每个液滴都可以精确控制其成份,大小,并且具有更高效地混合效率。基于液滴微流体技术的微型反应器可使用少量试剂,快速反应(毫秒级)和有效的热传递来降低成本。聚合物粒子,微囊,纳米晶体和光子晶体簇或微珠,都可以在液滴微流控芯片下进行合成。尤其是需要对粒子成份进行精确控制时,液滴微流控具有更大的优势。

细胞分析

基于液滴的微流控技术的主要优势之一是能够将液滴用作单个细胞的培养箱。由于每秒能够产生数千个液滴,液滴微流控开辟了表征细胞种群的新方式。这种细胞分析手段不仅可在特定时间点测量的特定标记,而且还可基于单细胞的动力学行为,例如蛋白质分泌,酶活性或增殖进行分析。

个人总结

目前微流控的确是控制液滴最好的平台,无论是液滴的混合、产生和控制都能够很好地在微流控芯片中完成。IVD技术通常包含大量功能步骤,这些功能步骤完成了一系列化学和生物反应,最后得到人们想要的结果。微流控确实是一种很好的平台,而液滴微流控又是产生和控制液滴最好的技术。产生和分析大量间隔液滴是液滴微流控的优势,并且现在仍可以通过开发更快的,生成更均匀的液滴的新方法。这些新方法又不断地拓展液滴微流控的应用领域。

控制液滴最好的平台 

目前液滴微流控主要的商业化应用是ddPCR。人工智能(AI)的出现成为化学和生物科学领域的革命性工具,这种技术使得人们可以进行高通量的数据分析,利用液滴微流控快速的数据生成功能与AI算法的高级分析功能,可进一步拓展液滴微流控的应用潜力。

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