液滴微流控系統(tǒng)是微流控芯片領(lǐng)域的一個(gè)新的分支，由于其諸多獨(dú)特的優(yōu)勢而得到了廣泛的研究和報(bào)道。液滴微流控芯片技術(shù)近年來廣泛應(yīng)用在化學(xué)與生物化學(xué)分析等領(lǐng)域中。

1.液滴微流控芯片技術(shù)來源

微流控芯片實(shí)驗(yàn)室的研究起始于20世紀(jì)90年代初，Manz等開展了早期的芯片電泳研究并提出了微全分析系統(tǒng)的概念。早期的芯片實(shí)驗(yàn)室研究工作主要集中在連續(xù)流微流控系統(tǒng)。近年來，微流控芯片領(lǐng)域出現(xiàn)了一個(gè)新的分支———非連續(xù)流微流控系統(tǒng)，亦被稱為液滴微流控系統(tǒng)。液滴微流控系統(tǒng)使用不相溶的兩相流體在微孔道界面處形成液滴 ，這類液滴的體積通常在納升至皮升范圍內(nèi)。相對于連續(xù)流微流控系統(tǒng)，液滴微流控具有體積小、低擴(kuò)散、無交叉污染、快速的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等特點(diǎn)，并且具有高通量分析的潛力。自液滴微流控的概念提出以來，經(jīng)過幾年的發(fā)展，液滴微流控制備技術(shù)已日趨成熟；同時(shí)，液滴的分裂、融合、混合、 分選、存儲(chǔ)和編碼等豐富多樣的操控技術(shù)也都有廣泛的報(bào)道。液滴微流控技術(shù)的成熟使其逐步應(yīng)用于化學(xué)和生物化學(xué)分析等諸多領(lǐng)域。

2.液滴微流控制備技術(shù)

在微流控芯片的孔道中，兩相互不混溶的連續(xù)流體在其界面處會(huì)生成穩(wěn)定、有序的非連續(xù)流，即液滴。通過調(diào)節(jié)芯片孔道的幾何構(gòu)型、表面化學(xué)性質(zhì)和流體流速等條件可靈活地調(diào)節(jié)液滴的大小和生成頻率。目前，液滴微流控的制備主要有3種方式：正交結(jié)構(gòu)（T-junction）、流式聚焦（flow-focusing）和共軸流（co-axial flow）。

2.1正交結(jié)構(gòu)液滴微流控制備技術(shù)

在“T”型芯片的正交孔道中，分散相（通常為水 相）被垂直地引入到不相溶的連續(xù)相（ 通常為油或 氣體）中，在兩相的界面處分散相被連續(xù)相“ 切割” 生成液滴。Thorsen等首次使用正交結(jié)構(gòu)芯片并以水為分散相、油為連續(xù)相制備液滴。Chen等在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材質(zhì)的“T”型芯片中對流體的流型和液滴的生成機(jī)理進(jìn)行了研究。在單級“ L”型芯片制備液滴的基礎(chǔ) 上，雙“T”構(gòu)型的芯片被用來制備更為復(fù)雜的液滴流。

2.2流式聚焦液滴微流控制備技術(shù)

不同于“T”型芯片的正交構(gòu)型，流式聚焦是把3條流路聚焦于一個(gè)孔道中，外圍流路中注入連續(xù)相，而分散相從兩條連續(xù)相中央的孔道引入，外圍兩連續(xù)相流路通過施加壓力和黏滯力把中間的分散相切分為液滴。Anna等使用流式聚焦芯 片首次對液-液體系液滴的生成進(jìn)行了研究，并使用該構(gòu)型的芯片制備了單分散和多分散的液滴乳液。Takeuchi等使用軸對稱的流式聚焦芯片制備了高均一度的聚合物包裹液滴，這種軸對稱聚 焦可以將液滴局限在芯片孔道的中心軸上，從而避免了液滴與芯片的孔道發(fā)生接觸，同時(shí)使液滴免受剪切力的影響。在流式聚焦基礎(chǔ)上，Abate等還引入隔膜閥來調(diào)控液滴的生成，無需調(diào)節(jié)流速即可控制液滴的大小及其生成頻率。作為流式聚焦法的延伸，Hashimoto等采用多個(gè)流式 聚焦結(jié)構(gòu)并聯(lián)，考察了液滴的平行制備。

2.3共軸流（Co-axial flow）液滴微流控制備技術(shù)

共軸流是一種真正意義上在三維尺度制備液滴的方法。該方法是在芯片孔道中心軸上內(nèi)置一個(gè)拉制成尖嘴的石英毛細(xì)管(汶顥提供微流控芯片實(shí)驗(yàn)室配件耗材)，管內(nèi)的分散相和管外的連續(xù)相平行流動(dòng)，在內(nèi)置毛細(xì)管的尖嘴出口區(qū)域生成液滴。Cramer等首次在微流控系統(tǒng)中應(yīng)用這種模式來制備液滴，并提出兩種不同的液滴生成機(jī)理，即：毛細(xì)管尖端直接生成液滴或在尖端下游分散相噴射區(qū)生成液滴。Utada等對共軸流模式下兩種液滴生成機(jī)理的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究，指出這種轉(zhuǎn)變?nèi)Q于外圍連續(xù)相的毛細(xì)管準(zhǔn)數(shù) 和中央分散相的韋伯?dāng)?shù)。Panizza等集成了多個(gè)共軸流模塊用來制備不同大小、形狀和結(jié)構(gòu)層次的乳液和顆粒。

3.液滴微流控操控技術(shù)

液滴制備完成后，為了實(shí)現(xiàn)向液滴內(nèi)引入目標(biāo) 樣品、完成液滴內(nèi)反應(yīng)物的充分混合以及液滴內(nèi)涵物的分析檢測等功能操作，液滴的操控技術(shù)必不可 少。壓力、介電電泳、磁場、光誘導(dǎo)和熱梯度等諸多 操控手段已被應(yīng)用于液滴的分裂、融合、混合、分選、 存儲(chǔ)和編碼等操作中。

3.1液滴的分裂

對液滴進(jìn)行分裂可以減小液滴的體積、調(diào)控液 滴內(nèi)樣品的含量。目前文獻(xiàn)報(bào)道的液滴分裂方式有 主動(dòng)分裂和被動(dòng)分裂兩種。Chiou等報(bào)道了一種利用光誘導(dǎo)電潤濕（optoelectrowetting）效應(yīng)進(jìn)行液滴主動(dòng)分裂的方法。光照射到OEW表面可以改變聚四氟乙烯涂層的潤濕 能力，基于電潤濕機(jī)理通過控制表面張力驅(qū)動(dòng)液滴 分裂。Link等通過控制芯片的結(jié)構(gòu)在壓力驅(qū)動(dòng) 的非連續(xù)流中實(shí)現(xiàn)了液滴的被動(dòng)分裂。他們分別采 用正交結(jié)構(gòu)和在芯片孔道中內(nèi)置障礙物兩種方法考 察了液滴分裂的精確調(diào)控。主動(dòng)分裂的機(jī)理復(fù)雜，單次只能控制一個(gè)液滴的分裂，分裂的效率低。被動(dòng)分裂的機(jī)理和操控相對簡單，分裂的效率高，在高通量化學(xué)和生物監(jiān)測方面有較好的應(yīng)用前景。

3.2液滴間的融合

化學(xué)反應(yīng)往往涉及多種物料，向液滴內(nèi)引入試劑來引發(fā)、加速、減緩或終止化學(xué)反應(yīng)等一系列操作 都需要通過液滴融合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在芯片孔道中實(shí) 現(xiàn)液滴間的融合需要滿足兩個(gè)基本條件：一是讓液 滴相互接觸；二是要克服液滴間的表面張力。Niu等報(bào)道了在芯片孔道中設(shè)計(jì)“小柱”結(jié)構(gòu)，通過調(diào)控連續(xù)相的流阻和分散相的表面張力來控制相鄰兩液滴的融合。Zagnoni等對電場控制芯片孔道內(nèi)單分散液滴間的融合進(jìn)行了系統(tǒng)考 察，在低電場下液滴成對地融合，在高電場下單分散 的液滴發(fā)生大規(guī)模的融合。除了電場驅(qū)動(dòng)，漩渦光 束也被應(yīng)用于控制液滴的融合。在其背景連續(xù)相中，漩渦光束可以穩(wěn)定可控地操控兩目標(biāo)液滴的 融合，其操控更具有靈活性和精確性。

3.3液滴內(nèi)的混合

反應(yīng)物的混合程度對于化學(xué)合成和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究至關(guān)重要。宏觀系統(tǒng)的混合過程基于湍流混 合和層流混合機(jī)制。然而在微流控系統(tǒng)中，孔道的 特征尺寸往往在微米級，流體的流速通常較低，雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于2000，流體混合主要基于層流混合機(jī)制，分子擴(kuò)散的影響十分顯著。在連續(xù)流微流控系統(tǒng)中可采用微混合器控制流體混合，然而在液滴微流控系統(tǒng)中需要有選擇性地控制液滴內(nèi)反應(yīng)物的混合，同時(shí)又不對液滴流體系造成破壞，操控難度相對較大。Song等報(bào)道了一種簡便、快速控制液滴內(nèi)樣品混合的方法：將芯片的內(nèi)孔道設(shè)計(jì)成“S”形彎道，當(dāng)液滴流經(jīng)不同弧度的彎道時(shí)其間歇性的構(gòu)型變化將在液滴內(nèi)部形成對流，依靠 這種對流作用可以完成液滴內(nèi)極快速的混合過程（約2ms）。Paik等報(bào)道了一種電潤濕法（elec-trowetting），通過施加電壓調(diào)控液滴的表面張力,在液滴流經(jīng)電極陣列的過程中完成液滴內(nèi)的混合， 微升級的液滴在5s之內(nèi)得到有效混合。

彎道構(gòu)型芯片控制液滴內(nèi)的快速混合

3.4液滴的分選

液滴分選主要是為了從大量的液滴中分選出感興趣的目標(biāo)液滴，并對其進(jìn)行精確的調(diào)控和進(jìn)一步 操作。液滴的分選需要基于液滴之間某種性質(zhì)的差 異，分選的操控往往比較復(fù)雜。Tan等報(bào)道了一 種通過調(diào)控雙分岔正交孔道的幾何構(gòu)型和支路流速 的方法對液滴進(jìn)行被動(dòng)分選，無需電極和微閥的調(diào) 控即可對不同大小的液滴進(jìn)行分選。此外，重力場 也被應(yīng)用于控制液滴被動(dòng)分選。相比于被動(dòng)分選法，主動(dòng)分選的可控參數(shù)較多，因而主動(dòng)分選法對液滴的操控更具有靈活性。Ahn等報(bào)道了使用介電電泳控制液滴快速分選的方法，分選速度高達(dá)1.6kHz。Baround等報(bào)道了一種 使用激光操控液滴進(jìn)行分選的方法，利用激光的照射來阻礙水-油界面的運(yùn)動(dòng)，在兩相中其作用類似于一個(gè)微閥，進(jìn)而調(diào)控液滴的分選。

3.5液滴的存儲(chǔ)

批量地制備液滴之后，往往要采用離線的模式對逐個(gè)液滴進(jìn)行分析和檢測。與此同時(shí)，考慮到液滴內(nèi)的混合和反應(yīng)通常也需要較長時(shí)間來完成，在制備完成之后就需要對液滴進(jìn)行存儲(chǔ)。由于液滴被不相溶的連續(xù)相所間隔，液滴可以長時(shí)間地存儲(chǔ)而彼此之間不產(chǎn)生交叉污染。Lin等報(bào)道了一種多 重孔道結(jié)構(gòu)的微流控芯片對液滴進(jìn)行俘獲存儲(chǔ)，并對封裝入液滴內(nèi)的單個(gè)秀麗隱桿線 蟲對于神經(jīng)毒素的刺激性反應(yīng)進(jìn)行了研究。不同于俘獲存儲(chǔ)的方法，Zhang等報(bào)道了使用毛細(xì)管直接對液滴進(jìn)行收集存儲(chǔ)的方法。這一存儲(chǔ)方法操作簡便，無需特殊設(shè)計(jì)的芯片結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)，且收集量沒有嚴(yán)格限制（只需延長管路長度即可）。

3.6液滴的編碼

在液滴制備過程中，封裝入每個(gè)液滴內(nèi)的樣品往往不盡相同。因此對每個(gè)液滴進(jìn)行編碼就顯得尤為重要，特別是當(dāng)制備的液滴數(shù)目巨大的時(shí)候。液 滴的編碼是液滴微流控技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合，液滴的編碼標(biāo)記可以確保對每一個(gè)液滴進(jìn)行尋址追 蹤和精確操控，也可以選擇性地對目標(biāo)液滴進(jìn)行操 控和分析，可以大幅度地提高分析的針對性和工作效率。在液滴編碼標(biāo)記的研究中，Zheng等首先報(bào)道了使用“ 液滴對”來標(biāo)記液滴。即每一對液滴包括一個(gè)常規(guī)的含有反應(yīng)物的液滴和一個(gè)染料液滴，兩個(gè)液滴形成對應(yīng)關(guān)系，通過染料液滴來標(biāo)記含有反應(yīng)物的液滴內(nèi)的組分，該標(biāo)記方法被成功地用 于蛋白質(zhì)結(jié)晶條件的檢測。Zhang等報(bào)道了使用 Portex管對液滴進(jìn)行順序存儲(chǔ)的方法。該方法將毛細(xì)管液相色譜洗脫物順序“ 封存”入多個(gè)液滴 中進(jìn)行儲(chǔ)存，并建立了色譜圖與編碼液滴的對應(yīng)關(guān) 系，相當(dāng)于將一張色譜圖以液滴的形式保存下來。接下來，類似于“ 中心切割”二維分離模式，對于感興趣的目標(biāo)液滴，通過毛細(xì)管電泳進(jìn)行進(jìn)一步的分離 分析。Schmitz等報(bào)道了使用陣列的腔體對液滴進(jìn)行俘獲，并對俘獲后的液滴進(jìn) 行編碼標(biāo)記，這使得在數(shù)目巨大的液滴群中對單個(gè) 液滴進(jìn)行研究成為可能。

2.液滴微流控芯片在生化分析中的應(yīng)用

液滴微流控體系具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：體積小，降低了樣品和試劑的用量；比表面積大，熱傳遞較快；液滴內(nèi)的再循環(huán)有利于快速混合；液滴之間相互獨(dú)立，沒有擴(kuò)散和交叉污染；潛在的高通量分析能 力等。隨著液滴的分裂、融合、混合、分選等操控技 術(shù)的日趨豐富與成熟，液滴微流控技術(shù)正逐漸成為化學(xué)分析和生物化學(xué)分析中一種具有良好應(yīng)用前景的工具。

5.液滴微流控應(yīng)用前景

液滴作為一種全新的、極具發(fā)展前景的微流控 技術(shù)已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，相關(guān)的研究已取 得了一系列令人矚目的進(jìn)展，目前該領(lǐng)域仍處于高 速發(fā)展的階段。液滴微流控技術(shù)未來的發(fā)展趨勢大致包括以下幾個(gè)方面：

5.1微流控芯片材料及加工技術(shù)。

迄今為止很多材料被用來制備微流控芯片，如硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸 酯（PC）、聚環(huán)烯（COC）等。與此同時(shí)，不斷有新的材料被應(yīng)用于芯片的加工，簡單、穩(wěn)定的芯片材料以及低成本的芯片加工工藝將促進(jìn)液滴技術(shù)更廣泛地被接受和應(yīng)用。

5.2高靈敏度、高通量的液滴微流控分析檢測技術(shù)。

液滴微流控芯片可操控納升至皮升級的液體單元，從微流控到納流控，操控的液滴體積將進(jìn)一步縮小，同時(shí)液滴的數(shù)量往往十分巨大。為了實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜液滴微 流控體系的監(jiān)控與操作有必要發(fā)展高靈敏度、高通量的液滴檢測技術(shù)。

5.3更為豐富和可靠的液滴操控技術(shù)。

液滴的操控技術(shù)對于完成一系列的單元操作至關(guān)重要，到目前為止雖報(bào)道了很多液滴操控技術(shù)，但其仍然有巨大的發(fā)展空間。更為豐富的操控技術(shù)能帶來更多功能的單元操作，而更高可靠性的操控技術(shù)將使系統(tǒng)更加強(qiáng)健。

5.4單元操作的集成化。

微流控芯片的真正優(yōu)勢在于其規(guī)模集成。集成有多個(gè)操作單元的液滴微流控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜和強(qiáng)大的功能，有望實(shí)現(xiàn)真正的“芯片實(shí)驗(yàn)室”。

5.5應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展。

液滴微流控技術(shù) 雖已應(yīng)用于化學(xué)分析和生物分析等領(lǐng)域，但其獨(dú)特的優(yōu)良性質(zhì)在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用仍有待進(jìn)一步發(fā)掘。

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