液滴微流控技术在生物医学中的应用进展

液滴微流控技术在生物医学中的应用进展
1 引 言 微流控Microfluidics是指在微米尺度空间对流体进行操控的一种技术，该技术可以将化学、生物等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上，因此又被称为芯片实验室 Labonachip[1]。微流控芯片系统可以在几十到几百微米的微小通道或构件中操控流体的流动，所操控的流体体积可小至10 Symbolm@@ 9～10 Symbolm@@ 18L。它把样品反应、制备、分离、检测等生化实验的基本操作集成到很小的芯片上，以可控流体由微通道形成网络贯穿于微流控系统，在实现了常规生化实验室各项功能的同时，降低了分析检测的成本，加快了反应速度，提高了反应效率，使得实验可控性更强[2]。微流控芯片制作简单、成本低廉、分析速度快，现已广泛应用于生物、化学和医学等研究领域[1～4]。 液滴微流控作为微流控芯片研究中的重要分支，是近年来在传统连续流微流控系统基础上发展起来的，利用互不相溶的两液相产生分散的微液滴进行实验操作的非连续流微流控技术[5]。在微流控芯片中，液滴是两相界面处的表面张力和剪切力共同作用形成的，根据分散相和连续相的不同，液滴可分为两种 油相中的水相微液滴WO型液滴，和水相中的油相微液滴OW型液滴。液滴微流控实现了液滴在微小通道中的流动控制，为生物和医学研究搭建了一个全新的平台[6]。迄今为止，液滴技术已广泛应用于DNA、蛋白质、酶等生物大分子的分析检测以及药物传递等生物医学领域。 2 液滴微流控概况 2.1 液滴微流控的特点 传统的连续流微流控系统，由于低雷诺数层流的特点，连续流体的混合比较困难，同时也增加了其样品的消耗量。此外，当需要增加平行测试的数目以提高反应或分析的通量时，往往会增加芯片的尺寸和复杂性。另外，均相流体也易造成交叉污染[7，8]。与之相比，液滴微流控技术由于结合了微流控以及液滴技术，本文由毕业论文网收集整理使其兼有两者的特点 1体积微小 通过微流控液滴技术，产生的微液滴体积可在纳升甚至飞升范围内。体积的减小增加了液滴的比表面积和传质性能，能与连续相之间发生高效的物质传递和能量转移，从而减少了液滴内样品混合及反应的时间。Leman等[9]在飞升fL水平的液滴中进行操控并获得显著成效，在75 fL的液滴中它们的混合时间为45 s，远远快于此前的报道。液滴由于反应快速，所需样品量消耗微少，适用于对单细胞、单分子进行分析，尤其也适合一些珍贵样品的筛选与分析[10～12]。 2生成速度快 微液滴在微流控技术下的产生频率在0.1～ 2016 Hz之间，因此

微液滴能为一些酶反应和基于细胞筛选的实验提供高分辨率的优质数据支持[13，14]。此外，液滴微流控这一特性可以在短时间内产生大量平行重复的反应单元，从而在高通量基因分析和药物筛选等方面被广泛应用[15～17]。 3大小均匀，体系封闭 由于每个微液滴处在连续相中被彼此分开。每个液滴中的样品互不影响，这样就使得样品浓度保持相对稳定，且避免了样品之间的交叉污染。另外，水相微液滴由于被油相包裹，内部环境稳定，外部蒸发受到抑制，反应条件在短时间内所受外界的影响微乎其微[18]，这些条件在宏观的实验中是很难实现的。此外，微液滴还可包裹单个细胞或者细胞团，甚至可对活生物体进行培养来测定特定刺激下所产生的可溶性代谢产物[19]。 4单分散性良好 由于多分散性所产生的液滴大小不同，传统的液滴方法在实际研究中很难进行定量分析，而液滴微流控技术所产生的微液滴凭借其良好的单分散性，使反应物的浓度保持相同，反应条件保证一致，因而有助于实验的定量分析与研究[20，21]。此外，还可将检测装置集成于微流控芯片上，使液滴能被直接分析，从而极大地扩展了其应用范围[22，23]。 2.2 液滴的生成方法 在微流控芯片上产生液滴，是一相流体在另一相不互溶或部分互溶流体中分散的过程，两种互不相溶的液体，以其中的一种作为连续相，另一种作为分散相，分散相以微小体积10 Symbolm@@ 15～10 Symbolm@@ 9 L单元的形式分散于连续相中，形成液滴[24～26]。目前形成液滴的方法可以分为被动法和主动法两类[27，28]。被动法是指通过控制微管道结构和两相流速比来控制液滴的生成[29～32]，而主动法一般通过外加力来驱动和控制液滴的生成[23]。 被动法主要包括T型通道法、流动聚焦法和共轴流聚焦法如图1所示。T型通道法是产生微流 图1 3种被动产生微液滴的方法[33] Fig.1 Three passive methods for generating microdroplets [33] A T型通道微流控芯片液滴发生方法 B 流动聚焦微流控芯片液滴发生方法 C 共轴流微流控芯片液滴发生方法。右侧为对应方法的原理示意图[34]。其中有色部分为分散相，箭头所指方向为连续相流动方向。 A Tjunction microfluidic chip droplet formation method B Flowfocusing microfluidic chip droplet formation method C Coflowing streams of microfluidic chip droplet formation method. The right parts are schematic illustrations of relative methods [34]. The colored area indicates the dispersed phase， and the arrow indicates the flow direction of the continuous phase， respectively.
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