原創： 石頭道科普

微液滴在藥物控釋、病毒檢測、顆粒材料合成、催化劑等領域中均有重要應用。就IVD領域，基因芯片、蛋白芯片、dPCR都需要利用微液滴。微流控技術的發展實現瞭微液滴尺寸、結構、形貌和功能的可控設計和精確操控，使之成為微液滴領域最重要的技術平臺之一。本推送主要介紹液滴微流控的特點、常見芯片結構和主要應用。

微液滴生成原理

微流控法制備微液滴主要是利用互不相容的兩種液體分別作為連續相和離散相，通過控制微管結構和兩相流速比來控制液滴的生成。在固定體積流率的驅動泵的推動下，連續相和離散相分別進入不同的微通道，當兩股流體在交叉點處相遇後，離散相流體繼續延伸形成“塞狀或“噴射狀”的液柱後在連續相流體的剪切和擠壓作用下而被夾斷，以微液滴的形式分散於連續相中。

通常，微液滴的生成需要以足夠大的作用力擾動連續相與分散相之間存在的界面張力。當待分散相某處施加的力大於其界面張力時,該處微量液體會突破界面張力進入連續相中形成液滴。在微尺度下,界面張力和液體黏度都起著非常重要的作用，其中最常用的調節手段就是加入不同的表面活性劑。

液滴微流控的特點

微液滴常作為微反應器，實現生化反應、試劑快速混合以及微顆粒合成等，極大地強化瞭微流控芯片的低消耗、自動化和高通量等優點。

利用微流控芯片制作液滴具有下列特點：

速度快

短時間內可以生成大量的微反應器（最高可達數千赫茲），適合高通量的生物和化學分析；

均一性好

通常利用微流控方法制備的液滴均一性較常規方法更好。

尺寸可調

微流控生成的液滴尺寸可由多種方法進行控制。液滴的體積可小至皮升或飛升，大大降低瞭樣品與試劑的消耗。

連續可控

微流控液滴可連續合成液滴，且可根據需求調節液滴的成份，使之廣泛應用於IVD領域。

混合效率高

混合速度較連續流動的微流控系統明顯加快，反應時間大大減少。

液滴獨立

液滴被與之不互溶的另一相間隔，每個液滴皆可作為獨立的微反應器。

基於上述特點，液滴微流控系統在IVD領域有巨大的應用前景。盡管現在仍然需要解決液滴不穩定，難以與後續步驟集成等問題，但液滴微流控一定會在以後的單分子、單細胞分析領域有廣闊的應用前景。

微流控液滴生成結構

微流控液滴的生成最常見的方式有兩種：T型管道結構、聚集型管道結構和同軸管道結構。根據設計的不同，又可分為多種形式。

T型管道法

T型管道法是一種被動形成方法。連續相和分散相以一定角度運行，在T形結處分散相與連續相相交，分散相延伸到連續相中並被拉伸，直到被剪切力分離成液滴。在T型接頭中，液滴的大小和形成速度取決於流速比和毛細管數。毛細管數與連續相的粘度，連續相的表觀速度和界面張力有關。通過添加其他通道，可以在同一點添加不同的分散相，以生成具有不同組成的交替液滴。

聚集型管道法

流動聚集是常用的被動形成方法。分散相在接口處受到連續相的對稱剪切力，並進一步在通道中變窄以產生液滴。減少連續相的流量會增加液滴的大小。這種方法的好處在於可以以更快的速度進行液滴的生成，速率高達數百Hz至數十kHz。

同軸管道法

同軸管道法是一種被動液滴形成方法。將分散相通道封閉在連續相通道內，在分散相通道的末端，流體被拉伸，並通過滴落或噴射形成液滴。連續相流速對液滴尺寸的影響取決於系統是處於拉伸狀態還是擴展狀態。這種方法通常生成液滴的速度更快，尺寸可達納米級別。

液滴微流控的應用

IVD檢測

自聚合酶鏈反應（PCR）誕生以來，它一直是基因組學和生物學研究中的重要工具。液滴式數字PCR（ddPCR）的技術進步使單分子PCR的構建成為可能。使用油包水系統，液滴PCR通過組裝成分，形成液滴，合並液滴，熱循環以及然後像常規PCR一樣處理結果來進行操作。基於ddPCR大大提高瞭普通PCR的檢測能力，其中該方法最為出名的就是Bio-Rad公司開發的QX200系統和Rain Drop系統。

另一方面，目前液滴微流控系統還被應用於單分子、單細胞分析領域。將細胞分離到單獨的液滴中，通過對單個細胞進行後續分析，可以得到比常規方法更加靈敏的，更加有效的臨床信息。

化學合成

由於每個液滴都可以精確控制其成份，大小，並且具有更高效地混合效率。基於液滴微流體技術的微型反應器可使用少量試劑，快速反應（毫秒級）和有效的熱傳遞來降低成本。聚合物粒子，微囊，納米晶體和光子晶體簇或微珠，都可以在液滴微流控芯片下進行合成。尤其是需要對粒子成份進行精確控制時，液滴微流控具有更大的優勢。

細胞分析

基於液滴的微流控技術的主要優勢之一是能夠將液滴用作單個細胞的培養箱。由於每秒能夠產生數千個液滴，液滴微流控開辟瞭表征細胞種群的新方式。這種細胞分析手段不僅可在特定時間點測量的特定標記，而且還可基於單細胞的動力學行為，例如蛋白質分泌，酶活性或增殖進行分析。

個人總結

目前微流控的確是控制液滴最好的平臺，無論是液滴的混合、產生和控制都能夠很好地在微流控芯片中完成。IVD技術通常包含大量功能步驟，這些功能步驟完成瞭一系列化學和生物反應，最後得到人們想要的結果。微流控確實是一種很好的平臺，而液滴微流控又是產生和控制液滴最好的技術。產生和分析大量間隔液滴是液滴微流控的優勢，並且現在仍可以通過開發更快的，生成更均勻的液滴的新方法。這些新方法又不斷地拓展液滴微流控的應用領域。

目前液滴微流控主要的商業化應用是ddPCR。人工智能（AI）的出現成為化學和生物科學領域的革命性工具，這種技術使得人們可以進行高通量的數據分析，利用液滴微流控快速的數據生成功能與AI算法的高級分析功能，可進一步拓展液滴微流控的應用潛力。

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