微流控液滴芯片：材料的筛选与合成

微流控液滴芯片是微流控芯片的一种重要模式,液滴的核心功能是微反应器。 微流控芯片液滴通量极高,体积极小,它当然应该在以反应为基础的材料筛选和材料合成领域找到应用出口。

对不同材料作高通量筛选是微流控液滴芯片应用的一个重点领域。 比如,对基于小分子库的新药筛选而言,体量大到百万级别,如果采用常规方法筛选,成本极高,耗时极长,作为已知的最小微反应器的微流控液滴芯片, 应是解决这一类问题理想的替代技术。

一般而言,液滴的直径从 5μm到 120μm ,也即体积从 0. 05 pL 到约 1 nL,通常的产生速率为 1 kHz,一天处理的样本量多达10^8  ,如果用一个有缺口的分配器代替原有的硬质分配器,分选过程更 可提高 10 倍 ;液滴运行过程的噪声很低,稀有粒子的有效浓度可以提高,液滴的包裹又杜绝了液滴内的物质和通道壁接触的机会,因此使液滴内的物质的检测灵敏度得以保证;微流控液滴芯片还有一个特别重要的优点,即承载所有这些液滴运动的流体精准可控。

Staffan 等把液滴微流控芯片用于工业酶的筛选。 他们用紫外光照射可产生全基因变性的酵母细胞 库,加入溶剂使酵母溶解,经超声分散和再稀释后,将其和荧光酶底物一起包进液滴,被包进液滴的酵母 细胞产生酶,消化底物, 因此增加液滴的荧光,在孵化后,将液滴按荧光强度的不同分开 。 另一个例 子是分选抗生素抗性不同的细菌,细菌按抗生素抗性不同可分为强弱两类,通常较弱的会过度生长,常 规分类的做法是培养,稀释,并涂布在琼脂板上,使之相互隔离,这种方法耗时长达数天,Balaban 等用微流控芯片液滴把单一的细菌包裹在液滴中,在 1000 Hz 频率下把不同抗生素抗性的细菌检测出来, 并按抗性强弱分开。

除了上述酶筛选、细菌筛选外,液滴微流控芯片也已被广泛用于抗体筛选,甚至是对循环肿瘤细胞 CTC 等单个细胞和单个分子的高通量筛选。 浙江大学方群等发展了一种基于液滴顺序操作阵列的系统,可自动顺序完成超微量液体的复杂操控,并将其成功应用于酶和细胞的筛选,蛋白质结晶条件的筛选,以及单个 Huh 细胞内 miRNA-122 的实时定量 RT-PCR 检测。

除了材料筛选, 当然还有材料合成。 事实上,液滴操控灵活,形状可变,大小均一,又有优良的传热传质性能,可灵活调节被合成颗粒大小、粒径分布、形貌、组成、结构以及物理化学性质,因此在材料领域,特别高附加值微颗粒材料的合成领域,显示出有别于现有技术的巨大潜力,其中,复杂形状微粒因其特殊的形态和在一个单一粒子上集成不同功能的能力, 在很多科学技术领域备受关注,而与工业接近的部门甚至提出了规模量产的要求。

张清泉等采用微阀控制法,严格控制单个液滴的形成和大小变化,单独或者组合调节长度、键合角度、内部大小序列和化学组成序列等 4 种参数,准确制备了多种具有不同各向异性特征的微颗粒。 他们还建立了一种基于双乳液的形貌可控微颗粒合成的方法:设计并制作了一种双乳液形成芯片,利用芯片通道内的局部表面修饰,以及 T-通道和流动聚焦的两级液滴形成单元产生双乳液(O/ W/ O),在微 通道的几何限制和界面聚合反应抑制的协同作用下,制备了弯月形或多足形的水凝胶微颗粒,克服了采 用单一效应对颗粒形貌控制的局限性 。 Nisisako 等采用三元液滴结构,在中间的液滴进行选择性聚 合反应,同时在通道内灌注一种对光敏感的流体和两种对光不敏感的流体,借助于混流液体表面张力和 剪切力所导致的不稳定性,使多元液流分散进入三元液滴,三元液滴中对光不敏感的流体被固定在圆柱 型微毛细管内,用紫外照射得到了球型或均一的两面凹型粒子。 大连化学物理研究所李春林等采用微流控液滴技术,使来自沉淀相的沉淀剂经液滴界面进入,提升 pH 值,沉淀固化液滴,根据液滴中所含溶质 沉淀快慢等参数的不同,分别制得实心微球,空心微球和二面空心微球,所得微球的比表面积不同,尺寸均一。

微流控液滴发生芯片