北京工業大學機械工程與應用電子技術學院劉趙淼教授課題組在英國皇家化學學會期刊《RSC Advances》上發表最新綜述成果——基于微流控系統的分子濃度梯度生成方法（Concentration gradient generation methods based on microfluidic systems）。該文章的主旨聚焦于微流控技術的重要應用——分子濃度梯度，歸類總結了利用微流控系統生成分子濃度梯度的不同方法。總體上，根據濃度生成通道中有無流動液體的剪切作用將生成方法分成兩種，每一種方法又可以依照多種不同原理或結構來實現，文中針對每種方法的結構特點、濃度形成機理、理論計算公式、適用范圍以及優缺點等進行了詳細闡述與比較。

近年來，微流控技術已經在眾多領域得到應用，其中很重要的一部分就是分子濃度梯度的生成，事實上，大部分涉及到活性、效率和毒性檢測的生化反應都需要試劑的不同濃度梯度，包括細胞在培養液中的生長、遷移和應激抵抗，重金屬毒性檢測，粒子或纖維等材料制備，生物酶活性檢測，蛋白質在線表達等。此外，通過精確復制生物體內液體的各種濃度變化曲線，可以在體外環境下模擬不同細胞的活動狀況，有助于更加方便且深入地了解人體工作機制，以及探究炎癥、傷口和癌癥等病癥下的藥物傳遞效果和生物修復機理，這也是濃度梯度最重要的應用價值。傳統宏觀尺度的濃度生成方法難以達到細胞尺度的精度控制，試劑消耗量大，且無法按需生成不同變化規律的濃度梯度，已經不能滿足現在生化檢測等應用需求。微流控技術的精準流動控制正好可以解決這些問題，因此在分子濃度梯度生成方面發揮出越來越重要的作用。

論文主體部分沿著時間軸線逐一回顧了幾種用于生成分子濃度梯度的微流控方法。最早被提出的是“圣誕樹形”的流動結構（如圖1所示），該方法生成效果穩定，使用范圍廣，但是生成中伴隨的剪切作用會對一些生化檢測產生干擾，同時該結構占用芯片的空間較大。一些研究對這些缺陷進行改進，通過在液體流動通道和濃度生成腔之間加入阻擋結構，極大地減弱了流動剪切產生的影響，而通過重新設計分流通道的交匯結構可以減少通道的分裂級數，芯片的占用面積得到減少。

圖1 “圣誕樹形”流動結構

“薄膜”結構（如圖2所示）的加入可以完全阻隔流動液體的通過，只允許高低濃度液體中分子的擴散，從根本上去除了流動剪切作用的存在。這種結構要注意流動速度的控制以及源頭液體的更換，否則，長期分子交換的積累會改變初始液體濃度，導致分子濃度梯度的變化。“壓力平衡”結構包含液體流動部分和分子擴散部分，液體流動部分的壓力調節平衡之后可以保證濃度生成腔中只存在分子擴散作用，而流動剪切作用只會停留在液體流動通道中，該方法集合流動通道的快速傳遞和濃度生成腔的無剪切作用兩者優點，為未來微流控結構設計提供一種新的思路。

圖2 “薄膜”結構

文中最后總結了近幾年興起的“液滴”兩相流技術（如圖3所示），也是之前文章中較少進行全面總結的研究內容。液滴兩相界面的包裹特性天然屏蔽了外部流動液體的干擾，保證內部環境的相對獨立，雖然內部流場的研究表明，離散相在液膜的作用下存在旋轉渦，但是由此帶來的剪切作用非常微弱，與前述的流動剪切作用不在一個數量級。同時液滴的離散體積也可以實現對反應結果的定量檢測，這也是液滴兩相流技術的顯著優勢。

圖3 “液滴”兩相流結構

得到的主要結論為，流動液體在通道中生成濃度梯度的速度較快，該方法適用于生成動態濃度梯度，但會伴隨較大的剪切力；濃度梯度生成腔內無流動液體的生成方法可以避免剪切作用的影響，但是更適合靜態濃度梯度的生成；利用液滴的多相流系統可以提供封閉的微環境，實現液滴內部較小的剪切作用，但是同時要求精確的液滴生成和控制技術。具體應用中針對不同培養或檢測方面的需求來選取適用的濃度梯度生成方法，并將多種生成方式進行結合，以規避單一結構的缺陷，提高濃度梯度生成系統的精度和適用效果。

本文相關工作得到了國家自然科學基金的資助，論文第一作者為2015級博士生王翔，劉趙淼教授為論文的唯一通訊作者，課題組逄燕老師為論文的共同作者。劉趙淼教授課題組在液滴生成、液滴融合、粒子分選等方面已開展系列研究，相關成果發表在Lab on a Chip，Soft Matter，Microfluidics and Nanofluidics，RSC Advances，Experiments in Fluids等國際期刊，表明該課題組在國內外同行中影響力的逐步提升，以及北京工業大學流體力學學科的穩步發展。

原文鏈接：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/ra/c7ra04494a