微流控芯片微液滴的操作方法

      微液滴操控包括微液滴生成和微液滴驱动,按生成方式可以将操控微液滴的方法分为两大类。一类是被动法,即通过对微通道结构的特别设计使液流局部产生速度梯度来对微液滴进行操控,主要为多相流法。该法的主要特点是可以快速批量生成微液滴;另一类是主动法,即通过电场力热能量等外力使液流局部产生能量梯度来对微液滴进行操控,主要包括电润湿法、介电电泳法 、气动法和热毛细管法 ,该法的主要特点是可以对单个微液滴的操控。 

2. 1　多相流(multiphase flow)法

       其原理是通过对流体微通道结构的独特设计以及对流体流速的控制,利用液流间的剪切力、黏力和表面张力的相互作用,使分散相流体在微通道局部产生速度梯度,从而被拆分生成微液滴,产生的微液滴均匀地分布在互不相溶的连续相中,形成单分散系统。有时为了减小表面张力,生成稳定的微液滴,还可以向液流中加入表面活性剂 ,但在多数情况下应尽可能避免添加,以防给分析物和试剂带来污染。多相流法的优势在于易对批量微液滴进行整体操控,而且实验装置简单,对芯片要求较低,其不足之处是较难实现对单个微液滴的精准操控。 

2. 1. 1　T型结构　T型结构是最简单和最早用于研究微液滴形成条件的微通道结构。Nisisako等报道了一种分散相通道与连续相通道互相垂直的T型结构(如图1a所示) 。他们以水为分散相,油为连续相,通过对连续相流速的改变(0. 01～0. 15 ms- 1 ) ,在T型通道内生成粒径100～380μm微液滴,且连续相与分散相流量比越大,微液滴生成速率越快。Nguyen等对T型结构中微液滴的生成速率进行了理论分析,发现微液滴生成速率与连续相平均流速的4次方成正比,为准确地控制微液滴奠定了基础。

 2. 1. 2　Y型结构　与T型结构相比,在相同条件下, Y型结构(如图1b所示)中连续相对分散相的剪切力较小。因此,仅仅利用Y型结构对微液滴进行操控并不多见。目前一般都是利用T型结构和Y型结构叠加在一起形成的组合结构,对微液滴进行操控。Zheng等[报道了一种这样的组合结构,并运用这种组合结构作为平台,生成了用于研究蛋白质结晶条件的微液滴。 

2. 1. 3　十字交叉型结构　十字交叉型结构又称双T型结构,其最大特点是它可以生成相间且互不干扰的两种微液滴 (如图1c所示) 。与T型结构相比,十字结构不仅能产生单分散更好的微液滴,而且能产生半径小于100 nm的亚微液滴 。最近, Hua等还对微液滴生成模式进行了数值模拟。

2. 2　电润湿( electro wetting on dielectric, EWOD)法

       基于介质上的电润湿法是一种电控表面张力驱动法 。它通过对介质膜下面的微电极阵列施加电势来改变介质膜与表面液体的润湿特性,即通过局部改变微液滴和固体表面的三相接触角,造成微液滴两端不对称形变,使微液滴内部产生压强差,从而实现对微液滴的操作和控制。吴建刚等研制出一种基于EWOD机制的可编程数字化微流控芯片。结果表明,在35 V低驱动电压下实现了约0. 35μL和0. 45μL去离子水微液滴的传输和合并,并在70 V驱动电压下实现了0. 8μL微液滴的拆分等操作。Srinivasan等运用EWOD法成功地操控了含有人体体液的微液滴,其装置如图2所示。Dubois等运用EWOD法对微液滴进行操控,从而对宏观和微观范围内Grieco三组分缩合反应速率进行比较。这种方法最大的优点是可以对单个微液滴进行精准操控,包括微液滴的拆分、传输和混合。因为要在芯片上集成微电极,还需要配置可编程微电极开关控制系统,所以,对芯片系统的要求较高。另外,这种方法也不适合对大量微液滴的操控。

2. 3　热毛细管( thermocap illary)法

       热毛细管法是指对液体局部加热,使之产生热梯度, 改变液体局部表面能, 实现对液体的操控。Darhuber等设计了在固相表面集成可编程控制的微加热器阵列装置,实现了微液滴传输、混合和反应的操控。该方法也可对单个微液滴进行操控,但不适合对微液滴内热不稳定物质如酶、蛋白质的分析。

2. 4　介电电泳( dielectrophoresis)法

       介电电泳指在空间非均一电场下的颗粒,由于其相对于周边介质的诱导偶极距不同而产生的电迁移。Schwartz等证明了可以利用介电电泳对微液滴进行操控。他们利用程序控制的二维微电极阵列操控了纳升级液滴的生成、移动和混合反应。Singh等不仅利用介电电泳法操控了微液滴的移动、分离和混合,还对处于电磁场中微液滴的运动进行了数值模拟,且实验结果与模拟结果相一致。介电电泳法也能对单个微液滴实现较好操控,但是其操控力度在很大程度上取决于外加电压的大小。

2. 5　气动( pneuma tic pressure)法

       气动法是一种利用气体压力(正压或负压)作为剪切力和驱动力操控微液滴的方法。Hosokawa等在以PDMS为基片和PMMA 为盖片的芯片上利用空气压力生成微液滴,以憎水微毛细管通道(HMCV)为阀门,对阵列气动管道进行控制,生成了两种不同组分微升级液滴,再利用空气产生的正负压力使之快速混合,并对混合后的微液滴进行了检测。运用此原理,他们在由硅和玻璃组成的微流控芯片上生成了纳升级液滴,并对微液滴的形成条件进行了理论分析 。由于微液滴有部分暴露在气体中,因此,该方法不适合对含有易挥发性成分的微液滴进行操控。

作者：张凯 胡坪 梁琼麟 罗国安