北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院劉趙淼教授課題組在英國皇家化學(xué)學(xué)會期刊《RSC Advances》上發(fā)表最新綜述成果——基于微流控系統(tǒng)的分子濃度梯度生成方法（Concentration gradient generation methods based on microfluidic systems）。該文章的主旨聚焦于微流控技術(shù)的重要應(yīng)用——分子濃度梯度，歸類總結(jié)了利用微流控系統(tǒng)生成分子濃度梯度的不同方法?？傮w上，根據(jù)濃度生成通道中有無流動液體的剪切作用將生成方法分成兩種，每一種方法又可以依照多種不同原理或結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，文中針對每種方法的結(jié)構(gòu)特點、濃度形成機(jī)理、理論計算公式、適用范圍以及優(yōu)缺點等進(jìn)行了詳細(xì)闡述與比較。

近年來，微流控技術(shù)已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，其中很重要的一部分就是分子濃度梯度的生成，事實上，大部分涉及到活性、效率和毒性檢測的生化反應(yīng)都需要試劑的不同濃度梯度，包括細(xì)胞在培養(yǎng)液中的生長、遷移和應(yīng)激抵抗，重金屬毒性檢測，粒子或纖維等材料制備，生物酶活性檢測，蛋白質(zhì)在線表達(dá)等。此外，通過精確復(fù)制生物體內(nèi)液體的各種濃度變化曲線，可以在體外環(huán)境下模擬不同細(xì)胞的活動狀況，有助于更加方便且深入地了解人體工作機(jī)制，以及探究炎癥、傷口和癌癥等病癥下的藥物傳遞效果和生物修復(fù)機(jī)理，這也是濃度梯度最重要的應(yīng)用價值。傳統(tǒng)宏觀尺度的濃度生成方法難以達(dá)到細(xì)胞尺度的精度控制，試劑消耗量大，且無法按需生成不同變化規(guī)律的濃度梯度，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在生化檢測等應(yīng)用需求。微流控技術(shù)的精準(zhǔn)流動控制正好可以解決這些問題，因此在分子濃度梯度生成方面發(fā)揮出越來越重要的作用。

論文主體部分沿著時間軸線逐一回顧了幾種用于生成分子濃度梯度的微流控方法。最早被提出的是“圣誕樹形”的流動結(jié)構(gòu)（如圖1所示），該方法生成效果穩(wěn)定，使用范圍廣，但是生成中伴隨的剪切作用會對一些生化檢測產(chǎn)生干擾，同時該結(jié)構(gòu)占用芯片的空間較大。一些研究對這些缺陷進(jìn)行改進(jìn)，通過在液體流動通道和濃度生成腔之間加入阻擋結(jié)構(gòu)，極大地減弱了流動剪切產(chǎn)生的影響，而通過重新設(shè)計分流通道的交匯結(jié)構(gòu)可以減少通道的分裂級數(shù)，芯片的占用面積得到減少。

圖1 “圣誕樹形”流動結(jié)構(gòu)

“薄膜”結(jié)構(gòu)（如圖2所示）的加入可以完全阻隔流動液體的通過，只允許高低濃度液體中分子的擴(kuò)散，從根本上去除了流動剪切作用的存在。這種結(jié)構(gòu)要注意流動速度的控制以及源頭液體的更換，否則，長期分子交換的積累會改變初始液體濃度，導(dǎo)致分子濃度梯度的變化。“壓力平衡”結(jié)構(gòu)包含液體流動部分和分子擴(kuò)散部分，液體流動部分的壓力調(diào)節(jié)平衡之后可以保證濃度生成腔中只存在分子擴(kuò)散作用，而流動剪切作用只會停留在液體流動通道中，該方法集合流動通道的快速傳遞和濃度生成腔的無剪切作用兩者優(yōu)點，為未來微流控結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一種新的思路。

圖2 “薄膜”結(jié)構(gòu)

文中最后總結(jié)了近幾年興起的“液滴”兩相流技術(shù)（如圖3所示），也是之前文章中較少進(jìn)行全面總結(jié)的研究內(nèi)容。液滴兩相界面的包裹特性天然屏蔽了外部流動液體的干擾，保證內(nèi)部環(huán)境的相對獨立，雖然內(nèi)部流場的研究表明，離散相在液膜的作用下存在旋轉(zhuǎn)渦，但是由此帶來的剪切作用非常微弱，與前述的流動剪切作用不在一個數(shù)量級。同時液滴的離散體積也可以實現(xiàn)對反應(yīng)結(jié)果的定量檢測，這也是液滴兩相流技術(shù)的顯著優(yōu)勢。

圖3 “液滴”兩相流結(jié)構(gòu)

得到的主要結(jié)論為，流動液體在通道中生成濃度梯度的速度較快，該方法適用于生成動態(tài)濃度梯度，但會伴隨較大的剪切力；濃度梯度生成腔內(nèi)無流動液體的生成方法可以避免剪切作用的影響，但是更適合靜態(tài)濃度梯度的生成；利用液滴的多相流系統(tǒng)可以提供封閉的微環(huán)境，實現(xiàn)液滴內(nèi)部較小的剪切作用，但是同時要求精確的液滴生成和控制技術(shù)。具體應(yīng)用中針對不同培養(yǎng)或檢測方面的需求來選取適用的濃度梯度生成方法，并將多種生成方式進(jìn)行結(jié)合，以規(guī)避單一結(jié)構(gòu)的缺陷，提高濃度梯度生成系統(tǒng)的精度和適用效果。

本文相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金的資助，論文第一作者為2015級博士生王翔，劉趙淼教授為論文的唯一通訊作者，課題組逄燕老師為論文的共同作者。劉趙淼教授課題組在液滴生成、液滴融合、粒子分選等方面已開展系列研究，相關(guān)成果發(fā)表在Lab on a Chip，Soft Matter，Microfluidics and Nanofluidics，RSC Advances，Experiments in Fluids等國際期刊，表明該課題組在國內(nèi)外同行中影響力的逐步提升，以及北京工業(yè)大學(xué)流體力學(xué)學(xué)科的穩(wěn)步發(fā)展。

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http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/ra/c7ra04494a