液滴微流控系統(tǒng)是微流控芯片領域的一個新的分支，由于其諸多獨特的優(yōu)勢而得到了廣泛的研究和報道。液滴微流控芯片技術(shù)近年來廣泛應用在化學與生物化學分析等領域中。

1.液滴微流控芯片技術(shù)來源

微流控芯片實驗室的研究起始于20世紀90年代初，Manz等開展了早期的芯片電泳研究并提出了微全分析系統(tǒng)的概念。早期的芯片實驗室研究工作主要集中在連續(xù)流微流控系統(tǒng)。近年來，微流控芯片領域出現(xiàn)了一個新的分支———非連續(xù)流微流控系統(tǒng)，亦被稱為液滴微流控系統(tǒng)。液滴微流控系統(tǒng)使用不相溶的兩相流體在微孔道界面處形成液滴 ，這類液滴的體積通常在納升至皮升范圍內(nèi)。相對于連續(xù)流微流控系統(tǒng)，液滴微流控具有體積小、低擴散、無交叉污染、快速的反應動力學等特點，并且具有高通量分析的潛力。自液滴微流控的概念提出以來，經(jīng)過幾年的發(fā)展，液滴微流控制備技術(shù)已日趨成熟；同時，液滴的分裂、融合、混合、 分選、存儲和編碼等豐富多樣的操控技術(shù)也都有廣泛的報道。液滴微流控技術(shù)的成熟使其逐步應用于化學和生物化學分析等諸多領域。

2.液滴微流控制備技術(shù)

在微流控芯片的孔道中，兩相互不混溶的連續(xù)流體在其界面處會生成穩(wěn)定、有序的非連續(xù)流，即液滴。通過調(diào)節(jié)芯片孔道的幾何構(gòu)型、表面化學性質(zhì)和流體流速等條件可靈活地調(diào)節(jié)液滴的大小和生成頻率。目前，液滴微流控的制備主要有3種方式：正交結(jié)構(gòu)（T-junction）、流式聚焦（flow-focusing）和共軸流（co-axial flow）。

2.1正交結(jié)構(gòu)液滴微流控制備技術(shù)

在“T”型芯片的正交孔道中，分散相（通常為水 相）被垂直地引入到不相溶的連續(xù)相（ 通常為油或 氣體）中，在兩相的界面處分散相被連續(xù)相“ 切割” 生成液滴。Thorsen等首次使用正交結(jié)構(gòu)芯片并以水為分散相、油為連續(xù)相制備液滴。Chen等在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材質(zhì)的“T”型芯片中對流體的流型和液滴的生成機理進行了研究。在單級“ L”型芯片制備液滴的基礎 上，雙“T”構(gòu)型的芯片被用來制備更為復雜的液滴流。

2.2流式聚焦液滴微流控制備技術(shù)

不同于“T”型芯片的正交構(gòu)型，流式聚焦是把3條流路聚焦于一個孔道中，外圍流路中注入連續(xù)相，而分散相從兩條連續(xù)相中央的孔道引入，外圍兩連續(xù)相流路通過施加壓力和黏滯力把中間的分散相切分為液滴。Anna等使用流式聚焦芯 片首次對液-液體系液滴的生成進行了研究，并使用該構(gòu)型的芯片制備了單分散和多分散的液滴乳液。Takeuchi等使用軸對稱的流式聚焦芯片制備了高均一度的聚合物包裹液滴，這種軸對稱聚 焦可以將液滴局限在芯片孔道的中心軸上，從而避免了液滴與芯片的孔道發(fā)生接觸，同時使液滴免受剪切力的影響。在流式聚焦基礎上，Abate等還引入隔膜閥來調(diào)控液滴的生成，無需調(diào)節(jié)流速即可控制液滴的大小及其生成頻率。作為流式聚焦法的延伸，Hashimoto等采用多個流式 聚焦結(jié)構(gòu)并聯(lián)，考察了液滴的平行制備。

2.3共軸流（Co-axial flow）液滴微流控制備技術(shù)

共軸流是一種真正意義上在三維尺度制備液滴的方法。該方法是在芯片孔道中心軸上內(nèi)置一個拉制成尖嘴的石英毛細管(汶顥提供微流控芯片實驗室配件耗材)，管內(nèi)的分散相和管外的連續(xù)相平行流動，在內(nèi)置毛細管的尖嘴出口區(qū)域生成液滴。Cramer等首次在微流控系統(tǒng)中應用這種模式來制備液滴，并提出兩種不同的液滴生成機理，即：毛細管尖端直接生成液滴或在尖端下游分散相噴射區(qū)生成液滴。Utada等對共軸流模式下兩種液滴生成機理的轉(zhuǎn)變進行了研究，指出這種轉(zhuǎn)變?nèi)Q于外圍連續(xù)相的毛細管準數(shù) 和中央分散相的韋伯數(shù)。Panizza等集成了多個共軸流模塊用來制備不同大小、形狀和結(jié)構(gòu)層次的乳液和顆粒。

3.液滴微流控操控技術(shù)

液滴制備完成后，為了實現(xiàn)向液滴內(nèi)引入目標 樣品、完成液滴內(nèi)反應物的充分混合以及液滴內(nèi)涵物的分析檢測等功能操作，液滴的操控技術(shù)必不可 少。壓力、介電電泳、磁場、光誘導和熱梯度等諸多 操控手段已被應用于液滴的分裂、融合、混合、分選、 存儲和編碼等操作中。

3.1液滴的分裂

對液滴進行分裂可以減小液滴的體積、調(diào)控液 滴內(nèi)樣品的含量。目前文獻報道的液滴分裂方式有 主動分裂和被動分裂兩種。Chiou等報道了一種利用光誘導電潤濕（optoelectrowetting）效應進行液滴主動分裂的方法。光照射到OEW表面可以改變聚四氟乙烯涂層的潤濕 能力，基于電潤濕機理通過控制表面張力驅(qū)動液滴 分裂。Link等通過控制芯片的結(jié)構(gòu)在壓力驅(qū)動 的非連續(xù)流中實現(xiàn)了液滴的被動分裂。他們分別采 用正交結(jié)構(gòu)和在芯片孔道中內(nèi)置障礙物兩種方法考 察了液滴分裂的精確調(diào)控。主動分裂的機理復雜，單次只能控制一個液滴的分裂，分裂的效率低。被動分裂的機理和操控相對簡單，分裂的效率高，在高通量化學和生物監(jiān)測方面有較好的應用前景。

3.2液滴間的融合

化學反應往往涉及多種物料，向液滴內(nèi)引入試劑來引發(fā)、加速、減緩或終止化學反應等一系列操作 都需要通過液滴融合技術(shù)來實現(xiàn)。在芯片孔道中實 現(xiàn)液滴間的融合需要滿足兩個基本條件：一是讓液 滴相互接觸；二是要克服液滴間的表面張力。Niu等報道了在芯片孔道中設計“小柱”結(jié)構(gòu)，通過調(diào)控連續(xù)相的流阻和分散相的表面張力來控制相鄰兩液滴的融合。Zagnoni等對電場控制芯片孔道內(nèi)單分散液滴間的融合進行了系統(tǒng)考 察，在低電場下液滴成對地融合，在高電場下單分散 的液滴發(fā)生大規(guī)模的融合。除了電場驅(qū)動，漩渦光 束也被應用于控制液滴的融合。在其背景連續(xù)相中，漩渦光束可以穩(wěn)定可控地操控兩目標液滴的 融合，其操控更具有靈活性和精確性。

3.3液滴內(nèi)的混合

反應物的混合程度對于化學合成和反應動力學的研究至關重要。宏觀系統(tǒng)的混合過程基于湍流混 合和層流混合機制。然而在微流控系統(tǒng)中，孔道的 特征尺寸往往在微米級，流體的流速通常較低，雷諾數(shù)遠小于2000，流體混合主要基于層流混合機制，分子擴散的影響十分顯著。在連續(xù)流微流控系統(tǒng)中可采用微混合器控制流體混合，然而在液滴微流控系統(tǒng)中需要有選擇性地控制液滴內(nèi)反應物的混合，同時又不對液滴流體系造成破壞，操控難度相對較大。Song等報道了一種簡便、快速控制液滴內(nèi)樣品混合的方法：將芯片的內(nèi)孔道設計成“S”形彎道，當液滴流經(jīng)不同弧度的彎道時其間歇性的構(gòu)型變化將在液滴內(nèi)部形成對流，依靠 這種對流作用可以完成液滴內(nèi)極快速的混合過程（約2ms）。Paik等報道了一種電潤濕法（elec-trowetting），通過施加電壓調(diào)控液滴的表面張力,在液滴流經(jīng)電極陣列的過程中完成液滴內(nèi)的混合， 微升級的液滴在5s之內(nèi)得到有效混合。

彎道構(gòu)型芯片控制液滴內(nèi)的快速混合

3.4液滴的分選

液滴分選主要是為了從大量的液滴中分選出感興趣的目標液滴，并對其進行精確的調(diào)控和進一步 操作。液滴的分選需要基于液滴之間某種性質(zhì)的差 異，分選的操控往往比較復雜。Tan等報道了一 種通過調(diào)控雙分岔正交孔道的幾何構(gòu)型和支路流速 的方法對液滴進行被動分選，無需電極和微閥的調(diào) 控即可對不同大小的液滴進行分選。此外，重力場 也被應用于控制液滴被動分選。相比于被動分選法，主動分選的可控參數(shù)較多，因而主動分選法對液滴的操控更具有靈活性。Ahn等報道了使用介電電泳控制液滴快速分選的方法，分選速度高達1.6kHz。Baround等報道了一種 使用激光操控液滴進行分選的方法，利用激光的照射來阻礙水-油界面的運動，在兩相中其作用類似于一個微閥，進而調(diào)控液滴的分選。

3.5液滴的存儲

批量地制備液滴之后，往往要采用離線的模式對逐個液滴進行分析和檢測。與此同時，考慮到液滴內(nèi)的混合和反應通常也需要較長時間來完成，在制備完成之后就需要對液滴進行存儲。由于液滴被不相溶的連續(xù)相所間隔，液滴可以長時間地存儲而彼此之間不產(chǎn)生交叉污染。Lin等報道了一種多 重孔道結(jié)構(gòu)的微流控芯片對液滴進行俘獲存儲，并對封裝入液滴內(nèi)的單個秀麗隱桿線 蟲對于神經(jīng)毒素的刺激性反應進行了研究。不同于俘獲存儲的方法，Zhang等報道了使用毛細管直接對液滴進行收集存儲的方法。這一存儲方法操作簡便，無需特殊設計的芯片結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)，且收集量沒有嚴格限制（只需延長管路長度即可）。

3.6液滴的編碼

在液滴制備過程中，封裝入每個液滴內(nèi)的樣品往往不盡相同。因此對每個液滴進行編碼就顯得尤為重要，特別是當制備的液滴數(shù)目巨大的時候。液 滴的編碼是液滴微流控技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合，液滴的編碼標記可以確保對每一個液滴進行尋址追 蹤和精確操控，也可以選擇性地對目標液滴進行操 控和分析，可以大幅度地提高分析的針對性和工作效率。在液滴編碼標記的研究中，Zheng等首先報道了使用“ 液滴對”來標記液滴。即每一對液滴包括一個常規(guī)的含有反應物的液滴和一個染料液滴，兩個液滴形成對應關系，通過染料液滴來標記含有反應物的液滴內(nèi)的組分，該標記方法被成功地用 于蛋白質(zhì)結(jié)晶條件的檢測。Zhang等報道了使用 Portex管對液滴進行順序存儲的方法。該方法將毛細管液相色譜洗脫物順序“ 封存”入多個液滴 中進行儲存，并建立了色譜圖與編碼液滴的對應關 系，相當于將一張色譜圖以液滴的形式保存下來。接下來，類似于“ 中心切割”二維分離模式，對于感興趣的目標液滴，通過毛細管電泳進行進一步的分離 分析。Schmitz等報道了使用陣列的腔體對液滴進行俘獲，并對俘獲后的液滴進 行編碼標記，這使得在數(shù)目巨大的液滴群中對單個 液滴進行研究成為可能。

2.液滴微流控芯片在生化分析中的應用

液滴微流控體系具有一系列獨特的優(yōu)點：體積小，降低了樣品和試劑的用量；比表面積大，熱傳遞較快；液滴內(nèi)的再循環(huán)有利于快速混合；液滴之間相互獨立，沒有擴散和交叉污染；潛在的高通量分析能 力等。隨著液滴的分裂、融合、混合、分選等操控技 術(shù)的日趨豐富與成熟，液滴微流控技術(shù)正逐漸成為化學分析和生物化學分析中一種具有良好應用前景的工具。

5.液滴微流控應用前景

液滴作為一種全新的、極具發(fā)展前景的微流控 技術(shù)已經(jīng)引起了人們的廣泛關注，相關的研究已取 得了一系列令人矚目的進展，目前該領域仍處于高 速發(fā)展的階段。液滴微流控技術(shù)未來的發(fā)展趨勢大致包括以下幾個方面：

5.1微流控芯片材料及加工技術(shù)。

迄今為止很多材料被用來制備微流控芯片，如硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸 酯（PC）、聚環(huán)烯（COC）等。與此同時，不斷有新的材料被應用于芯片的加工，簡單、穩(wěn)定的芯片材料以及低成本的芯片加工工藝將促進液滴技術(shù)更廣泛地被接受和應用。

5.2高靈敏度、高通量的液滴微流控分析檢測技術(shù)。

液滴微流控芯片可操控納升至皮升級的液體單元，從微流控到納流控，操控的液滴體積將進一步縮小，同時液滴的數(shù)量往往十分巨大。為了實現(xiàn)對復雜液滴微 流控體系的監(jiān)控與操作有必要發(fā)展高靈敏度、高通量的液滴檢測技術(shù)。

5.3更為豐富和可靠的液滴操控技術(shù)。

液滴的操控技術(shù)對于完成一系列的單元操作至關重要，到目前為止雖報道了很多液滴操控技術(shù)，但其仍然有巨大的發(fā)展空間。更為豐富的操控技術(shù)能帶來更多功能的單元操作，而更高可靠性的操控技術(shù)將使系統(tǒng)更加強健。

5.4單元操作的集成化。

微流控芯片的真正優(yōu)勢在于其規(guī)模集成。集成有多個操作單元的液滴微流控系統(tǒng)可以實現(xiàn)更為復雜和強大的功能，有望實現(xiàn)真正的“芯片實驗室”。

5.5應用領域的進一步拓展。

液滴微流控技術(shù) 雖已應用于化學分析和生物分析等領域，但其獨特的優(yōu)良性質(zhì)在諸多領域的應用仍有待進一步發(fā)掘。

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