原創(chuàng)： 石頭道科普

微液滴在藥物控釋、病毒檢測(cè)、顆粒材料合成、催化劑等領(lǐng)域中均有重要應(yīng)用。就IVD領(lǐng)域，基因芯片、蛋白芯片、dPCR都需要利用微液滴。微流控技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了微液滴尺寸、結(jié)構(gòu)、形貌和功能的可控設(shè)計(jì)和精確操控，使之成為微液滴領(lǐng)域最重要的技術(shù)平臺(tái)之一。本推送主要介紹液滴微流控的特點(diǎn)、常見芯片結(jié)構(gòu)和主要應(yīng)用。

微液滴生成原理

微流控法制備微液滴主要是利用互不相容的兩種液體分別作為連續(xù)相和離散相，通過(guò)控制微管結(jié)構(gòu)和兩相流速比來(lái)控制液滴的生成。在固定體積流率的驅(qū)動(dòng)泵的推動(dòng)下，連續(xù)相和離散相分別進(jìn)入不同的微通道，當(dāng)兩股流體在交叉點(diǎn)處相遇后，離散相流體繼續(xù)延伸形成“塞狀或“噴射狀”的液柱后在連續(xù)相流體的剪切和擠壓作用下而被夾斷，以微液滴的形式分散于連續(xù)相中。

通常，微液滴的生成需要以足夠大的作用力擾動(dòng)連續(xù)相與分散相之間存在的界面張力。當(dāng)待分散相某處施加的力大于其界面張力時(shí),該處微量液體會(huì)突破界面張力進(jìn)入連續(xù)相中形成液滴。在微尺度下,界面張力和液體黏度都起著非常重要的作用，其中最常用的調(diào)節(jié)手段就是加入不同的表面活性劑。

液滴微流控的特點(diǎn)

微液滴常作為微反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)生化反應(yīng)、試劑快速混合以及微顆粒合成等，極大地強(qiáng)化了微流控芯片的低消耗、自動(dòng)化和高通量等優(yōu)點(diǎn)。

利用微流控芯片制作液滴具有下列特點(diǎn)：

速度快

短時(shí)間內(nèi)可以生成大量的微反應(yīng)器（最高可達(dá)數(shù)千赫茲），適合高通量的生物和化學(xué)分析；

均一性好

通常利用微流控方法制備的液滴均一性較常規(guī)方法更好。

尺寸可調(diào) 

微流控生成的液滴尺寸可由多種方法進(jìn)行控制。液滴的體積可小至皮升或飛升，大大降低了樣品與試劑的消耗。

連續(xù)可控

微流控液滴可連續(xù)合成液滴，且可根據(jù)需求調(diào)節(jié)液滴的成份，使之廣泛應(yīng)用于IVD領(lǐng)域。

混合效率高

混合速度較連續(xù)流動(dòng)的微流控系統(tǒng)明顯加快，反應(yīng)時(shí)間大大減少。

液滴獨(dú)立

液滴被與之不互溶的另一相間隔，每個(gè)液滴皆可作為獨(dú)立的微反應(yīng)器。

基于上述特點(diǎn)，液滴微流控系統(tǒng)在IVD領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。盡管現(xiàn)在仍然需要解決液滴不穩(wěn)定，難以與后續(xù)步驟集成等問(wèn)題，但液滴微流控一定會(huì)在以后的單分子、單細(xì)胞分析領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

微流控液滴生成結(jié)構(gòu)

微流控液滴的生成最常見的方式有兩種：T型管道結(jié)構(gòu)、聚集型管道結(jié)構(gòu)和同軸管道結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，又可分為多種形式。

T型管道法

T型管道法是一種被動(dòng)形成方法。連續(xù)相和分散相以一定角度運(yùn)行，在T形結(jié)處分散相與連續(xù)相相交，分散相延伸到連續(xù)相中并被拉伸，直到被剪切力分離成液滴。在T型接頭中，液滴的大小和形成速度取決于流速比和毛細(xì)管數(shù)。毛細(xì)管數(shù)與連續(xù)相的粘度，連續(xù)相的表觀速度和界面張力有關(guān)。通過(guò)添加其他通道，可以在同一點(diǎn)添加不同的分散相，以生成具有不同組成的交替液滴。

聚集型管道法

流動(dòng)聚集是常用的被動(dòng)形成方法。分散相在接口處受到連續(xù)相的對(duì)稱剪切力，并進(jìn)一步在通道中變窄以產(chǎn)生液滴。減少連續(xù)相的流量會(huì)增加液滴的大小。這種方法的好處在于可以以更快的速度進(jìn)行液滴的生成，速率高達(dá)數(shù)百Hz至數(shù)十kHz。

同軸管道法

同軸管道法是一種被動(dòng)液滴形成方法。將分散相通道封閉在連續(xù)相通道內(nèi)，在分散相通道的末端，流體被拉伸，并通過(guò)滴落或噴射形成液滴。連續(xù)相流速對(duì)液滴尺寸的影響取決于系統(tǒng)是處于拉伸狀態(tài)還是擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。這種方法通常生成液滴的速度更快，尺寸可達(dá)納米級(jí)別。

液滴微流控的應(yīng)用

IVD檢測(cè)

自聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）誕生以來(lái)，它一直是基因組學(xué)和生物學(xué)研究中的重要工具。液滴式數(shù)字PCR（ddPCR）的技術(shù)進(jìn)步使單分子PCR的構(gòu)建成為可能。使用油包水系統(tǒng)，液滴PCR通過(guò)組裝成分，形成液滴，合并液滴，熱循環(huán)以及然后像常規(guī)PCR一樣處理結(jié)果來(lái)進(jìn)行操作?；赿dPCR大大提高了普通PCR的檢測(cè)能力，其中該方法最為出名的就是Bio-Rad公司開發(fā)的QX200系統(tǒng)和Rain Drop系統(tǒng)。

另一方面，目前液滴微流控系統(tǒng)還被應(yīng)用于單分子、單細(xì)胞分析領(lǐng)域。將細(xì)胞分離到單獨(dú)的液滴中，通過(guò)對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行后續(xù)分析，可以得到比常規(guī)方法更加靈敏的，更加有效的臨床信息。

化學(xué)合成

由于每個(gè)液滴都可以精確控制其成份，大小，并且具有更高效地混合效率?；谝旱挝⒘黧w技術(shù)的微型反應(yīng)器可使用少量試劑，快速反應(yīng)（毫秒級(jí)）和有效的熱傳遞來(lái)降低成本。聚合物粒子，微囊，納米晶體和光子晶體簇或微珠，都可以在液滴微流控芯片下進(jìn)行合成。尤其是需要對(duì)粒子成份進(jìn)行精確控制時(shí)，液滴微流控具有更大的優(yōu)勢(shì)。

細(xì)胞分析

基于液滴的微流控技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一是能夠?qū)⒁旱斡米鲉蝹€(gè)細(xì)胞的培養(yǎng)箱。由于每秒能夠產(chǎn)生數(shù)千個(gè)液滴，液滴微流控開辟了表征細(xì)胞種群的新方式。這種細(xì)胞分析手段不僅可在特定時(shí)間點(diǎn)測(cè)量的特定標(biāo)記，而且還可基于單細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)行為，例如蛋白質(zhì)分泌，酶活性或增殖進(jìn)行分析。

個(gè)人總結(jié)

目前微流控的確是控制液滴最好的平臺(tái)，無(wú)論是液滴的混合、產(chǎn)生和控制都能夠很好地在微流控芯片中完成。IVD技術(shù)通常包含大量功能步驟，這些功能步驟完成了一系列化學(xué)和生物反應(yīng)，最后得到人們想要的結(jié)果。微流控確實(shí)是一種很好的平臺(tái)，而液滴微流控又是產(chǎn)生和控制液滴最好的技術(shù)。產(chǎn)生和分析大量間隔液滴是液滴微流控的優(yōu)勢(shì)，并且現(xiàn)在仍可以通過(guò)開發(fā)更快的，生成更均勻的液滴的新方法。這些新方法又不斷地拓展液滴微流控的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前液滴微流控主要的商業(yè)化應(yīng)用是ddPCR。人工智能（AI）的出現(xiàn)成為化學(xué)和生物科學(xué)領(lǐng)域的革命性工具，這種技術(shù)使得人們可以進(jìn)行高通量的數(shù)據(jù)分析，利用液滴微流控快速的數(shù)據(jù)生成功能與AI算法的高級(jí)分析功能，可進(jìn)一步拓展液滴微流控的應(yīng)用潛力。

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