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微液滴微流控芯片的应用

      微流控,早期的研究重点主要集中在对微通道内连接流系统的操控,包括进样、混合、反应、分离和检测等。然而由于传统连续流系统存在一定局限性,如样品消耗量较大,微泵和微阀的结合与制造工艺复杂,易造成交叉污染以及在低雷诺系数下液流间难以快速混合等。因此,近年来对离散化微液滴的操控日益成为国际上研究的重点。与传统连续流系统相比,离散化微液滴系统有一系列潜在优势,如消耗样品和试剂量更少,混合速度更快,不易造成交叉污染,易于操控等。

液滴微流控是微流控平台的一个重要分支。它与连续流有所不同,是利用混溶来形成分散的小体积流体,即液滴。在液滴微流控中能够在不增加仪器复杂的基础上进行大量的反应,而且反应速度快、试剂消耗小,因此作为微反应器受到广大研究人员的青眯。而且已有研究表明,能够在液滴微粒控系统执行简单的布尔逻辑功能,为实现微流控计算机芯片迈出了重要的一步。

微流控芯片

液滴发生的本质是乳化现象,产生于不相容的物质之间,有单层乳化和多层乳化。根据液滴发生过程中两种不相容物质所处的角色不同而分别称之为连续相和不连续相(分散相),分散相就是被分散成液滴的物质。

液滴发生的本质是乳化现象,产生于不相容的物质之间,有单层乳化和多层乳化。根据液滴发生过程中两种不相容物质所处的角色不同而分别称之为连续相和不连续相(分散相),分散相就是被分散成液滴的物质,连续相是充当液滴载体的物质。就单层乳化而言,一般根据分散相属于水相或油相的不同,可以分为O/W、W/O型液滴。

微液滴微流控芯片应用有以下几个方面

一、乳化

乳化产品如化妆品、牛奶等已成为人们日常生活中不可或缺的必备品,而传统的通过搅拌、加热或添加特殊表面活性剂等工艺得到的常常是多分散性乳液。因此,如何有效获取单分散性好的乳液是胶体科学所需要解决的一个重要问题。

Utada等报道了一种在微毛细管内一步生成且易于操控的双乳化装置。这个装置主要由横截面为正方形的长方体玻璃管内嵌套一个圆柱形玻璃毛细管组成,且两个管道的轴心完全重合,微液滴就在轴心处生成。

利用多相流法获得微液滴,方法操作简单灵活,只需通过改变流体流量比便可生成大量稳定且单分散性好的微液滴。因此,它将很有可能发展成为一个良好的研究乳化平台。

二、混合

      由流体动力学可知,在微米级尺度通道内,流体因雷诺系数太小(0.01~100)而呈层流状态,物质则通过两相接触处的分子自由扩散进行缓慢交换。这给需要通过多相流体之间快速混合来实现的反应和检测带来了困难。相比之下,精确可控的微液滴因不受此条件限制,从而可以进行快速且高效的混合。

Cheng等利用多相流法生成微液滴,研究了运动的微液滴内部的速度分布以及两个微液滴碰撞后组成的浓度分布。用micro-PIV技术测量结果表明,运动的微液滴内存在微循环流,并且微液滴外侧流速大于中间流速。用荧光物质标记微液滴,发现两个微液滴碰撞后达到完全混合只需要0.17s而且这个时间还可以在提高液滴流速的情况下进一步减少。可见,微液滴的碰撞是一种高效的混合方式。

三、包埋

      利用多相流法生成微液滴,因为微液滴被互不相溶的惰性连续相包埋,所以可以用它作为媒介来包埋和运输物质,特别是某些生物活性组分如细胞、蛋白质、多肽、DNA和RNA等。由于包埋在微液滴内的组分明显降低了被污染的可能性。因此,相应地增加了检测灵敏度。Loscertales等报道了一种外加高压下同轴内外液在出口处喷射形成泰勒锥的包埋技术。这种包埋技术还可以通过对流速的控制来改变胶囊内物质的量和胶囊壳的厚度。He等利用光诱捕技术将单细胞及及亚细胞的结构线粒体包埋到皮升和飞升的微水滴中,并对包埋在微液滴内的细胞进行了激光诱导分解和酶化验,从而揭开了利用微液滴对目标细胞或亚细胞结构进行可行性研究的序幕。

    四、萃取

萃取是物质分析检测过程中经常用到的一种方法。通过萃取可将待分析组分富集或纯化,从而提高分析灵敏度。方群等对微流控芯片微液滴停留萃取作了深入的研究。后来他们又进一步对实验室系统进行优化,采取顺序进样,经萃取后,成功地在微液滴内对过氧草酸酯反应体系进行了化学发光检测。

    五、微反应器

    微反应器因其形态稳定、便于操控以及不易污染等特点,使它成为微反应器的理想选择。Zheng等利用多相流法在由玻璃和PDMS组成的芯片微通道内生成纳升级水相微液滴,并以生成的微液滴作为微反应器,利用X衍射作为检测手段,成功地对蛋白质结晶条件进行评估和筛分。随后他们又报道了一种简单且经济,利用微液滴进行组分高效筛选的方法。此外,Gerdts等也利用微液滴作为微反应器对蛋白质结晶过程中的成核现象和增长进程进行了研究,该研究的成功为常规条件下难以实现结晶的蛋白质提供了一个新的研究平台。

    后来,TakasiNisisako等利用水相鞘流对有机相进行夹击和剪切,在Y型通道上生成有机相微液滴,并在其内部合成形状可控的微米级聚合物颗粒。这表明,微液滴技术为我们提供了一个生成纳米颗粒新的途径。

    六、生物鉴定

    作为一种正在迅速崛起的新技术,在生物学领域的应用是微流控和纳流控技术发展的一个非常重要方向。在这方面,微液滴将微流控技术微型化的优势进一步完美体现。

Srinivasan等利用电润湿法分别生成含有人体血清、血浆、尿液、汗液和唾液的微液滴,对其中葡萄糖的含量进行分析,并将分析结果与参考值进行比较,除尿液中葡萄糖浓度因尿素干扰与参考值有较大偏差外,其余结果都与参考值相当。这也肯定了电润湿法对单个微液滴进行精准操控在生物鉴定中的应用价值。Linder等报道了一种利用气动法原理生成应用于生物分析的微液滴系统。

后来,Luo等报道了一种利用多相流法产生微液滴并用电化学检测的有效方法。通常,因荧光素无法进入到活酵母细胞,而不能对其进行荧光检测。但利用微流控芯片上集成的微电极对酵母细胞进行适当电击后发现,荧光素不仅能进入到酵母细胞中,而且能保持酵母细胞完好无损,从而可以方便地对其进行荧光检测。

微流控

   近年来关于微流控离散化微液滴操控系统研究已经取得了一定成果,特别是对通道内微液滴产生机理、稳定性、传输、混合和分离的研究。但这一领域的研究在很多方面仍然需要不断改进和提高。



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