一次過(guò)程生成多個(gè)液滴的方法

滑動(dòng)芯片
Ismagilov 實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種滑動(dòng)芯片(SlipChip)裝置(圖 2A), 可用于多路情況下的各種生化反應(yīng),而不依賴于泵和閥門。 該裝置由上下兩塊緊密接觸的玻璃板構(gòu)成, 底板上具有微孔陣列及微管道, 頂板上具有與底板相對(duì)應(yīng)的微孔陣列。 當(dāng)頂板微孔與底板微管道對(duì)齊時(shí), 該結(jié)構(gòu)連接成一條連續(xù)的流體通道。 實(shí)驗(yàn)時(shí), 在底板微孔中預(yù)先加入試劑, 蓋上頂板, 形成流體通道, 向通道中注入樣品, 之后滑動(dòng)芯片使兩塊板的微孔對(duì)齊, 液滴混合, 發(fā)生反應(yīng)。 SlipChip 具有消耗試劑少、 不易交叉污染、 多路反應(yīng)可同時(shí)進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)。 已有研究將滑動(dòng)芯片法應(yīng)用于稀有細(xì)胞的篩選和分析, 并提出了微流體的隨機(jī)限制的概念, 該工作將有助于拓展微流體隨機(jī)限制在人類疾病診斷和環(huán)境測(cè)試等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。 滑動(dòng)芯片法在單細(xì)胞遺傳分析的所有階段亦有廣闊的應(yīng)用前景, 包括細(xì)胞富集和捕獲、單細(xì)胞劃分和操作以及檢測(cè)和分析。 通過(guò)滑動(dòng)芯片法還能控制液滴形狀和體積，在一個(gè)液滴中生長(zhǎng)出一個(gè)晶體, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)單晶體的制備。 另外, 滑動(dòng)芯片法在生物分析傳感器的亞皮摩爾檢測(cè)極限解決方案方面亦有應(yīng)用。 在合成其它難以獲得的新功能材料和結(jié)構(gòu), 如研究脂質(zhì)和聚合物膜的功能和性質(zhì), 以及在液-液界面上執(zhí)行反應(yīng)等過(guò)程研究方面, 滑動(dòng)芯片法也有所進(jìn)展。 有研究者研發(fā)出基于滑動(dòng)芯片法的全自動(dòng)、低成本和手持的數(shù)字 PCR平臺(tái), 并有望應(yīng)用于恒溫核酸擴(kuò)增方法等生物監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。如將滑動(dòng)芯片法與其它微流體技術(shù)整合, 可進(jìn)行大范圍的重復(fù)樣品生物分析工作, 包括快速識(shí)別血液等復(fù)雜生理基質(zhì)中的病原體、單分子核酸分析。 在 SlipChip 的基礎(chǔ)上, 發(fā)展出了一種新的可拓展性平臺(tái), 利用溶液的表面張力實(shí)現(xiàn)流體輸送、混合、維持計(jì)量體積以及生物分子捕獲和釋放等。 但是, 由于采用了加工成本相對(duì)高的玻璃材質(zhì)制作芯片, SlipChip 方法可能導(dǎo)致費(fèi)用增加; 另外, SlipChip 方法比較適合進(jìn)行一些特定的生化反應(yīng), 單獨(dú)作為液滴制備方法使用并不能體現(xiàn)該方法的優(yōu)勢(shì)。

液滴裂分法制備飛升級(jí)液滴
Li 等提出了一種制備體積在飛升級(jí)的液滴的方法(圖 2B),可將液滴分裂成均勻的小體積的微液滴陣列。 該方法通過(guò)在帶有親水性區(qū)域的疏水性硅板上滑動(dòng)液滴, 實(shí)現(xiàn) pL ~ fL 級(jí)均勻微液滴的可控制備。 系統(tǒng)地討論了影響產(chǎn)生的微液滴體積的關(guān)鍵因素, 包括親水性區(qū)域大小、接觸力以及液滴與疏水硅板之間的相對(duì)滑動(dòng)速度。該方法能提供高通量且體積均勻的微液滴, 具有簡(jiǎn)便、高效、低成本的優(yōu)勢(shì), 適合應(yīng)用于細(xì)胞分析, 特別是生成單細(xì)胞陣列; 此外, 這種方法也被用于構(gòu)建應(yīng)用在微重力環(huán)境下的生物傳感平臺(tái), 并實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖、鈣和蛋白質(zhì)等典型標(biāo)志物的檢測(cè)。 Guo 等利用表面潤(rùn)濕性方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)化學(xué)和生物分子的超靈敏檢測(cè), 有望進(jìn)一步用于分析化學(xué)、分子診斷和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。體積在 fL 級(jí)別的液滴陣列是光操作、傳感和高通量診斷等技術(shù)中重要的影響因素, 已有液滴體積可調(diào)的二維液滴陣列應(yīng)用于多體積數(shù)字 PCR。 另一方面,fL 級(jí)液滴制備方法能夠在有機(jī)溶劑中實(shí)現(xiàn)小型化和平行的高通量篩選, 并已被用于光子操縱的可調(diào)節(jié)納米透鏡陣列。
基于界面瑞利—泰勒不穩(wěn)定性的液滴生成法
Marthelot 等從涂料容器的蓋子上粘附涂料的現(xiàn)象受到啟發(fā), 利用液膜的不穩(wěn)定性生成下墜液滴(圖 2C)。作者在一個(gè)圓盤上傾倒一薄層硅膠液膜,在液膜固化的同時(shí)反轉(zhuǎn)圓盤, 倒置幾分鐘后, 在重力和表面張力的共同作用下, 液體硅膠會(huì)自然形成不規(guī)則的下墜狀液滴陣列。 通過(guò)使用離心機(jī)還可以在一定范圍內(nèi)改變液滴大小, 旋轉(zhuǎn)的速度越快, 生成的液滴越小。這種方法巧妙地將通常需要克服的界面不穩(wěn)定性這一缺點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可以大規(guī)模生成微液滴陣列的途徑, 對(duì)環(huán)境和設(shè)備的要求也很低, 在柔性仿生結(jié)構(gòu)制備方面具有應(yīng)用前景。 但由于材料需經(jīng)歷由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程, 目前只使用了硅橡膠作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象, 基于其它材料(如蠟、熔融玻璃、金屬等)的結(jié)構(gòu)制備還需要進(jìn)一步研發(fā)。
一次過(guò)程生成一個(gè)液滴的方法類型
順序操作液滴陣列系統(tǒng)
浙江大學(xué)方群課題組提出了順序操作液滴陣列系統(tǒng)(圖 3A), 可自動(dòng)完成對(duì)超微量(pL ~ nL)液滴的多步操控。 第一代 SODA儀器由注射泵、毛細(xì)管探針、承載樣品的芯片和孔板以及一個(gè)可以在 x-y-z 方向移動(dòng)的平臺(tái)組成。 在此基礎(chǔ)上, 第二代 SODA 儀器增加了 CCD 成像系統(tǒng)和探針的自動(dòng)定位程序, 并將注射泵集成到儀器中。

SODA 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)液滴的定量、液滴陣列的生成、液滴的定位與移動(dòng)、液滴的分裂(取樣)與融合(加入試劑)等操作, 已被成功應(yīng)用于高通量藥物篩選、蛋白質(zhì)結(jié)晶條件的篩選、數(shù)字 PCR、單細(xì)胞分析、細(xì)胞遷移、細(xì)胞共培養(yǎng)等研究中, 并實(shí)現(xiàn)了與電噴霧質(zhì)譜、高速毛細(xì)管電泳和色譜等系統(tǒng)的分析聯(lián)用。
界面打印液滴生成法
Xu 等提出了一種界面打印液滴生成法, 利用毛細(xì)管連續(xù)輸出水相, 并在油-氣界面處高頻振動(dòng), 以及油-氣界面表面張力的周期性切割作用, 可連續(xù)快速生成大量 pL ~ nL 級(jí)體積可控的單分散液滴(圖 3B)。 XiE 無(wú)需借助微加工技術(shù), 只需要一臺(tái)注射泵和一臺(tái)控制毛細(xì)管按固定頻率振動(dòng)的電磁振動(dòng)器, 具有低成本的優(yōu)勢(shì), 適合常規(guī)實(shí)驗(yàn)室及非專業(yè)人士使用。 作者使用 XiE 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字等溫?cái)U(kuò)增(dLAMP), 并將其應(yīng)用于 H5 亞型禽流感病毒的快速定量檢測(cè)。與此類似, 吳必成等設(shè)計(jì)了一種基于超聲振動(dòng)的微液滴生成裝置, 可生成微米級(jí)的微液滴。該裝置利用控制器驅(qū)動(dòng)直線超聲電機(jī)高精度移動(dòng), 通過(guò)滑臺(tái)推動(dòng)注射器, 在噴嘴尖端生成微液滴, 之后利用壓電振子和噴嘴的振動(dòng), 使附著在尖端的液滴克服黏性力脫離尖端并落在一定范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)以蒸餾水為對(duì)象, 通過(guò)該裝置成功生成了半徑小于 40 滋m 的液滴。 該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 可將液滴生成至特定區(qū)域內(nèi), 應(yīng)用于多種液體微米級(jí)液滴的生成。
利用旋轉(zhuǎn)的毛細(xì)管生成液滴的方法
Chen 等提出了一種利用旋轉(zhuǎn)的毛細(xì)管生成液滴的方法, 可生成 1 pL ~ 100 nL 的油包水液滴。 裝置由伺服電機(jī)、偏心輪、負(fù)載平臺(tái)、注射泵、毛細(xì)管和離心管等部件構(gòu)成(圖 3C)。毛細(xì)管管口經(jīng)過(guò)疏水處理，浸入已預(yù)裝在離心管中的油相液面以下, 注射泵驅(qū)動(dòng)毛細(xì)管中的水相進(jìn)入油相, 控制毛細(xì)管轉(zhuǎn)動(dòng), 利用相界面的阻力和剪切力產(chǎn)生液滴。 液滴產(chǎn)生和收集在離心管中, 能夠避免樣品的污染和損失, 有利于進(jìn)行單細(xì)胞分析。 通過(guò)采用由多根毛細(xì)管構(gòu)成的陣列, 能夠?qū)崿F(xiàn)高速和高通量的液滴生成。使用這種方法實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞的全基因組擴(kuò)增。 在此基礎(chǔ)上, 他們還發(fā)展了基于慣性力的液滴生成方式, 利用離心機(jī)作為慣性力的產(chǎn)生裝置, 水在慣性力的作用下通過(guò)微通道產(chǎn)生微液滴, 被離心管收集。 這種方法具有樣品無(wú)殘留、生成的液滴大小均勻、高速和高通量等優(yōu)勢(shì), 而且能夠?qū)崿F(xiàn)在低溫下產(chǎn)生液滴。 他們用產(chǎn)生的液滴進(jìn)行了數(shù)字 PCR 測(cè)試, 并與商業(yè)化的儀器進(jìn)行比較, 證明了這種方法的有效性和便捷性。 Tang 等利用與 SiMPLE 類似的原理和裝置, 使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓錐臺(tái), 通過(guò)外加電場(chǎng)控制液滴大小, 實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬微液滴、固體水凝膠顆粒和纖維以及液態(tài)金屬核鄄水凝膠殼微液滴的制備。
超疏水吸液器對(duì)微小液滴的可控制備
Guo 等利用超疏水網(wǎng)與氣體負(fù)壓系統(tǒng), 制備了一種可對(duì)液滴進(jìn)行快速操控的超疏水“吸液器冶(圖 3D)。 常規(guī)狀態(tài)下, 液滴難于粘附在超疏水表面而可在其表面上自由滾動(dòng)。 當(dāng)在超疏水網(wǎng)的另一側(cè)施加一個(gè)可控的負(fù)壓時(shí), 由于內(nèi)外壓差作用, 液滴將被緊緊地吸附在超疏水網(wǎng)上。 該裝置有一彈性開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì), 用于控制負(fù)壓的通斷, 進(jìn)而控制液滴的捕獲和釋放。 負(fù)壓的施加實(shí)現(xiàn)了超疏水表面對(duì)液滴的粘附力的高度可控, 從而實(shí)現(xiàn)了微小液滴的制備和操縱。利用該超疏水吸液器, 課題組精確地制備了一系列體積在 0. 1 ~ 3. 0μL范圍內(nèi)的微小液滴, 并通過(guò)彈性開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了對(duì)簡(jiǎn)單液滴反應(yīng)的快速操控。超疏水吸液器可作為典型的以微液滴為基礎(chǔ)的反應(yīng)和操控的基礎(chǔ)裝置, 這為解決微小液滴制備及操控的難題提供了新方式, 并且滿足了液滴微反應(yīng)器、微流體和液體輸送領(lǐng)域的廣泛需求。
手持式數(shù)字移液器打印納米級(jí)液滴
Mao 等提出了利用手持式數(shù)字移液器(圖 4A)的一種液滴生成方法, 該方法在傳統(tǒng)的手持式吸液管基礎(chǔ)上, 加裝了一次性微流控芯片, 形成手持式的數(shù)字移液器。移液器操作時(shí)由可編程的電磁致動(dòng)器驅(qū)動(dòng), 通過(guò)一個(gè)小型打印裝置對(duì)裝有液體的微流控芯片進(jìn)行敲擊, 使之生成液滴。 與一般基于微流控芯片的液滴生成方法不同, 該方法可任意選擇液滴打印位置, 并根據(jù)需要定量生成液滴。 新型移液器兼具傳統(tǒng)移液器技術(shù)與微流控打印技術(shù)的特點(diǎn), 可用于nL 級(jí)液滴的可控生成, 并可以對(duì)單個(gè)液滴進(jìn)行吸取與分配等精準(zhǔn)操作。 該裝置具有高分辨率、高精度、低操控誤差、手持方便易用等優(yōu)勢(shì), 可廣泛用于各種高精度液體操控實(shí)驗(yàn), 大大節(jié)省試劑用量, 且避免了誤差積累。

高頻超聲波微液滴制備技術(shù)
He 等成功研發(fā)了一種“高頻超聲波微液滴制備技術(shù)冶 (圖4C)。 利用超高頻聲諧振器在固液界面上產(chǎn)生高度局部化且強(qiáng)大的作用力, 推動(dòng)液體產(chǎn)生穩(wěn)定而尖銳的液針, 并通過(guò)瞬時(shí)接觸進(jìn)一步將液滴輸送到目標(biāo)基板表面。 這種方法介于接觸法和非接觸法之間,因此避免了傳統(tǒng)方法的一些問(wèn)題(如噴嘴堵塞或衛(wèi)星點(diǎn))。 該方法可通過(guò)改變目標(biāo)襯底的疏水性、諧振器尺寸、射頻信號(hào)強(qiáng)度及射頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間來(lái)控制生成液滴的尺寸, 一般可生成的液滴直徑在 10-6~10-4 m, 體積可控制范圍在 10-12~ 10-9L 之間。 利用高頻超聲波微液滴制備技術(shù)能夠在玻璃和柔性基質(zhì)上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的DNA和蛋白質(zhì)微陣列制備。并且由于光斑的大小可以精確地控制在 10-6 m(體積上為 10-12L), 且與金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的兼容性互補(bǔ), 此技術(shù)容易應(yīng)用于生物芯片的制作, 適用于無(wú)機(jī)、有機(jī)、生物油墨等各種不同的材料。 此外, 在其它基于液滴的應(yīng)用方面也具有很大潛力。
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審核編輯 黃宇