微流控器件中的受限粒子簡介

微流控和微制造在過去十年中得到了廣泛的發(fā)展，因?yàn)槠涮囟ǖ囊?guī)模使其能夠在廣泛的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)顆?；蛭⑸锏淖冃涡?、形狀和活性等特性對(duì)其進(jìn)行分類和過濾的能力是醫(yī)學(xué)、生物和食品科學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。使用微型過濾器、外場(chǎng)(磁場(chǎng)、聲學(xué)、光學(xué))和沉積，已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)。利用慣性效應(yīng)和粘彈性效應(yīng)將顆粒集中在通道內(nèi)的特定位置也是可能的，也可以利用約束性質(zhì)。本文簡要概述了具有各種對(duì)稱性的氣泡、液滴和纖維等受限粒子的眾多優(yōu)點(diǎn)，以及如何將受限粒子用于有趣的應(yīng)用，如分離粒子。這篇綜述中提出的兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)可以從這種限制中產(chǎn)生：更好地控制原位形成的顆粒的尺寸和很好地控制輸送軌跡，從而產(chǎn)生新的顆粒分選策略。

圖1：T形結(jié)微流控裝置中受限液滴的產(chǎn)生

微流控裝置中受限粒子的特性

在簡單無界流動(dòng)中，當(dāng)流動(dòng)邊界遠(yuǎn)離粒子本身且不存在慣性效應(yīng)時(shí)，粒子以施加流的速度移動(dòng)，并遵循杰弗瑞軌道。然而，當(dāng)粒子被插入尺寸與通道尺寸相當(dāng)?shù)奈⒘骺匮b置時(shí)，粒子被限制在特定的系統(tǒng)中，情況完全不同。在一邊，墻壁增加了邊界，并為流動(dòng)施加了零速度條件。在另一邊，顆粒作為流動(dòng)的移動(dòng)障礙。可以定義兩種類型的限制。當(dāng)粒子被通道的側(cè)壁限制時(shí)，它們會(huì)經(jīng)歷橫向限制。當(dāng)它們被通道的頂壁和底壁限制時(shí)，它們經(jīng)歷橫向限制。當(dāng)然，一個(gè)粒子可以被橫向和橫向限制(圖2)。

圖2:受限制和不受限制的不同顆粒:(a)垂直于壓力驅(qū)動(dòng)流的纖維，受通道壁(左)限制，纖維的截面高度與通道高度相當(dāng)，(b)高分散尺寸的液滴在載液中自由流動(dòng)(a)，受通道壁限制的液滴(b) ， (c) Hele-Shaw單元中受上下壁限制的液滴周圍流線示意圖。

氣泡、液滴和纖維的形成：微流控通道中受限幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

與無界流動(dòng)中的流體界面相比，微流控裝置中受限的流體界面呈現(xiàn)出不同的行為，特別是因?yàn)槭芟迬缀涡螤钪械拿?xì)不穩(wěn)定性被抑制了。因此，使用微流控裝置可以驚人地控制氣泡和液滴的大小、形狀、均勻性和形成速度。根據(jù)微流控裝置的幾何形狀，主要使用三種不同的形成技術(shù)：共流、錯(cuò)流和聚焦流幾何(圖3a)。研究、項(xiàng)目和技術(shù)，如簡易液滴生成組件，在過去幾十年中已經(jīng)開發(fā)出來，證明并利用微流控裝置形成均勻和大量的氣泡和液滴的奇妙優(yōu)勢(shì)。為了研究微流控通道中流動(dòng)的纖維并避免將其引入通道時(shí)的堵塞，最好的解決方案是使用基于顯微鏡的投影光刻方法原位制造它們。選擇在紫外光下交聯(lián)的光敏溶液在微流控通道中由壓力控制器驅(qū)動(dòng)。紫外線通過快門和面罩投射到顯微鏡下的通道中。當(dāng)流動(dòng)停止并在光照下時(shí)，目標(biāo)流體區(qū)域在數(shù)百毫秒內(nèi)聚合(圖3b)。由于沿頂壁和底壁的層中有溶解氧滲入PDMS，因此在這些區(qū)域內(nèi)不可能進(jìn)行溶液聚合。這些持續(xù)的抑制層的存在防止了纖維粘在壁上。該制造技術(shù)利用抑制層來產(chǎn)生能夠在通道中間自由流動(dòng)的纖維。在抑制層不變的情況下，通過改變通道高度來控制纖維的限制(定義為纖維高度和通道高度之間的比率)(圖3c)。該技術(shù)的多功能性使得能夠通過調(diào)整曝光時(shí)間、掩膜的幾何形狀和微通道的高度來制備具有不同機(jī)械性能、形狀和限制的原位纖維。

圖3：在微流控裝置中直接形成顆粒的技術(shù)：(A)液滴產(chǎn)生的三種主要幾何形狀的圖示：同流流(上)、橫流(中)和帶有拉長流的流聚焦幾何結(jié)構(gòu)(下)，(B)用于原位制造聚合物纖維的停流光刻裝置。光敏溶液通過纖維形狀的掩膜被紫外光照射。聚合目標(biāo)流體區(qū)域，(C)示出如何通過調(diào)節(jié)微流體通道的高度來控制顆粒的限制的示意圖

微流控裝置中受限氣泡和液滴的操縱

利用液滴產(chǎn)生的體積和頻率的精確控制和高度均勻的優(yōu)點(diǎn)，液滴得到了廣泛的研究。本綜述選擇介紹四種不同的研究，涉及液滴和氣泡的性質(zhì)和在微流控裝置中的傳輸，其中限制導(dǎo)致特定的特征。在基于液滴的芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的范圍內(nèi)，人們需要了解在不需要外場(chǎng)的情況下控制受限液滴的合并和不合并行為的條件。為了有效的聚結(jié)，需要控制液滴的局部曲率，并保持較低的碰撞速度。如果系統(tǒng)不符合正確的標(biāo)準(zhǔn)，則會(huì)觀察到分裂和滑動(dòng)(圖4a)。關(guān)于液滴的形成，大多數(shù)微流控裝置都是借助流體動(dòng)力。為了簡化設(shè)備操作，僅利用微流控設(shè)備的幾何特性來創(chuàng)建液滴是一個(gè)真正的優(yōu)勢(shì)。通過將高度變化和限制梯度結(jié)合到系統(tǒng)中，液滴的產(chǎn)生和自我推進(jìn)是可能的(圖4d)。受限氣泡可用于根據(jù)顆粒的大小對(duì)其進(jìn)行分類。直徑小于氣泡壁隙厚度的顆粒在薄膜中運(yùn)動(dòng)，不會(huì)與氣泡界面發(fā)生碰撞。其他的則被氣泡捕獲(圖4b)。通過調(diào)節(jié)氣泡的速度，可以容易地改變潤滑膜的厚度。被限制在Hele-Shaw幾何結(jié)構(gòu)中的傳輸液滴的動(dòng)力學(xué)具有豐富而有趣的研究和控制，以便開發(fā)一種在微流控裝置中混合和傳輸固體的方法。當(dāng)一對(duì)液滴或三個(gè)液滴的組裝被傳輸時(shí)，動(dòng)力學(xué)變得更加復(fù)雜，出現(xiàn)反彈、對(duì)交換和重定向過程等現(xiàn)象(圖4c)。當(dāng)組件被橫向約束時(shí)，可以觀察到側(cè)壁之間的振蕩?？梢杂^察到與下一節(jié)中描述的剛性纖維的傳輸有一些相似之處。

圖4：微流控裝置中受限氣泡和液滴的操縱：(A)液滴在微流控T形結(jié)處的碰撞，液滴立即或延遲合并、分裂和滑動(dòng)，取決于液滴的速度和大??；(B)利用受限氣泡的運(yùn)動(dòng)按大小分離顆粒；(C)Hele-Shaw池中傳輸?shù)囊旱螌?duì)的動(dòng)力學(xué)：實(shí)驗(yàn)(A)和計(jì)算(B)。這對(duì)液滴旋轉(zhuǎn)并傾向于與流動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，(D)使用限制梯度而不是流體動(dòng)力來產(chǎn)生和操縱液滴。設(shè)備的幾何形狀控制液滴的大小

受限剛性粒子在微流控裝置中的傳輸

傳輸動(dòng)力學(xué)在受限幾何結(jié)構(gòu)中是非常獨(dú)特的，并且取決于纖維的對(duì)稱性水平。具有兩個(gè)對(duì)稱軸的細(xì)長纖維與具有一個(gè)或零個(gè)對(duì)稱軸的纖維相比，遵循不同且真正特定的軌跡。在Hele-Shaw細(xì)胞中，當(dāng)具有兩個(gè)對(duì)稱軸的細(xì)長纖維經(jīng)歷橫向約束時(shí)，其速度降低。由于頂壁和底壁引入粘性摩擦，纖維不再以施加的流動(dòng)速度運(yùn)輸。此外，已經(jīng)證明纖維的速度取決于它的方向。垂直于氣流的纖維比平行于氣流的纖維運(yùn)動(dòng)得快。因此，對(duì)于初始取向不同于0°和90°的傳輸光纖，在橫向方向上觀察到朝向通道壁的漂移運(yùn)動(dòng)。橫向限制增加了漂移運(yùn)動(dòng)的重要性(圖5a)。因此，軌跡可以通過橫向約束來調(diào)整，然后就有可能根據(jù)它們的約束對(duì)粒子進(jìn)行排序。

對(duì)于受限微流控通道中前后不對(duì)稱且只有一個(gè)對(duì)稱軸的粒子，其軌跡取決于它們的幾何形狀，但它們都呈現(xiàn)出相同的行為和重定向過程。對(duì)于不同大小的?液滴對(duì)(圖4c)、剛性不對(duì)稱啞鈴顆粒(圖5b)或T形顆粒(圖5c(C))，觀察到了一種旋轉(zhuǎn)，以使鏡軸與流動(dòng)和上游最大的塊對(duì)齊。動(dòng)力學(xué)的時(shí)間尺度很大程度上取決于粒子的形狀。在實(shí)際情況中，它更有可能具有相對(duì)于所有軸具有小不對(duì)稱性的粒子。因此，研究無對(duì)稱軸的粒子在受限微流控通道中的運(yùn)動(dòng)軌跡是非常重要的。對(duì)于完全不對(duì)稱的顆粒，如L型纖維，觀察到了一個(gè)重新取向的過程，直到一個(gè)平衡取向，隨后是漂移運(yùn)動(dòng)，最后與側(cè)壁相互作用(圖5c(D)、(E)和(F))。類似的動(dòng)力學(xué)已經(jīng)用數(shù)值方法進(jìn)行了演示。當(dāng)通道的側(cè)壁靠近顆粒時(shí)，在之前的情況下增加了側(cè)向約束。據(jù)報(bào)道，直纖維和剛性纖維(圖5c(A)和(B))、啞鈴狀顆粒和成對(duì)的液滴在壁面之間發(fā)生了振蕩。所有這些研究表明，基本輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)取決于粒子的對(duì)稱性、形狀和限制。然后，通過在微通道內(nèi)的定向輸送、顆粒分選或捕獲中的應(yīng)用，可以精確地控制顆粒軌跡。

圖5：受限剛性顆粒在微流控裝置中的傳輸：(A)具有不同取向(平行、垂直或以45°角取向)的直纖維和剛性纖維(兩個(gè)對(duì)稱軸)的軌跡。每個(gè)位置都按圖中所示的時(shí)間間隔進(jìn)行記錄。對(duì)于具有一個(gè)對(duì)稱軸的粒子的軌跡，頂行和底行的約束分別為0.4和0.8。(C)具有不同幾何形狀的纖維的軌跡，從兩個(gè)對(duì)稱軸(直纖維)到無對(duì)稱軸(L形纖維)，表現(xiàn)出振蕩、旋轉(zhuǎn)和漂移

受限柔性纖維顆粒在微流控裝置中的傳輸

當(dāng)約束纖維具有柔韌性時(shí)，纖維仍然起到移動(dòng)障礙的作用，并與通道的頂壁和底壁發(fā)生摩擦，但在纖維變形和傳輸之間引入了耦合。這導(dǎo)致了更復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)，因?yàn)榱鲃?dòng)的擾動(dòng)導(dǎo)致了沿纖維的壓力和力的不均勻分布。如果纖維被垂直于流動(dòng)方向輸送，則在經(jīng)歷重新取向過程并與流動(dòng)方向?qū)R之前，它會(huì)變形為C形。對(duì)于大于0.6的限制，觀察到強(qiáng)烈的影響：限制越大，變形越強(qiáng)(圖6)。復(fù)雜的柔性顆粒在受限流動(dòng)中的變形和輸運(yùn)是非常有意義的，因?yàn)樗鼈兣c紅細(xì)胞和囊泡相似。

圖6：微流控裝置中受限柔性纖維的傳輸：具有不同初始取向的被傳輸柔性纖維的圖像疊加。纖維經(jīng)歷變形和重新取向過程

在微流控裝置中利用限制的其他應(yīng)用

控制微流控通道中顆粒的尺寸和傳輸特性并不是利用限制的唯一方法。在生物和化學(xué)的許多應(yīng)用中，藥物的檢測(cè)必須是快速和有效的，需要進(jìn)行小體積的反應(yīng)，并且需要很好地控制體積。為了克服這些挑戰(zhàn)，人們可以使用垂直流，以便將介質(zhì)樣本限制在生物傳感器表面，從而提高檢測(cè)率(圖7a)。將溶液或生物體限制在液滴中，稱為膠囊化，已被證明是非常有用的，并使廣泛的應(yīng)用成為可能，如檢測(cè)細(xì)菌或抗體治療中的單細(xì)胞膠囊化。在這一領(lǐng)域的改進(jìn)范圍內(nèi)，結(jié)合了現(xiàn)有的技術(shù)，并開發(fā)了新的技術(shù)--例如，改善液滴內(nèi)納米復(fù)合體的物理性質(zhì)(圖7b)。

圖7：利用限制的其他方法：(A)將介質(zhì)有效地輸送到生物傳感器表面，(B)將DNA和聚陽離子溶液封裝到單獨(dú)的液滴中

綜上所述，利用微流控器件中的限制效應(yīng)，可以制備出性質(zhì)可控的粒子，并研究其輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)。這些知識(shí)能夠創(chuàng)造新的技術(shù)和想象新的應(yīng)用，從而在醫(yī)學(xué)、生物和化學(xué)領(lǐng)域做出改進(jìn)。