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微流控:粒子流在遇到障碍物时更高效

近年来,微流控技术的出现改变了在试管中混合生物和化学化合物的标准方法。这个创新领域结合了微纳米技术、生物化学、工程和物理学的原理,以在微米尺度上操纵流体的行为,在像邮票一样小的芯片上进行传统上费力的实验室工作。

微流控技术为即时诊断的实时、高通量测试提供了一种新途径,有助于从微小样本中识别毒素或危险病原体。在实验室之外,从喷墨打印机头到妊娠试验,各种技术都支持微流体技术。虽然比传统方法更精简,但仍然存在限制微流体实验效率的限制。

对于微流体中使用的基于乳液的样品,每个单独的液滴代表一个实验。可以对每个液滴进行分析,因此任何损坏的液滴都反映了失败的实验。通过最大限度地减少液滴碰撞和破碎,可以提高微流体系统的吞吐量和效率。

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交通圈减少微流控芯片拥堵,当液滴从宽通道漏斗进入狭窄通道(料斗室)时,往往会出现拥塞和碰撞,导致液滴破裂。“这是一个交通问题,就像多条车道的汽车试图挤过收费站一样,”斯坦福工程学院的 Sindy Tang 说。

为了克服这一限制,Tang和她的团队利用了刚性粒子行为中的一个已知现象,即上游障碍物或“交通圈”抑制了粒子堵塞。这种令人惊讶的观察结果可以在粮仓或疏散房间的人中看到,但这种行为尚未在软颗粒中得到验证。

Tang和她的团队由前斯坦福大学工程学研究生 Alison Bick 领导,在《美国国家科学院院刊》上报告了这种现象的可转移性。在他们的实验中,他们通过几何受限的二维漏斗室灌注油包水液滴,芯片上嵌入了不同大小和位置的障碍物。

当障碍物被最佳放置时,液滴首先在障碍物和侧壁之间变形,然后在通过狭窄的腔室收缩之前放松。“障碍物的放置有一个最佳位置,可以最大限度地减少液滴流中的破裂和碰撞,”tang解释道。与没有障碍物的芯片相比,位于最佳位置的交通圈将液滴破裂频率降低了一千倍。

实验效率、通量和稳健性的这种显着改进可以减少执行基于液滴的微流体分析所需的时间,包括数字 PCR 测试和抗生素筛选。研究人员的发现也可能对更远的领域产生影响,例如,在乳液或泡沫材料的 3D 打印中,在保持出口液滴尺寸和均匀性的同时,实现更快的流速。

该团队的结论是,通过在“最佳位置”放置障碍物,可以实现有序的液滴流动。该解决方案的优雅在于其简单性,使其可以方便地在其他微流体平台中实施。



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