早期使用的生成液滴方法主要有高速攪拌法、逐層組裝技術(shù)、膜乳化法和界面聚合法等, 均可生成微納米尺寸的液滴。 高速攪拌法工序少、操作簡單、成本低; 逐層組裝技術(shù)通

用性和可控性強(qiáng), 可用于構(gòu)建藥物控釋系統(tǒng), 靈活控制遞藥載體結(jié)構(gòu); 膜乳化法制備的高分子微球廣泛應(yīng)用于化妝品、醫(yī)藥、化工、電子等領(lǐng)域; 界面聚合法設(shè)備簡單, 不要求嚴(yán)格的聚合物量比, 主要應(yīng)用于新型材料的制備。 這些方法至今仍在其各自適合的領(lǐng)域發(fā)揮作用, 但在液滴穩(wěn)定性、均勻性、單分散性等方面仍存在不足。 近年來, 研究者在致力于傳統(tǒng)方法的設(shè)備更新、技術(shù)改進(jìn)的同時(shí), 也發(fā)展出多種不同原理的新方法。微流控芯片作為一類制備微液滴的平臺, 生成的液滴尺寸可控、擴(kuò)散性低、生成速度快、不易交叉污染, 適合進(jìn)行高通量分析。 根據(jù)是否借助外力驅(qū)動, 基于微流控芯片的液滴生成方法一般可分為主動法和被動法兩類。 主動法常用方式包括電濕潤法、氣動法、熱驅(qū)動法等, 其原理是借助外力作用在液體兩端產(chǎn)生壓差, 并利用液體在微流道交叉口處的剪切力和表面張力差形成液滴。 被動法利用流體流動的剪切力和界面張力, 通過微管道結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)連續(xù)相和分散相的流速值及比例來生成液滴, 主要包括T 型通道法、流動聚焦法和共軸聚焦法等芯片結(jié)構(gòu)形式。 其中,T 型通道法芯片只有兩個(gè)入口, 是液滴微流控芯片中最簡單的結(jié)構(gòu)。 流動聚焦法的十字交叉結(jié)構(gòu)可視為是兩個(gè) T 型結(jié)構(gòu)的結(jié)合, 中間通道為連續(xù)相流體, 兩側(cè)通道為分散相流體。 主動法系統(tǒng)相對復(fù)雜, 對芯片加工的要求較高, 增加了實(shí)驗(yàn)的難度及成本, 但主動法可根據(jù)需要對單個(gè)液滴進(jìn)行控制, 在液滴的可操控性方面存在很大優(yōu)勢。 被動法系統(tǒng)相對簡單, 操作方便, 適合單純需要快速生成大量液滴的情況。 除上述的微液滴制備方法外, 近年來涌現(xiàn)出了許多獨(dú)具特色的新方法。本文將重點(diǎn)介紹這些新方法的原理、特征及應(yīng)用。

一次過程生成多個(gè)液滴的方法

滑動芯片 Ismagilov 實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種滑動芯片(SlipChip)裝置(圖 2A), 可用于多路情況下的各種生化反應(yīng),而不依賴于泵和閥門。 該裝置由上下兩塊緊密接觸的玻璃板構(gòu)成, 底板上具有微孔陣列及微管道, 頂板上具有與底板相對應(yīng)的微孔陣列。 當(dāng)頂板微孔與底板微管道對齊時(shí), 該結(jié)構(gòu)連接成一條連續(xù)的流體通道。 實(shí)驗(yàn)時(shí), 在底板微孔中預(yù)先加入試劑, 蓋上頂板, 形成流體通道, 向通道中注入樣品, 之后滑動芯片使兩塊板的微孔對齊, 液滴混合, 發(fā)生反應(yīng)。 SlipChip 具有消耗試劑少、 不易交叉污染、 多路反應(yīng)可同時(shí)進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)。 已有研究將滑動芯片法應(yīng)用于稀有細(xì)胞的篩選和分析, 并提出了微流體的隨機(jī)限制的概念, 該工作將有助于拓展微流體隨機(jī)限制在人類疾病診斷和環(huán)境測試等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。 滑動芯片法在單細(xì)胞遺傳分析的所有階段亦有廣闊的應(yīng)用前景, 包括細(xì)胞富集和捕獲、單細(xì)胞劃分和操作以及檢測和分析。 通過滑動芯片法還能控制液滴形狀和體積, 在一個(gè)液滴中生長出一個(gè)晶體, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)單晶體的制備。 另外, 滑動芯片法在生物分析傳感器的亞皮摩爾檢測極限解決方案方面亦有應(yīng)用。 在合成其它難以獲得的新功能材料和結(jié)構(gòu), 如研究脂質(zhì)和聚合物膜的功能和性質(zhì), 以及在液鄄液界面上執(zhí)行反應(yīng)等過程研究方面, 滑動芯片法也有所進(jìn)展。 有研究者研發(fā)出基于滑動芯片法的全自動、低成本和手持的數(shù)字 PCR平臺, 并有望應(yīng)用于恒溫核酸擴(kuò)增方法等生物監(jiān)測領(lǐng)域。 如將滑動芯片法與其它微流體技術(shù)整合, 可進(jìn)行大范圍的重復(fù)樣品生物分析工作, 包括快速識別血液等復(fù)雜生理基質(zhì)中的病原體、單分子核酸分析。 在 SlipChip 的基礎(chǔ)上, 發(fā)展出了一種新的可拓展性平臺, 利用溶液的表面張力實(shí)現(xiàn)流體輸送、混合、維持計(jì)量體積以及生物分子捕獲和釋放等。 但是, 由于采用了加工成本相對高的玻璃材質(zhì)制作芯片, SlipChip 方法可能導(dǎo)致費(fèi)用增加; 另外, SlipChip 方法比較適合進(jìn)行一些特定的生化反應(yīng), 單獨(dú)作為液滴制備方法使用并不能體現(xiàn)該方法的優(yōu)勢。

圖 2 (A) 滑動芯片法分步操作三維示意圖; (B) 液滴裂分法示意圖; (C) 利用材料的瑞利-泰勒不穩(wěn)定性生成液滴陣列

液滴裂分法制備飛升級液滴 Li 等提出了一種制備體積在飛升級的液滴的方法(圖 2B),可將液滴分裂成均勻的小體積的微液滴陣列。 該方法通過在帶有親水性區(qū)域的疏水性硅板上滑動液滴, 實(shí)現(xiàn) pL ~ fL 級均勻微液滴的可控制備。 系統(tǒng)地討論了影響產(chǎn)生的微液滴體積的關(guān)鍵因素, 包括親水性區(qū)域大小、接觸力以及液滴與疏水硅板之間的相對滑動速度。 該方法能提供高通量且體積均勻的微液滴, 具有簡便、高效、低成本的優(yōu)勢, 適合應(yīng)用于細(xì)胞分析, 特別是生成單細(xì)胞陣列; 此外, 這種方法也被用于構(gòu)建應(yīng)用在微重力環(huán)境下的生物傳感平臺, 并實(shí)現(xiàn)了對葡萄糖、鈣和蛋白質(zhì)等典型標(biāo)志物的檢測。 Guo 等利用表面潤濕性方法實(shí)現(xiàn)了對化學(xué)和生物分子的超靈敏檢測, 有望進(jìn)一步用于分析化學(xué)、分子診斷和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。 體積在 fL 級別的液滴陣列是光操作、傳感和高通量診斷等技術(shù)中重要的影響因素, 已有液滴體積可調(diào)的二維液滴陣列應(yīng)用于多體積數(shù)字 PCR。 另一方面,fL 級液滴制備方法能夠在有機(jī)溶劑中實(shí)現(xiàn)小型化和平行的高通量篩選, 并已被用于光子操縱的可調(diào)節(jié)納米透鏡陣列。

基于界面瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的液滴生成法

Marthelot 等從涂料容器的蓋子上粘附涂料的現(xiàn)象受到啟發(fā), 利用液膜的不穩(wěn)定性生成下墜液滴(圖 2C)。 作者在一個(gè)圓盤上傾倒一薄層硅膠液膜,在液膜固化的同時(shí)反轉(zhuǎn)圓盤, 倒置幾分鐘后, 在重力和表面張力的共同作用下, 液體硅膠會自然形成不規(guī)則的下墜狀液滴陣列。 通過使用離心機(jī)還可以在一定范圍內(nèi)改變液滴大小, 旋轉(zhuǎn)的速度越快, 生成的液滴越小。 這種方法巧妙地將通常需要克服的界面不穩(wěn)定性這一缺點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可以大規(guī)模生成微液滴陣列的途徑, 對環(huán)境和設(shè)備的要求也很低, 在柔性仿生結(jié)構(gòu)制備方面具有應(yīng)用前景。 但由于材料需經(jīng)歷由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程, 目前只使用了硅橡膠作為實(shí)驗(yàn)對象, 基于其它材料(如蠟、熔融玻璃、金屬等)的結(jié)構(gòu)制備還需要進(jìn)一步研發(fā)。

一次過程生成一個(gè)液滴的方法類型

順序操作液滴陣列系統(tǒng) 浙江大學(xué)方群課題組提出了順序操作液滴陣列系統(tǒng)(圖 3A), 可自動完成對超微量(pL ~ nL)液滴的多步操控。 第一代 SODA儀器由注射泵、毛細(xì)管探針、承載樣品的芯片和孔板以及一個(gè)可以在 x-y-z 方向移動的平臺組成。 在此基礎(chǔ)上, 第二代 SODA 儀器增加了 CCD 成像系統(tǒng)和探針的自動定位程序, 并將注射泵集成到儀器中。SODA 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)液滴的定量、液滴陣列的生成、液滴的定位與移動、液滴的分裂(取樣)與融合(加入試劑)等操作, 已被成功應(yīng)用于高通量藥物篩選、蛋白質(zhì)結(jié)晶條件的篩選、數(shù)字 PCR、單細(xì)胞分析、細(xì)胞遷移、細(xì)胞共培養(yǎng)等研究中, 并實(shí)現(xiàn)了與電噴霧質(zhì)譜、高速毛細(xì)管電泳和色譜等系統(tǒng)的分析聯(lián)用。

圖 3 (A) SODA 系統(tǒng)工作原理; (B) 界面打印液滴生成法示意圖; (C) 利用旋轉(zhuǎn)的毛細(xì)管生成液滴的方法; (D) 超疏水吸液器制備液滴示意圖

界面打印液滴生成法 Xu 等提出了一種界面打印液滴生成法, 利用毛細(xì)管連續(xù)輸出水相, 并在油鄄氣界面處高頻振動, 以及油鄄氣界面表面張力的周期性切割作用, 可連續(xù)快速生成大量 pL ~ nL 級體積可控的單分散液滴(圖 3B)。 XiE 無需借助微加工技術(shù), 只需要一臺注射泵和一臺控制毛細(xì)管按固定頻率振動的電磁振動器, 具有低成本的優(yōu)勢, 適合常規(guī)實(shí)驗(yàn)室及非專業(yè)人士使用。 作者使用 XiE 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字等溫?cái)U(kuò)增(dLAMP), 并將其應(yīng)用于 H5 亞型禽流感病毒的快速定量檢測。 與此類似, 吳必成等設(shè)計(jì)了一種基于超聲振動的微液滴生成裝置, 可生成微米級的微液滴。 該裝置利用控制器驅(qū)動直線超聲電機(jī)高精度移動, 通過滑臺推動注射器, 在噴嘴尖端生成微液滴, 之后利用壓電振子和噴嘴的振動, 使附著在尖端的液滴克服黏性力脫離尖端并落在一定范圍內(nèi)。 實(shí)驗(yàn)以蒸餾水為對象, 通過該裝置成功生成了半徑小于 40 μm 的液滴。 該裝置結(jié)構(gòu)簡單, 可將液滴生成至特定區(qū)域內(nèi), 應(yīng)用于多種液體微米級液滴的生成。

利用旋轉(zhuǎn)的毛細(xì)管生成液滴的方法 Chen 等提出了一種利用旋轉(zhuǎn)的毛細(xì)管生成液滴的方法, 可生成 1 pL ~ 100 nL 的油包水液滴。 裝置由伺服電機(jī)、偏心輪、負(fù)載平臺、注射泵、毛細(xì)管和離心管等部件構(gòu)成(圖 3C)。 毛細(xì)管管口經(jīng)過疏水處理, 浸入已預(yù)裝在離心管中的油相液面以下, 注射泵驅(qū)動毛細(xì)管中的水相進(jìn)入油相, 控制毛細(xì)管轉(zhuǎn)動, 利用相界面的阻力和剪切力產(chǎn)生液滴。 液滴產(chǎn)生和收集在離心管中, 能夠避免樣品的污染和損失, 有利于進(jìn)行單細(xì)胞分析。 通過采用由多根毛細(xì)管構(gòu)成的陣列, 能夠?qū)崿F(xiàn)高速和高通量的液滴生成。 使用這種方法實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞的全基因組擴(kuò)增。 在此基礎(chǔ)上, 他們還發(fā)展了基于慣性力的液滴生成方式, 利用離心機(jī)作為慣性力的產(chǎn)生裝置, 水在慣性力的作用下通過微通道產(chǎn)生微液滴, 被離心管收集。 這種方法具有樣品無殘留、生成的液滴大小均勻、高速和高通量等優(yōu)勢, 而且能夠?qū)崿F(xiàn)在低溫下產(chǎn)生液滴。 他們用產(chǎn)生的液滴進(jìn)行了數(shù)字 PCR 測試, 并與商業(yè)化的儀器進(jìn)行比較, 證明了這種方法的有效性和便捷性。 Tang 等利用與 SiMPLE 類似的原理和裝置, 使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓錐臺, 通過外加電場控制液滴大小, 實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬微液滴、固體水凝膠顆粒和纖維以及液態(tài)金屬核鄄水凝膠殼微液滴的制備。

超疏水吸液器對微小液滴的可控制備 Guo 等利用超疏水網(wǎng)與氣體負(fù)壓系統(tǒng), 制備了一種可對液滴進(jìn)行快速操控的超疏水“吸液器冶(圖 3D)。 常規(guī)狀態(tài)下, 液滴難于粘附在超疏水表面而可在其表面上自由滾動。 當(dāng)在超疏水網(wǎng)的另一側(cè)施加一個(gè)可控的負(fù)壓時(shí), 由于內(nèi)外壓差作用, 液滴將被緊緊地吸附在超疏水網(wǎng)上。 該裝置有一彈性開關(guān)設(shè)計(jì), 用于控制負(fù)壓的通斷, 進(jìn)而控制液滴的捕獲和釋放。 負(fù)壓的施加實(shí)現(xiàn)了超疏水表面對液滴的粘附力的高度可控, 從而實(shí)現(xiàn)了微小液滴的制備和操縱。利用該超疏水吸液器, 課題組精確地制備了一系列體積在 0. 1 ~ 3. 0 滋L 范圍內(nèi)的微小液滴, 并通過彈性開關(guān)實(shí)現(xiàn)了對簡單液滴反應(yīng)的快速操控。 超疏水吸液器可作為典型的以微液滴為基礎(chǔ)的反應(yīng)和操控的基礎(chǔ)裝置, 這為解決微小液滴制備及操控的難題提供了新方式, 并且滿足了液滴微反應(yīng)器、微流體和液體輸送領(lǐng)域的廣泛需求。

手持式數(shù)字移液器打印納米級液滴 Mao 等提出了利用手持式數(shù)字移液器(圖 4A)的一種液滴生成方法, 該方法在傳統(tǒng)的手持式吸液管基礎(chǔ)上, 加裝了一次性微流控芯片, 形成手持式的數(shù)字移液器。 移液器操作時(shí)由可編程的電磁致動器驅(qū)動, 通過一個(gè)小型打印裝置對裝有液體的微流控芯片進(jìn)行敲擊, 使之生成液滴。 與一般基于微流控芯片的液滴生成方法不同, 該方法可任意選擇液滴打印位置, 并根據(jù)需要定量生成液滴。 新型移液器兼具傳統(tǒng)移液器技術(shù)與微流控打印技術(shù)的特點(diǎn), 可用于nL 級液滴的可控生成, 并可以對單個(gè)液滴進(jìn)行吸取與分配等精準(zhǔn)操作。 該裝置具有高分辨率、高精度、低操控誤差、手持方便易用等優(yōu)勢, 可廣泛用于各種高精度液體操控實(shí)驗(yàn), 大大節(jié)省試劑用量, 且避免了誤差積累。

圖 4 (A) 數(shù)字液滴式移液系統(tǒng); (B) 聲波打印液滴示意圖; (C) 高頻超聲波制備液滴技術(shù)示意圖

高頻超聲波微液滴制備技術(shù) He 等成功研發(fā)了一種“高頻超聲波微液滴制備技術(shù)冶 (圖4C)。 利用超高頻聲諧振器在固液界面上產(chǎn)生高度局部化且強(qiáng)大的作用力, 推動液體產(chǎn)生穩(wěn)定而尖銳的液針, 并通過瞬時(shí)接觸進(jìn)一步將液滴輸送到目標(biāo)基板表面。 這種方法介于接觸法和非接觸法之間,因此避免了傳統(tǒng)方法的一些問題(如噴嘴堵塞或衛(wèi)星點(diǎn))。 該方法可通過改變目標(biāo)襯底的疏水性、諧振器尺寸、射頻信號強(qiáng)度及射頻信號持續(xù)時(shí)間來控制生成液滴的尺寸, 一般可生成的液滴直徑在 10-6~10-4 m, 體積可控制范圍在 10-12~ 10-9L 之間。 利用高頻超聲波微液滴制備技術(shù)能夠在玻璃和柔性基質(zhì)上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的 DNA 和蛋白質(zhì)微陣列制備。 并且由于光斑的大小可以精確地控制在 10-6 m(體積上為 10-12L), 且與金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的兼容性互補(bǔ), 此技術(shù)容易應(yīng)用于生物芯片的制作, 適用于無機(jī)、有機(jī)、生物油墨等各種不同的材料。 此外, 在其它基于液滴的應(yīng)用方面也具有很大潛力。

近年來發(fā)展的新方法

表 1 列出了近年來最新提出的制備液滴方法的基本原理、生成液滴大小和生成頻率等信息。 通過對新方法的介紹及表 1 的總結(jié)內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn), 雖然這些方法在實(shí)現(xiàn)形式上多種多樣, 一些方法卻遵循著相似的原理。這些方法按照液滴的生成機(jī)理或受力形式可分成以下類別:滑動芯片法利用兩塊芯片滑動所產(chǎn)生的剪切力將連續(xù)流體剪切成液滴; 基于界面瑞利鄄泰勒不穩(wěn)定性的液滴生成法利用離心作用下界面的不穩(wěn)定性生成下墜狀液滴,SiMPLE法利用離心力克服表面張力生成微小液滴;借助具有超親水/ 超疏水特性的材料, 液滴裂分法和超疏水“吸液器冶法將大液滴裂分為微小液滴; 高頻超聲波制備液滴法使聲場作用力產(chǎn)生的穩(wěn)定液體尖峰與襯底接觸, 吸附到襯底上生成液滴; XiE 法、數(shù)字移液器打印法和聲波打印法均基于振動的作用, 分別利用電磁振動器引起的振動、電磁致動器敲擊及聲波力作用使液滴分離; SODA 法利用可編程的“抽吸鄄沉淀鄄移動冶方法實(shí)現(xiàn)了對 10-12L 級液滴的自動化操控。

表 1 近年提出的制備微液滴的新方法

3 液滴生成方法發(fā)展趨勢及展望

從液滴制備技術(shù)的發(fā)展歷程看, 微液滴的生成方法經(jīng)歷了傳統(tǒng)方法、微流控芯片方法和近年來出現(xiàn)的芯片外新方法, 即從無芯片到芯片再到脫離芯片的過程(如圖 5 所示)。 本文所述的液滴制備方法各有特點(diǎn)及各自適用的領(lǐng)域, 且其實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作技術(shù)、應(yīng)用范圍隨著社會需求和科技的進(jìn)步不斷發(fā)在此過程中, 各類方法相互借鑒, 互為補(bǔ)充, 為推動研究的深入發(fā)展提供了更多可能。

圖 5 微液滴生成方法發(fā)展過程

近年來出現(xiàn)的制備液滴的新型片外方法兼具傳統(tǒng)方法及微流控芯片方法的一些特點(diǎn),在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn), 在節(jié)省試劑、降低成本、高通量生成液滴、精確控制液滴等方面具有很大優(yōu)勢, 能夠更好地滿足液滴制備的需求。 新方法中, SODA 引入編程系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了自動化液滴生成與操控。 超疏水“吸液器冶方法與傳統(tǒng)方法中的膜乳化法均是通過施加壓力使液體透過某種特殊材料制成的薄膜來形成液滴。 超疏水“吸液器冶方法使用的超疏水網(wǎng)可在實(shí)驗(yàn)室自制, 方法簡單易行。 該方法還可實(shí)現(xiàn)液滴在疏水板上的均勻分散和選擇性捕獲等快速精確的液滴操控。 手持?jǐn)?shù)字移液器將微流控芯片與傳統(tǒng)移液器結(jié)合, 設(shè)備簡單, 可單手操作, 并且能夠?qū)蝹€(gè)液滴進(jìn)行精確操控, 故大大節(jié)省試劑用量并減小誤差。 此外, 聲波打印技術(shù)則突破了噴墨打印技術(shù)對液滴生成材料的限制, 大大拓寬了液滴應(yīng)用領(lǐng)域。基于芯片的液滴制備方法以體積小、試劑耗量少、生成液滴速度快且大小均一等突破性的優(yōu)勢奠定了其在生物、化學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。 但是, 微流控芯片方法在流體的控制、液滴運(yùn)動的自動化、液滴產(chǎn)生通量、控制的靈活性等方面仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。 此類技術(shù)對芯片的設(shè)計(jì)和加工、芯片系統(tǒng)外圍設(shè)備、專業(yè)人士的操作具有很強(qiáng)的依賴性。 脫離芯片的新技術(shù)、新方法將以往的液滴生成方法與界面作用、打印技術(shù)、材料特性等結(jié)合生成液滴, 可在一定程度上解決上述問題。目前, 研究者仍在努力發(fā)展各種微液滴生成方法。 未來微液滴的生成方法將是多種不同領(lǐng)域交叉作用的結(jié)果, 適用范圍不斷擴(kuò)大。 在各領(lǐng)域研究者的共同努力下, 可望出現(xiàn)更多簡便快捷、可控、精細(xì)的方法, 滿足更為廣泛的應(yīng)用需求。

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