微液滴的生成方法

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、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; 逐層組裝技術通用性和可控性強, 可用于構建藥物控釋系統, 靈活控制遞藥載體結構; 膜乳化法制備的高分子微球廣泛應用于化妝品、醫藥、化工、電子等領域; 界面聚合法設備簡單, 不要求嚴格的聚合物量比, 主要應用于新型材料的制備。這些方法至今仍在其各自適合的領域發揮作用, 但在液滴穩定性、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方法的設備更新、技術改進的同時, 也發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、擴散性低、生成速度快、不易交叉污染, 適合進行高通量分析。根據是否借助外力驅動, 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、熱驅動法等, 其原理是借助外力作用在液體兩端產生壓差, 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, 通過微管道結構及調節連續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構形式。其中,T型通道法芯片只有兩個入口, 是液滴微流控芯片中最簡單的結構。流動聚焦法的十字交叉結構可視為是兩個T型結構的結合, 中間通道為連續相流體, 兩側通道為分散相流體。主動法系統相對復雜, 對芯片加工的要求較高, 增加了實驗的難度及成本, 但主動法可根據需要對單個液滴進行控制, 在液滴的可操控性方面存在很大優勢。被動法系統相對簡單, 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, 近年來涌現出了許多獨具特色的新方法。

液滴生成方法發展趨勢及展望

從液滴制備技術的發展歷程看, 微液滴的生成方法經歷了傳統方法、微流控芯片方法和近年來出現的芯片外新方法, 即從無芯片到芯片再到脫離芯片的過程。液滴制備方法各有特點及各自適用的領域, 且其實驗設備、操作技術、應用范圍隨著社會需求和科技的進步不斷發展。在此過程中, 各類方法相互借鑒, 互為補充, 為推動研究的深入發展提供了更多可能。

近年來出現的制備液滴的新型片外方法兼具傳統方法及微流控芯片方法的一些特點,在此基礎上加以改進, 在節省試劑、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, 實現了自動化液滴生成與操控。超疏水“吸液器冶方法與傳統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可在實驗室自制, 方法簡單易行。該方法還可實現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。手持數字移液器將微流控芯片與傳統移液器結合, 設備簡單, 可單手操作, 并且能夠對單個液滴進行精確操控, 故大大節省試劑用量并減小誤差。此外, 聲波打印技術則突破了噴墨打印技術對液滴生成材料的限制, 大大拓寬了液滴應用領域。

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勢奠定了其在生物、化學、醫藥等領域應用的基礎。但是, 微流控芯片方法在流體的控制、液滴運動的自動化、液滴產生通量、控制的靈活性等方面仍然面臨著許多挑戰。此類技術對芯片的設計和加工、芯片系統外圍設備、專業人士的操作具有很強的依賴性。 脫離芯片的新技術、新方法將以往的液滴生成方法與界面作用、打印技術、材料特性等結合生成液滴, 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域交叉作用的結果, 適用范圍不斷擴大。 在各領域研究者的共同努力下, 可望出現更多簡便快捷、可控、精細的方法, 滿足更為廣泛的應用需求。

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