首页 > 技术资讯 > 行业咨讯

离心驱动的微液滴生成技术研究进展(1)

微液滴技术是在微流控平台的基础上实现的高通量、大小均一的nL-pL级别体积的液滴单元构建技术,通过微液滴技术能够将化学反应隔离开来,实现大规模平行的独立反应,液滴的单分散性和均一性特点已经被广泛用于单分子的绝对定量检测,同时液滴小体积、可操控的特点已经受到单分子单细胞研究领域科学家的青睐。微液滴生成的主要过程在于如何施加足够大的作用力来扰动分散相和连续相之间的界面张力使其达到失稳,导致分散相突破界面张力的束缚进入连续相中形成分散的液滴。

传统的微液滴生成方式主要包括共轴聚焦式、T字型结构和十字型结构。其中共轴聚焦式依赖的微米级别尺寸的毛细管制作重现性较差,故而其应用受到了很大的限制。T字型和十字型结构的液滴生成是基于微加工技术制作的微流控芯片完成的,因此芯片批次间的重现性可以很好保证,同时通道的尺寸也可以进行精准的调控。但是T字型和十字型结构的液滴生成方式是基于精密注射泵来控制流体在芯片通道内的流动,在液滴生成处基于油相对水相的稳定的动态切割完成液滴的生成,但是这种稳定动态切割状态形成之前需要一段时间的预稳定期,预稳定期内需要消耗部分试剂生成不均一的液滴,预稳定期的长短和样品消耗量主要由操作者对精密注射泵的操作经验决定,熟练的操作者也需要5min左右的时间才能让液滴的生成达到稳定状态。因此采用更简单的方式代替精密注射泵来驱动流体,通过准静态的液滴生成代替动态切割液滴生成方式有望解决传统微液滴生成在样品损耗、操作困难、耗时较长方面的不足。

离心式微流控是微流控研究领域的重要分支之一,其是基于离心力来驱动芯片通道内流体的流动,离心力相对于传统的精密注射泵推动流体的流动更容易操控,同时不同密度溶液受到的离心力大小不同,因此离心力可以实现溶液之间的相对流动或分离。

Nakajima课题组在1997年提出一种微通道乳化液滴快速生成的方法[1]。该方法通过设计水相通道的深度小于油相储存区深度,进而在水相通道与油相储存区的接触位置形成台阶结构。油相保持静止状态,而水相在注射泵的驱动下,通过较窄的缺口进入台阶区域,在台阶区域由于通道深度不同导致水相的界面张力发生改变进而破裂生成液滴。2001年他们对该方法的液滴生成机理进行了详细的阐释[2],随后又相继发表数篇文章对水相流速、通道的宽度和台阶的长度对液滴生成的影响进行了表征[3,4]。该方法通过三维通道的引进,使得液滴生成的过程改为准静态的过程,在一定水相流速范围内,液滴的大小仅由通道的宽度和深度以及台阶的长度决定,相对于传统依赖动态切割生成液滴方式更容易实现对液滴大小的操控。

2015年,Schuler等人结合离心力与Nakajima课题组液滴生成方法特点发明了离心式乳化的液滴生成技术[5]。该方法由离心力代替注射泵实现芯片通道内流体的驱动,同时引入了Nakajima台阶式结构进行液滴的准静态生成过程。利用此方法他们实现了无样品损耗的液滴快速生成。同时他们对液滴生成的机理进行了考察,发现液滴的生成主要由通道的宽度与深度以及台阶的长度决定。当台阶长度小于通道的尺寸时,液滴大小主要由通道尺寸来决定。当台阶长度大于通道尺寸时,液滴大小主要由台阶长度来决定。当台阶长度远大于通道宽度时,液滴生成机理发生改变,液滴生成的位置也会发生改变,甚至会产生多分散的液滴。这种液滴生成方式与传统液滴生成方式相比,操作更简单,也不会造成样品的浪费。但是液滴的生成依赖于一定长度的台阶,台阶长度对液滴生成的影响机理比较复杂,同时该课题组采用的芯片制作材料为PMMA,采用的加工方式为微铣销。这种加工技术在国内还不够成熟,同时加工精度也比较低,通道的尺寸在60um以上,无法生成较稳定的直径小于100um的液滴。

本文使用离心力代替注射泵进行芯片通道内流体的驱动,其次在Nakajima台阶式结构的基础上引入了准静态液滴生成机理,同时消除了台阶的长度结构,减少了影响液滴生成的因素,简化了液滴生成的机理。芯片通道层材料的选择为PDMS,芯片的加工结合了软光刻与倒模技术,可以实现精度为1um的通道尺寸加工。通道结构主要包括水相储存区、连接通道、液滴生成区,液滴收集区和气压平衡通道。液滴生成过程仅包括2个步骤,首先使用移液枪分别向水相储存区和液滴收集区加入一定量的水相样品和油相,接着将芯片放置于离心机上通过离心即可完成液滴的生成。液滴生成的原理为离心力驱动水相储存区的水相通过连接通道流至液滴生成区,在液滴生成区由于三维集合结构的出现,导致水相拉普拉斯压力发生改变,进而破裂进入油相,生成油包水的液滴。这种基于离心式微液滴生成芯片,通过简单的离心操作,可以在短时间内实现无样品损耗的高通量,稳定均一的液滴生成。液滴生成过程如下图所示:

基于离心式芯片微液滴生成原理图

基于离心式芯片微液滴生成原理图

参考文献:略

免责声明  文章来源:单细胞PCR的微流控芯片研究(微信公众号) 作者:尧灵 以传播知识、有益学习和研究为宗旨。 转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除。