微流控装置中受限颗粒的研究进展

微流控器件中的受限粒子简介

微流控和微制造在过去十年中得到了广泛的发展，因为其特定的规模使其能够在广泛的领域中得到广泛的应用。根据颗粒或微生物的变形性、形状和活性等特性对其进行分类和过滤的能力是医学、生物和食品科学应用的基础。使用微型过滤器、外场(磁场、声学、光学)和沉积，已经开发了许多技术。利用惯性效应和粘弹性效应将颗粒集中在通道内的特定位置也是可能的，也可以利用约束性质。

本文简要概述了具有各种对称性的气泡、液滴和纤维等受限粒子的众多优点，以及如何将受限粒子用于有趣的应用，如分离粒子。这篇综述中提出的两个主要优点来自以下条件：更好地控制原位形成的颗粒的尺寸和很好地控制输送轨迹，从而产生新的颗粒分选策略。

图1：T形结微流控装置中受限液滴的产生

微流控装置中受限粒子的特性

在简单无界流动中，当流动边界远离粒子本身且不存在惯性效应时，粒子以施加流的速度移动，并遵循杰弗瑞轨道。

然而，当粒子被插入尺寸与通道尺寸相当的微流控装置时，粒子被限制在特定的系统中，情况完全不同。一方面，墙壁增加了边界，并为流动施加了零速度条件。另一方面，颗粒作为流动的移动障碍。可以定义两种类型的限制。当粒子被通道的侧壁限制时，它们会经历横向限制。当它们被通道的顶壁和底壁限制时，它们经历横向限制。当然，一个粒子可以被横向和横向限制(图2)。

图2：各种受限和非受限颗粒：(A)垂直于压力驱动流的纤维，由通道壁(左)和纤维的横截面限制，其高度与通道高度相当，(B)尺寸分散的液滴在载体流体中自由流动(A)，由通道壁约束的液滴(B)[4]，(C)Hele-Shaw单元格中由顶壁和底壁约束的液滴周围的流线示意图。

气泡、液滴和纤维的形成：微流控通道中受限几何结构的优势

与无界流动中的流体界面相比，微流控装置中受限的流体界面呈现出不同的行为，特别是因为受限几何形状中的毛细不稳定性被抑制了。因此，使用微流控装置可以惊人地控制气泡和液滴的大小、形状、均匀性和形成速度。根据微流控装置的几何形状，主要使用三种不同的形成技术：共流、错流和聚焦流几何(图3a[9])。相关项目和技术，如简易液滴生成组件，在过去几十年中已经开发出来，证明并利用微流控装置形成均匀和大量的气泡和液滴的奇妙优势。

为了研究微流控通道中流动的纤维并避免将其引入通道时的堵塞，最好的解决方案是使用基于显微镜的投影光刻方法原位制造它们。选择在紫外光下交联的光敏溶液在微流控通道中由压力控制器驱动。紫外线通过快门和面罩投射到显微镜下的通道中。当流动停止并在光照下时，目标流体区域在数百毫秒内聚合(图3b)。由于沿顶壁和底壁的层中有溶解氧渗入PDMS，因此在这些区域内不可能进行溶液聚合。这些持续的抑制层的存在防止了纤维粘在壁上。该制造技术利用抑制层来产生能够在通道中间自由流动的纤维。在抑制层不变的情况下，通过改变通道高度来控制纤维的限制(定义为纤维高度和通道高度之间的比率)(图3c)。该技术的多功能性使得能够通过调整曝光时间、掩膜的几何形状和微通道的高度来制备具有不同机械性能、形状和限制的原位纤维。

图3：在微流控装置中直接形成颗粒的技术：(A)液滴产生的三种主要几何形状的图示：同流流(上)、横流(中)和带有拉长流的流聚焦几何结构(下)，(B)用于原位制造聚合物纤维的停流光刻装置。光敏溶液通过纤维形状的掩膜被紫外光照射。聚合目标流体区域，(C)示出如何通过调节微流体通道的高度来控制颗粒的限制的示意图

微流控装置中受限气泡和液滴的操纵

利用液滴产生的体积和频率的精确控制和高度均匀的优点，液滴得到了广泛的研究。本综述选择介绍四种不同的研究，涉及液滴和气泡的性质和在微流控装置中的传输，其中限制导致特定的特征。
在基于液滴的芯片实验室设备的范围内，人们需要了解在不需要外场的情况下控制受限液滴的合并和不合并行为的条件[18]。为了有效的聚结，需要控制液滴的局部曲率，并保持较低的碰撞速度。如果系统不符合正确的标准，则会观察到分裂和滑动(图4a)。
关于液滴的形成，大多数微流控装置都是借助流体动力。为了简化设备操作，仅利用微流控设备的几何特性来创建液滴是一个真正的优势。通过将高度变化和限制梯度结合到系统中，液滴的产生和自我推进是可能的(图4d)。
受限气泡可用于根据颗粒的大小对其进行分类。直径小于气泡壁隙厚度的颗粒在薄膜中运动，不会与气泡界面发生碰撞。其他的则被气泡捕获(图4b)。通过调节气泡的速度，可以容易地改变润滑膜的厚度。
被限制在Hele-Shaw几何结构中的传输液滴的动力学具有丰富而有趣的研究和控制，以便开发一种在微流控装置中混合和传输固体的方法。当一对液滴或三个液滴的组装被传输时，动力学变得更加复杂，出现反弹、对交换和重定向过程等现象(图4c)。当组件被横向约束时，可以观察到侧壁之间的振荡。可以观察到与下一节中描述的刚性纤维的传输有一些相似之处。

图4：微流控装置中受限气泡和液滴的操纵：(A)液滴在微流控T形结处的碰撞，液滴立即或延迟合并、分裂和滑动，取决于液滴的速度和大小；(B)利用受限气泡的运动按大小分离颗粒[20]；(C)Hele-Shaw池中传输的液滴对的动力学：实验(A)和计算(B)。这对液滴旋转并倾向于与流动对准，(D)使用限制梯度而不是流体动力来产生和操纵液滴。设备的几何形状控制着液滴的大小。

受限刚性粒子在微流控装置中的传输

传输动力学在受限几何结构中是非常独特的，并且取决于纤维的对称性水平。具有两个对称轴的细长纤维与具有一个或零个对称轴的纤维相比，遵循不同且真正特定的轨迹。
在Hele-Shaw盒中，当具有两个对称轴的细长纤维受到横向约束时，其速度会降低。由于顶壁和底壁引入的粘性摩擦，纤维不再以施加的流动的速度输送。此外，研究还表明，纤维的速度取决于其取向，垂直于气流的纤维比平行于气流的纤维运动得快。。结果表明，对于初始取向不同于0°和90°的传输光纤，观察到横向向通道壁的漂移运动。漂移运动的重要性随着横向约束的增加而增加(图5a)。因此，可以通过横向连接来调整轨迹，然后可以根据粒子的限制对粒子进行分类。
对于受限微流控通道中前后不对称且只有一个对称轴的粒子，其轨迹取决于它们的几何形状，但它们都呈现出相同的行为和重定向过程。对于不同大小的ff液滴对(图4c)、刚性不对称哑铃颗粒(图5b)或T形颗粒(图5c(C))，观察到了一种旋转，以使镜轴与流动和上游最大的块对齐。动力学的时间尺度很大程度上取决于粒子的形状。
在实际情况中，它更有可能具有相对于所有轴具有小不对称性的粒子。因此，研究无对称轴的粒子在受限微流控通道中的运动轨迹是非常重要的。对于完全不对称的颗粒，如L型纤维，观察到了一个重新取向的过程，直到一个平衡取向，随后是漂移运动，最后与侧壁相互作用(图5c(D)、(E)和(F))。类似的动力学已经用数值方法进行了演示。
当通道的侧壁靠近颗粒时，在之前的情况下增加了侧向约束。据报道，直纤维和刚性纤维[25](图5c(A)和(B))、哑铃状颗粒[21]和成对的液滴[7]在壁面之间发生了振荡。
所有这些研究表明，基本输运动力学取决于粒子的对称性、形状和限制。然后，通过在微通道内的定向输送、颗粒分选或捕获中的应用，可以精确地控制颗粒轨迹。

图5：受限刚性颗粒在微流控装置中的传输：(A)具有不同取向(平行、垂直或以45°角取向)的直纤维和刚性纤维(两个对称轴)的轨迹。每个位置都按图中所示的时间间隔进行记录。对于具有一个对称轴的粒子的轨迹，顶行和底行的约束分别为0.4和0.8。(C)具有不同几何形状的纤维的轨迹，从两个对称轴(直纤维)到无对称轴(L形纤维)，表现出振荡、旋转和漂移

受限柔性纤维颗粒在微流控装置中的传输

当约束纤维具有柔韧性时，纤维仍然起到移动障碍的作用，并与通道的顶壁和底壁发生摩擦，但在纤维变形和传输之间引入了耦合。这导致了更复杂的动力学，因为流动的扰动导致了沿纤维的压力和力的不均匀分布。如果纤维被垂直于流动方向输送，则在经历重新取向过程并与流动方向对齐之前，它会变形为C形。对于大于0.6的限制，观察到强烈的影响：限制越大，变形越强(图6[6])。复杂的柔性颗粒在受限流动中的变形和输运是非常有意义的，因为它们与红细胞和囊泡相似。

图6：微流控装置中受限柔性纤维的传输：具有不同初始取向的被传输柔性纤维的图像叠加。纤维经历变形和重新取向过程

利用微流控装置中的限制的其他应用

控制微流控通道中颗粒的尺寸和传输特性并不是利用限制的唯一方法。在生物和化学的许多应用中，药物的检测必须是快速和有效的，需要进行小体积的反应，并且需要很好地控制体积。
为了克服这些挑战，人们可以使用垂直流，以便将介质样本限制在生物传感器表面，从而提高检测率(图7a)。将溶液或生物体限制在液滴中，称为胶囊化，已被证明是非常有用的，并使广泛的应用成为可能，如检测细菌或抗体治疗中的单细胞胶囊化。在这一领域的改进范围内，结合了现有技术[30]，并开发了新的技术--例如，改善液滴内纳米复合体的物理性质(图7b

图7:利用限制的其他方法:(a)有效地将介质传递到生物传感器表面，(b)将DNA和聚阳离子溶液封装成单个液滴

综上所述，利用微流控器件中的限制效应，可以制备出性质可控的粒子，并研究其输运动力学。这些知识能够创造新的技术和想象新的应用，从而在医学、生物和化学领域做出改进.