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基于液滴技术的微流控芯片实验室应用

液滴微流控系统是微流控芯片领域的一个新的分支,由于其诸多独特的优势而得到了广泛的研究和报道。液滴微流控芯片技术近年来广泛应用在化学与生物化学分析等领域中。

 

1.液滴微流控芯片技术来源

微流控芯片实验室的研究起始于20世纪90年代初,Manz等开展了早期的芯片电泳研究并提出了微全分析系统的概念早期的芯片实验室研究工作主要集中在连续流微流控系统。近年来,微流控芯片领域出现了一个新的分支———非连续流微流控系统,亦被称为液滴微流控系统液滴微流控系统使用不相溶的两相流体在微孔道界面处形成液滴 ,这类液滴的体积通常在纳升至皮升范围。相对于连续流微流控系统,液滴微流控具有体积小、低扩散、无交叉污染、快速的反应动力学等特点,并且具有高通量分析的潜力。自液滴微流控的概念提出以来,经过几年的发展,液滴微流控制备技术已日趋成熟;同时,液滴的分裂、融合、混合、 分选、存储和编码等丰富多样的操控技术也都有广泛的报道。液滴微流控技术的成熟使其逐步应用于化学和生物化学分析等诸多领域。

 

2.液滴微流控制备技术

在微流控芯片的孔道中,两相互不混溶的连续流体在其界面处会生成稳定、有序的非连续流,即液滴。通过调节芯片孔道的几何构型、表面化学性质和流体流速等条件可灵活地调节液滴的大小和生成频率目前,液滴微流控的制备主要有3种方式:正交结构(T-junction)、流式聚焦(flow-focusing)和共轴流(co-axial flow)。

 

2.1正交结构液滴微流控制备技术

T”型芯片的正交孔道中,分散相(通常为水 相)被垂直地引入到不相溶的连续相( 通常为油或 气体)中,在两相的界面处分散相被连续相“ 切割” 生成液滴。Thorsen等首次使用正交结构芯片并以水为分散相、油为连续相制备液滴。Chen等在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质的T”型芯片中对流体的流型和液滴的生成机理进行了研究。在单级“ L”型芯片制备液滴的基础 上,双“T”构型的芯片被用来制备更为复杂的液滴流。

2.2流式聚焦液滴微流控制备技术

不同于T”型芯片的正交构型,流式聚焦是把3条流路聚焦于一个孔道中,外围流路中注入连续相,而分散相从两条连续相中央的孔道引入,外围两连续相流路通过施加压力和黏滞力把中间的分散相切分为液滴。Anna等使用流式聚焦芯 片首次对液-液体系液滴的生成进行了研究,并使用该构型的芯片制备了单分散和多分散的液滴乳液。Takeuchi等使用轴对称的流式聚焦芯片制备了高均一度的聚合物包裹液滴,这种轴对称聚 焦可以将液滴局限在芯片孔道的中心轴上,从而避免了液滴与芯片的孔道发生接触,同时使液滴免受剪切力的影响。在流式聚焦基础上,Abate等还引入隔膜阀来调控液滴的生成,无需调节流速即可控制液滴的大小及其生成频率。作为流式聚焦法的延伸,Hashimoto等采用多个流式 聚焦结构并联,考察了液滴的平行制备

2.3共轴流(Co-axial flow)液滴微流控制备技术

 

共轴流是一种真正意义上在三维尺度制备液滴的方法。该方法是在芯片孔道中心轴上内置一个拉制成尖嘴的石英毛细管(汶颢提供微流控芯片实验室配件耗材),管内的分散相和管外的连续相平行流动,在内置毛细管的尖嘴出口区域生成液滴。Cramer等首次在微流控系统中应用这种模式来制备液滴,并提出两种不同的液滴生成机理,即:毛细管尖端直接生成液滴或在尖端下游分散相喷射区生成液滴。Utada等对共轴流模式下两种液滴生成机理的转变进行了研究,指出这种转变取决于外围连续相的毛细管准数 和中央分散相的韦伯数。Panizza等集成了多个共轴流模块用来制备不同大小、形状和结构层次的乳液和颗粒。

3.液滴微流控操控技术

液滴制备完成后,为了实现向液滴内引入目标 样品、完成液滴内反应物的充分混合以及液滴内涵物的分析检测等功能操作,液滴的操控技术必不可 少。压力、介电电泳、磁场、光诱导和热梯度等诸多 操控手段已被应用于液滴的分裂、融合、混合、分选、 存储和编码等操作中。

3.1液滴的分裂

对液滴进行分裂可以减小液滴的体积、调控液 滴内样品的含量。目前文献报道的液滴分裂方式有 主动分裂和被动分裂两种。Chiou等报道了一种利用光诱导电润湿(optoelectrowetting)效应进行液滴主动分裂的方法。光照射到OEW表面可以改变聚四氟乙烯涂层的润湿 能力,基于电润湿机理通过控制表面张力驱动液滴 分裂。Link等通过控制芯片的结构在压力驱动 的非连续流中实现了液滴的被动分裂。他们分别采 用正交结构和在芯片孔道中内置障碍物两种方法考 察了液滴分裂的精确调控。主动分裂的机理复杂,单次只能控制一个液滴的分裂,分裂的效率低。被动分裂的机理和操控相对简单,分裂的效率高,在高通量化学和生物监测方面有较好的应用前景

3.2液滴间的融合

化学反应往往涉及多种物料,向液滴内引入试剂来引发、加速、减缓或终止化学反应等一系列操作 都需要通过液滴融合技术来实现。在芯片孔道中实 现液滴间的融合需要满足两个基本条件:一是让液 滴相互接触;二是要克服液滴间的表面张力。Niu等报道了在芯片孔道中设计“小柱”结构,通过调控连续相的流阻和分散相的表面张力来控制相邻两液滴的融合。Zagnoni等对电场控制芯片孔道内单分散液滴间的融合进行了系统考 察,在低电场下液滴成对地融合,在高电场下单分散 的液滴发生大规模的融合。除了电场驱动,漩涡光 束也被应用于控制液滴的融合。在其背景连续相中,漩涡光束可以稳定可控地操控两目标液滴的 融合,其操控更具有灵活性和精确性。

3.3液滴内的混合

反应物的混合程度对于化学合成和反应动力学的研究至关重要。宏观系统的混合过程基于湍流混 合和层流混合机制。然而在微流控系统中,孔道的 特征尺寸往往在微米级,流体的流速通常较低,雷诺数远小于2000,流体混合主要基于层流混合机制,分子扩散的影响十分显著。在连续流微流控系统中可采用微混合器控制流体混合,然而在液滴微流控系统中需要有选择性地控制液滴内反应物的混合,同时又不对液滴流体系造成破坏,操控难度相对较大。Song等报道了一种简便、快速控制液滴内样品混合的方法:将芯片的内孔道设计成S”形弯道,当液滴流经不同弧度的弯道时其间歇性的构型变化将在液滴内部形成对流,依靠 这种对流作用可以完成液滴内极快速的混合过程(约2ms)。Paik等报道了一种电润湿法(elec-trowetting),通过施加电压调控液滴的表面张力,在液滴流经电极阵列的过程中完成液滴内的混合, 微升级的液滴在5s之内得到有效混合。

基于液滴技术的微流控芯片实验室应用

弯道构型芯片控制液滴内的快速混合

3.4液滴的分选

液滴分选主要是为了从大量的液滴中分选出感兴趣的目标液滴,并对其进行精确的调控和进一步 操作。液滴的分选需要基于液滴之间某种性质的差 异,分选的操控往往比较复杂。Tan等报道了一 种通过调控双分岔正交孔道的几何构型和支路流速 的方法对液滴进行被动分选,无需电极和微阀的调 控即可对不同大小的液滴进行分选。此外,重力场 也被应用于控制液滴被动分选。相比于被动分选法,主动分选的可控参数较多,因而主动分选法对液滴的操控更具有灵活性。Ahn等报道了使用介电电泳控制液滴快速分选的方法,分选速度高达1.6kHzBaround等报道了一种 使用激光操控液滴进行分选的方法,利用激光的照射来阻碍水-油界面的运动,在两相中其作用类似于一个微阀,进而调控液滴的分选。

3.5液滴的存储

批量地制备液滴之后,往往要采用离线的模式对逐个液滴进行分析和检测。与此同时,考虑到液滴内的混合和反应通常也需要较长时间来完成,在制备完成之后就需要对液滴进行存储。由于液滴被不相溶的连续相所间隔,液滴可以长时间地存储而彼此之间不产生交叉污染。Lin等报道了一种多 重孔道结构的微流控芯片对液滴进行俘获存储,并对封装入液滴内的单个秀丽隐杆线 虫对于神经毒素的刺激性反应进行了研究。不同于俘获存储的方法,Zhang等报道了使用毛细管直接对液滴进行收集存储的方法。这一存储方法操作简便,无需特殊设计的芯片结构即可实现,且收集量没有严格限制(只需延长管路长度即可)

3.6液滴的编码

在液滴制备过程中,封装入每个液滴内的样品往往不尽相同。因此对每个液滴进行编码就显得尤为重要,特别是当制备的液滴数目巨大的时候。液 滴的编码是液滴微流控技术与信息技术的结合,液滴的编码标记可以确保对每一个液滴进行寻址追 踪和精确操控,也可以选择性地对目标液滴进行操 控和分析,可以大幅度地提高分析的针对性和工作效率。在液滴编码标记的研究中,Zheng等首先报道了使用“ 液滴对”来标记液滴。即每一对液滴包括一个常规的含有反应物的液滴和一个染料液滴,两个液滴形成对应关系,通过染料液滴来标记含有反应物的液滴内的组分,该标记方法被成功地用 于蛋白质结晶条件的检测。Zhang等报道了使用 Portex管对液滴进行顺序存储的方法。该方法将毛细管液相色谱洗脱物顺序“ 封存”入多个液滴 中进行储存,并建立了色谱图与编码液滴的对应关 系,相当于将一张色谱图以液滴的形式保存下来。接下来,类似于“ 中心切割”二维分离模式,对于感兴趣的目标液滴,通过毛细管电泳进行进一步的分离 分析。Schmitz等报道了使用阵列的腔体对液滴进行俘获,并对俘获后的液滴进 行编码标记,这使得在数目巨大的液滴群中对单个 液滴进行研究成为可能。

2.液滴微流控芯片在生化分析中的应用

液滴微流控体系具有一系列独特的优点:体积小,降低了样品和试剂的用量;比表面积大,热传递较快;液滴内的再循环有利于快速混合;液滴之间相互独立,没有扩散和交叉污染;潜在的高通量分析能 力等。随着液滴的分裂、融合、混合、分选等操控技 术的日趋丰富与成熟,液滴微流控技术正逐渐成为化学分析和生物化学分析中一种具有良好应用前景的工具。

5.液滴微流控应用前景

液滴作为一种全新的、极具发展前景的微流控 技术已经引起了人们的广泛关注,相关的研究已取 得了一系列令人瞩目的进展,目前该领域仍处于高 速发展的阶段。液滴微流控技术未来的发展趋势大致包括以下几个方面:

5.1微流控芯片材料及加工技术。

迄今为止很多材料被用来制备微流控芯片,如硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸 酯(PC)、聚环烯(COC)等。与此同时,不断有新的材料被应用于芯片的加工,简单、稳定的芯片材料以及低成本的芯片加工工艺将促进液滴技术更广泛地被接受和应用。

5.2高灵敏度、高通量的液滴微流控分析检测技术。

液滴微流控芯片可操控纳升至皮升级的液体单元,从微流控到纳流控,操控的液滴体积将进一步缩小,同时液滴的数量往往十分巨大。为了实现对复杂液滴微 流控体系的监控与操作有必要发展高灵敏度、高通量的液滴检测技术。

5.3更为丰富和可靠的液滴操控技术。

液滴的操控技术对于完成一系列的单元操作至关重要,到目前为止虽报道了很多液滴操控技术,但其仍然有巨大的发展空间。更为丰富的操控技术能带来更多功能的单元操作,而更高可靠性的操控技术将使系统更加强健。

5.4单元操作的集成化。

微流控芯片的真正优势在于其规模集成。集成有多个操作单元的液滴微流控系统可以实现更为复杂和强大的功能,有望实现真正的“芯片实验室”。

5.5应用领域的进一步拓展。

液滴微流控技术 虽已应用于化学分析和生物分析等领域,但其独特的优良性质在诸多领域的应用仍有待进一步发掘。

 

汶颢微流控技术股份有限公司(www.whchip.com)提供纸芯片、PDMS芯片、PMMA芯片、PC芯片、COC芯片、玻璃芯片、液滴芯片、硬质塑料芯片、生物芯片(基因芯片、细胞芯片)等微流体芯片的设计、加工、量产等技术服务,提供芯片相关实验室仪器设备和配件耗材相关周边产品,提供微流体芯片实验室整体组建服务及微流控芯片技术培训服务。



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