微流控液滴芯片：應用于基礎的材料篩選和材料篩選

微流控液滴芯片是微流控芯片的一種重要模式,液滴的核心功能是微反應器。微流控芯片液滴通量極高,體積極小,它當然應該在以反應為基礎的材料篩選和材料合成領域找到應用出口。

對不同材料作高通量篩選是微流控液滴芯片應用的一個重點領域。 比如,對基于小分子庫的新藥篩選而言,體量大到百萬級別,如果采用常規方法篩選,成本極高,耗時極長,作為已知的最小微反應器的微流控液滴芯片, 應是解決這一類問題理想的替代技術。

一般而言,液滴的直徑從 5μm到 120μm ,也即體積從 0. 05 pL 到約 1 nL,通常的產生速率為 1 kHz,一天處理的樣本量多達10^8  ,如果用一個有缺口的分配器代替原有的硬質分配器,分選過程更 可提高 10 倍 ;液滴運行過程的噪聲很低,稀有粒子的有效濃度可以提高,液滴的包裹又杜絕了液滴內的物質和通道壁接觸的機會,因此使液滴內的物質的檢測靈敏度得以保證;微流控液滴芯片還有一個特別重要的優點,即承載所有這些液滴運動的流體精準可控。

Staffan 等把液滴微流控芯片用于工業酶的篩選。他們用紫外光照射可產生全基因變性的酵母細胞 庫,加入溶劑使酵母溶解,經超聲分散和再稀釋后,將其和熒光酶底物一起包進液滴,被包進液滴的酵母 細胞產生酶,消化底物, 因此增加液滴的熒光,在孵化后,將液滴按熒光強度的不同分開 。 另一個例 子是分選抗生素抗性不同的細菌,細菌按抗生素抗性不同可分為強弱兩類,通常較弱的會過度生長,常 規分類的做法是培養,稀釋,并涂布在瓊脂板上,使之相互隔離,這種方法耗時長達數天,Balaban 等用微流控芯片液滴把單一的細菌包裹在液滴中,在 1000 Hz 頻率下把不同抗生素抗性的細菌檢測出來, 并按抗性強弱分開。

除了上述酶篩選、細菌篩選外,液滴微流控芯片也已被廣泛用于抗體篩選,甚至是對循環腫瘤細胞 CTC等單個細胞和單個分子的高通量篩選。 浙江大學方群等發展了一種基于液滴順序操作陣列的系統,可自動順序完成超微量液體的復雜操控,并將其成功應用于酶和細胞的篩選,蛋白質結晶條件的篩選,以及單個 Huh 細胞內 miRNA-122 的實時定量 RT-PCR 檢測。

除了材料篩選, 當然還有材料合成。 事實上,液滴操控靈活,形狀可變,大小均一,又有優良的傳熱傳質性能,可靈活調節被合成顆粒大小、粒徑分布、形貌、組成、結構以及物理化學性質,因此在材料領域,特別高附加值微顆粒材料的合成領域,顯示出有別于現有技術的巨大潛力,其中,復雜形狀微粒因其特殊的形態和在一個單一粒子上集成不同功能的能力, 在很多科學技術領域備受關注,而與工業接近的部門甚至提出了規模量產的要求。

張清泉等采用微閥控制法,嚴格控制單個液滴的形成和大小變化,單獨或者組合調節長度、鍵合角度、內部大小序列和化學組成序列等 4 種參數,準確制備了多種具有不同各向異性特征的微顆粒。 他們還建立了一種基于雙乳液的形貌可控微顆粒合成的方法:設計并制作了一種雙乳液形成芯片,利用芯片通道內的局部表面修飾,以及 T-通道和流動聚焦的兩級液滴形成單元產生雙乳液(O/ W/ O),在微 通道的幾何限制和界面聚合反應抑制的協同作用下,制備了彎月形或多足形的水凝膠微顆粒,克服了采 用單一效應對顆粒形貌控制的局限性 。 Nisisako 等采用三元液滴結構,在中間的液滴進行選擇性聚 合反應,同時在通道內灌注一種對光敏感的流體和兩種對光不敏感的流體,借助于混流液體表面張力和 剪切力所導致的不穩定性,使多元液流分散進入三元液滴,三元液滴中對光不敏感的流體被固定在圓柱 型微毛細管內,用紫外照射得到了球型或均一的兩面凹型粒子。 大連化學物理研究所李春林等采用微流控液滴技術,使來自沉淀相的沉淀劑經液滴界面進入,提升 pH 值,沉淀固化液滴,根據液滴中所含溶質 沉淀快慢等參數的不同,分別制得實心微球,空心微球和二面空心微球,所得微球的比表面積不同,尺寸均一。