微液滴的应用

微流控芯片液滴作为一种全新的技术，可应用于研究微尺寸上的反应及其过程，其具有以下优点：（1）体积小：将分析样品根据实验需求分割为微液珠，每个微液珠即为一个独立的微反应器。液滴尺寸小，所需样品量极微，不但避免了试剂浪费，而且可以对单个微反应器进行连续研究，特别适用于高通量筛选反应和样品来源极有限的反应。（2）样品无扩散：样品溶液被不相容的油包围，保持了样片浓度的稳定。（3）反应条件稳定：液滴内反应条件几乎不受外界影响。（4）样品间的交叉污染得以避免：每个液滴都被不相容的油相包裹，液滴与通道壁不直接接触，相邻液滴被油相分隔，且所有的液滴随油相一起运动，避免了相邻液滴间的物质交换，消除了样品间的污染。（5）混合迅速：在微纳米级的微通道中，由于雷诺系数小，微通道内流体一般形成层流，混合主要靠分子扩散。液滴在通道中运动时，在液滴内部将以运动方向为轴，形成两个循环回流。因此混合速度很快，一般只需数秒甚至数微秒便可以实现快速均匀的混合。基于以上优点，微流控液珠系统被广泛应用于不同领域，包括微反应器、功能性液珠、固体颗粒制备、光学单元等。

蛋白质结构解析是结构生物学的基础，得到所需蛋白的单质结晶是确定整个蛋白质结构的一个主要瓶颈。芝加哥大学的Ismagilov研究组提出了一种芯片中高效简单的蛋白质单晶条件筛选新方法。他们在“T”形管道芯片中的节点处控制产生微液滴，形成一个个单独分散的微反应器，并在下游直接由X 射线衍射出微液滴中蛋白单晶的衍射图，从而最终确定蛋白质分子的结构。通过控制各个分支管道中的流量，可以精确地控制蛋白和共沉淀剂的比例。

微流控液滴技术有可能成为高通量，甚至超高通量筛选的主流平台。美国哈佛大学的Weitza研究组构建了一套基于微流控芯片液滴技术的超高通量筛选平台。该研究将分散在油相中的液滴作为纳升级反应器，每秒钟可筛选上千个反应，利用这一系统进行酶的定向进化筛选，筛选出的突变型辣根过氧化酶的催化速度较其亲代酶高10余倍。首先对约107个原始样本进行超高通量的初筛，得到大约100个活性较高的突变型辣根过氧化酶。通过第二轮更严格的筛选，得到了更高效的突变型辣根过氧化酶。他们仅仅用了10h完成了对108个酶反应的筛选，总试剂消耗量小于150 μL。与现有技术相比，该方法的筛选速度提高了1000倍，而费用只是现有技术的100万分之一。

微流控液滴技术用于生物学研究。秀丽隐杆线虫是一种重要的模式生物，传统线虫研究通常采用手工操作，通量低、耗时长，难以实现对单个线虫的精确操控。液滴特有的微尺寸特征与线虫大小相匹配，加之芯片灵活设计和规模集成的特点，非常适合以线虫为对象进行高通量个体生物学研究。大连化学物理研究所等以芯片上纳升级高通量液滴作为平台，以模式生物线虫帕金森病药理学模型为对象，建立了一种基于液滴微流控技术的模式生物药物筛选系统，用于研究神经毒素诱导线虫产生的运动、神经元变性和氧化应激等多种行为。该研究设计了一种多层微流控芯片，集成有液滴生成器、液滴捕获阵列和楔形通道阵列等结构，可以把单一线虫从群体中隔离出来，并逐一实现单个线虫液滴包裹、运动行为监测、线虫固定以及荧光成像等多个操作步骤。

微流控液滴技术用于液相色谱柱后的样品收集及离线质谱检测。美国密西根大学的Li等利用芯片微通道两相液体中的油相（如全氟萘烷）连续流分割内径为75 μm色谱柱的水相流出物并形成液滴，实现了毛细管液相色谱柱后纳升级样品片段的收集。他们把依此形成的液滴存贮在管内，并通过微泵灌入纳米喷雾发生器的尖端，再经电喷雾电离质谱（ESI-MS）实现样品的表征。这种方法允许在分析过程中改变通道内液体流速，尤其是可通过降低流速来延长对选定片段的MS分析时间，提高结果的置信程度，样品的分析速率超过2Hz。