单位文秘网 2021-07-09 08:20:29 点击: 次
摘 要 微液滴在生物、化学、材料科学、工程等领域的应用十分广泛, 液滴的生成方法越来越高效可控。从传统的制备微液滴的方法, 到微流控芯片方法, 再到近几年新出现的一些芯片外方法, 微液滴的制备技术在数十年间不断发展和完善。本文首先简要回顾了制备微液滴的几种典型的传统方法和微流控芯片方法, 重点介绍了一些近年来发展的新方法的原理、设备和应用, 对这些方法的特点进行了总结, 并对微液滴技术的未来发展提出了展望。
关键词 微液滴; 液滴微流控; 液滴生成; 评述
1 引 言
微液滴在生物、化学、材料科学、工程等领域的应用十分广泛, 如目前已经商业化的微滴式数字PCR系统[1,2]、以微液滴作为微反应器对化学物质进行检测和筛选的液滴微流控系统[3,4]以及以液滴为基本单位制备新型环保无害材料[5,6]等。在Web of Science 网站以“micro droplet”作为关键词进行检索, 可以发现, 相关论文发表数量在过去20年里持续增长, 尤其是在2002年之后, 研究成果量增长迅速(图1)。
传统的微液滴制备方法至今仍在广泛使用。随着液滴应用范围的拓展, 人们对液滴的产生速度、液滴尺寸、液滴生成系统的实用性等方面提出了更高的要求, 多种能够快速生成液滴、液滴大小可控、操作简便的新方法应运而生。其中, 微流控芯片是目前生成微液滴的主要工具, 它具有体积小、生成液滴速度快、液滴大小均匀、体系封闭以及单分散性良好等优势。基于微流控芯片的液滴平台在药物筛选、细胞研究以及DNA和蛋白质等生物大分子的分析检测等方面有着广泛的应用[7,8]。
除微流控芯片外, 近年还出现了一些其它类型的液滴制备方法, 如界面打印液滴生成法[9]、利用旋转的毛细管生成液滴的方法[10]、液滴裂分法[11]等。这些方法避免了专业的芯片设计与加工以及对专业操作人员的依赖, 为能够更加方便快捷地生成微液滴提供了更多的可能。
本文简要回顾了制备微液滴的典型的传统方法和基于微流控芯片的方法, 重点介绍了近几年提出的新方法, 对这些方法的原理和特点进行总结, 希望能够为研究者选择适合的微液滴制备方法提供启示, 最后对微液滴技术的未来发展进行了展望。
2 液滴生成方法
早期使用的生成液滴方法主要有高速搅拌法[12,13]、逐层组装技术[14~16]、膜乳化法[17~19]和界面聚合法[20~23]等, 均可生成微纳米尺寸的液滴。高速搅拌法工序少、操作简单、成本低; 逐层组装技术通用性和可控性强, 可用于构建药物控释系统, 灵活控制递药载体结构[24]; 膜乳化法制备的高分子微球广泛应用于化妆品、医药、化工、电子等领域; 界面聚合法设备简单, 不要求严格的聚合物量比, 主要应用于新型材料的制备。这些方法至今仍在其各自适合的领域发挥作用, 但在液滴稳定性、均匀性、单分散性等方面仍存在不足。近年来, 研究者在致力于传统方法的设备更新、技术改进的同时, 也发展出多种不同原理的新方法。
微流控芯片作为一类制备微液滴的平台, 生成的液滴尺寸可控、扩散性低、生成速度快、不易交叉污染, 适合进行高通量分析[25,26]。根据是否借助外力驱动, 基于微流控芯片的液滴生成方法一般可分为主动法和被动法两类。主动法常用方式包括电湿润法(Electro wetting on dielectric, EWOD)[27~31]、气动法(Pneumatic pressure)[32,33]、热驱动法(Thermal method)[34,35]等, 其原理是借助外力作用在液体两端产生压差, 并利用液体在微流道交叉口处的剪切力和表面张力差形成液滴。被动法利用流体流动的剪切力和界面张力, 通过微管道结构及调节连续相和分散相的流速值及比例来生成液滴, 主要包括T型通道法(Tjunction)[36~38]、流动聚焦法(Flowfocusing)[39~41]和共轴聚焦法(Coaxial flow)[42~44]等芯片结构形式。其中,T型通道法芯片只有两个入口, 是液滴微流控芯片中最简单的结构。流动聚焦法的十字交叉结构可视为是两个T型结构的结合, 中间通道为连续相流体, 两侧通道为分散相流体。主动法系统相对复杂, 对芯片加工的要求较高, 增加了实验的难度及成本, 但主动法可根据需要对单个液滴进行控制, 在液滴的可操控性方面存在很大优势。被动法系统相对简单, 操作方便, 适合单纯需要快速生成大量液滴的情况。除上述的微液滴制备方法外, 近年来涌现出了许多独具特色的新方法。本文将重点介绍这些新方法的原理、特征及应用。
2.1 一次过程生成多个液滴的方法
2.1.1 滑动芯片 Ismagilov实验室[45]发明了一種滑动芯片(SlipChip)装置(图2A), 可用于多路情况下的各种生化反应,而不依赖于泵和阀门。该装置由上下两块紧密接触的玻璃板构成, 底板上具有微孔阵列及微管道, 顶板上具有与底板相对应的微孔阵列。当顶板微孔与底板微管道对齐时, 该结构连接成一条连续的流体通道。实验时, 在底板微孔中预先加入试剂, 盖上顶板, 形成流体通道, 向通道中注入样品, 之后滑动芯片使两块板的微孔对齐, 液滴混合, 发生反应。SlipChip具有消耗试剂少、 不易交叉污染、 多路反应可同时进行等优点。已有研究将滑动芯片法应用于稀有细胞的筛选和分析, 并提出了微流体的随机限制(Microfluidic stochastic confinement)的概念, 该工作将有助于拓展微流体随机限制在人类疾病诊断和环境测试等领域的应用前景[46]。滑动芯片法在单细胞遗传分析的所有阶段亦有广阔的应用前景, 包括细胞富集和捕获、单细胞划分和操作以及检测和分析[47]。通过滑动芯片法还能控制液滴形状和体积, 在一个液滴中生长出一个晶体, 进而实现蛋白质单晶体的制备[48]。另外, 滑动芯片法在生物分析传感器的亚皮摩尔检测极限解决方案方面亦有应用[49]。在合成其它难以获得的新功能材料和结构, 如研究脂质和聚合物膜的功能和性质, 以及在液液界面上执行反应等过程研究方面, 滑动芯片法也有所进展[50]。有研究者研发出基于滑动芯片法的全自动、低成本和手持的数字PCR平台[51], 并有望应用于恒温核酸扩增方法等生物监测领域[52]。如将滑动芯片法与其它微流体技术整合, 可进行大范围的重复样品生物分析工作[53], 包括快速识别血液等复杂生理基质中的病原体[54]、单分子核酸分析[55]。在SlipChip的基础上, 发展出了一种新的可拓展性平台, 利用溶液的表面张力实现流体输送、混合、维持计量体积以及生物分子捕获和释放等[56]。但是, 由于采用了加工成本相对高的玻璃材质制作芯片, SlipChip方法可能导致费用增加;
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