微液滴操控包括微液滴生成和微液滴驅(qū)動,按生成方式可以將操控微液滴的方法分為兩大類。一類是被動法,即通過對微通道結(jié)構(gòu)的特別設(shè)計使液流局部產(chǎn)生速度梯度來對微液滴進行操控,主要為多相流法。該法的主要特點是可以快速批量生成微液滴;另一類是主動法,即通過電場力熱能量等外力使液流局部產(chǎn)生能量梯度來對微液滴進行操控,主要包括電潤濕法、介電電泳法 、氣動法和熱毛細管法 ,該法的主要特點是可以對單個微液滴的操控。 

2. 1　多相流(multiphase flow)法

       其原理是通過對流體微通道結(jié)構(gòu)的獨特設(shè)計以及對流體流速的控制,利用液流間的剪切力、黏力和表面張力的相互作用,使分散相流體在微通道局部產(chǎn)生速度梯度,從而被拆分生成微液滴,產(chǎn)生的微液滴均勻地分布在互不相溶的連續(xù)相中,形成單分散系統(tǒng)。有時為了減小表面張力,生成穩(wěn)定的微液滴,還可以向液流中加入表面活性劑 ,但在多數(shù)情況下應(yīng)盡可能避免添加,以防給分析物和試劑帶來污染。多相流法的優(yōu)勢在于易對批量微液滴進行整體操控,而且實驗裝置簡單,對芯片要求較低,其不足之處是較難實現(xiàn)對單個微液滴的精準操控。 

2. 1. 1　T型結(jié)構(gòu)　T型結(jié)構(gòu)是最簡單和最早用于研究微液滴形成條件的微通道結(jié)構(gòu)。Nisisako等報道了一種分散相通道與連續(xù)相通道互相垂直的T型結(jié)構(gòu)(如圖1a所示) 。他們以水為分散相,油為連續(xù)相,通過對連續(xù)相流速的改變(0. 01～0. 15 ms- 1 ) ,在T型通道內(nèi)生成粒徑100～380μm微液滴,且連續(xù)相與分散相流量比越大,微液滴生成速率越快。Nguyen等對T型結(jié)構(gòu)中微液滴的生成速率進行了理論分析,發(fā)現(xiàn)微液滴生成速率與連續(xù)相平均流速的4次方成正比,為準確地控制微液滴奠定了基礎(chǔ)。

 2. 1. 2　Y型結(jié)構(gòu)　與T型結(jié)構(gòu)相比,在相同條件下, Y型結(jié)構(gòu)(如圖1b所示)中連續(xù)相對分散相的剪切力較小。因此,僅僅利用Y型結(jié)構(gòu)對微液滴進行操控并不多見。目前一般都是利用T型結(jié)構(gòu)和Y型結(jié)構(gòu)疊加在一起形成的組合結(jié)構(gòu),對微液滴進行操控。Zheng等[報道了一種這樣的組合結(jié)構(gòu),并運用這種組合結(jié)構(gòu)作為平臺,生成了用于研究蛋白質(zhì)結(jié)晶條件的微液滴。 

2. 1. 3　十字交叉型結(jié)構(gòu)　十字交叉型結(jié)構(gòu)又稱雙T型結(jié)構(gòu),其最大特點是它可以生成相間且互不干擾的兩種微液滴 (如圖1c所示) 。與T型結(jié)構(gòu)相比,十字結(jié)構(gòu)不僅能產(chǎn)生單分散更好的微液滴,而且能產(chǎn)生半徑小于100 nm的亞微液滴 。最近, Hua等還對微液滴生成模式進行了數(shù)值模擬。

2. 2　電潤濕( electro wetting on dielectric, EWOD)法

       基于介質(zhì)上的電潤濕法是一種電控表面張力驅(qū)動法 。它通過對介質(zhì)膜下面的微電極陣列施加電勢來改變介質(zhì)膜與表面液體的潤濕特性,即通過局部改變微液滴和固體表面的三相接觸角,造成微液滴兩端不對稱形變,使微液滴內(nèi)部產(chǎn)生壓強差,從而實現(xiàn)對微液滴的操作和控制。吳建剛等研制出一種基于EWOD機制的可編程數(shù)字化微流控芯片。結(jié)果表明,在35 V低驅(qū)動電壓下實現(xiàn)了約0. 35μL和0. 45μL去離子水微液滴的傳輸和合并,并在70 V驅(qū)動電壓下實現(xiàn)了0. 8μL微液滴的拆分等操作。Srinivasan等運用EWOD法成功地操控了含有人體體液的微液滴,其裝置如圖2所示。Dubois等運用EWOD法對微液滴進行操控,從而對宏觀和微觀范圍內(nèi)Grieco三組分縮合反應(yīng)速率進行比較。這種方法最大的優(yōu)點是可以對單個微液滴進行精準操控,包括微液滴的拆分、傳輸和混合。因為要在芯片上集成微電極,還需要配置可編程微電極開關(guān)控制系統(tǒng),所以,對芯片系統(tǒng)的要求較高。另外,這種方法也不適合對大量微液滴的操控。

2. 3　熱毛細管( thermocap illary)法

       熱毛細管法是指對液體局部加熱,使之產(chǎn)生熱梯度, 改變液體局部表面能, 實現(xiàn)對液體的操控。Darhuber等設(shè)計了在固相表面集成可編程控制的微加熱器陣列裝置,實現(xiàn)了微液滴傳輸、混合和反應(yīng)的操控。該方法也可對單個微液滴進行操控,但不適合對微液滴內(nèi)熱不穩(wěn)定物質(zhì)如酶、蛋白質(zhì)的分析。

2. 4　介電電泳( dielectrophoresis)法

       介電電泳指在空間非均一電場下的顆粒,由于其相對于周邊介質(zhì)的誘導偶極距不同而產(chǎn)生的電遷移。Schwartz等證明了可以利用介電電泳對微液滴進行操控。他們利用程序控制的二維微電極陣列操控了納升級液滴的生成、移動和混合反應(yīng)。Singh等不僅利用介電電泳法操控了微液滴的移動、分離和混合,還對處于電磁場中微液滴的運動進行了數(shù)值模擬,且實驗結(jié)果與模擬結(jié)果相一致。介電電泳法也能對單個微液滴實現(xiàn)較好操控,但是其操控力度在很大程度上取決于外加電壓的大小。

2. 5　氣動( pneuma tic pressure)法

       氣動法是一種利用氣體壓力(正壓或負壓)作為剪切力和驅(qū)動力操控微液滴的方法。Hosokawa等在以PDMS為基片和PMMA 為蓋片的芯片上利用空氣壓力生成微液滴,以憎水微毛細管通道(HMCV)為閥門,對陣列氣動管道進行控制,生成了兩種不同組分微升級液滴,再利用空氣產(chǎn)生的正負壓力使之快速混合,并對混合后的微液滴進行了檢測。運用此原理,他們在由硅和玻璃組成的微流控芯片上生成了納升級液滴,并對微液滴的形成條件進行了理論分析 。由于微液滴有部分暴露在氣體中,因此,該方法不適合對含有易揮發(fā)性成分的微液滴進行操控。

作者：張凱 胡坪 梁瓊麟 羅國安