微流控液滴芯片：應(yīng)用于基礎(chǔ)的材料篩選和材料篩選

微流控液滴芯片是微流控芯片的一種重要模式,液滴的核心功能是微反應(yīng)器。微流控芯片液滴通量極高,體積極小,它當(dāng)然應(yīng)該在以反應(yīng)為基礎(chǔ)的材料篩選和材料合成領(lǐng)域找到應(yīng)用出口。

對不同材料作高通量篩選是微流控液滴芯片應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。 比如,對基于小分子庫的新藥篩選而言,體量大到百萬級別,如果采用常規(guī)方法篩選,成本極高,耗時(shí)極長,作為已知的最小微反應(yīng)器的微流控液滴芯片, 應(yīng)是解決這一類問題理想的替代技術(shù)。

一般而言,液滴的直徑從 5μm到 120μm ,也即體積從 0. 05 pL 到約 1 nL,通常的產(chǎn)生速率為 1 kHz,一天處理的樣本量多達(dá)10^8 ,如果用一個(gè)有缺口的分配器代替原有的硬質(zhì)分配器,分選過程更 可提高 10 倍 ;液滴運(yùn)行過程的噪聲很低,稀有粒子的有效濃度可以提高,液滴的包裹又杜絕了液滴內(nèi)的物質(zhì)和通道壁接觸的機(jī)會(huì),因此使液滴內(nèi)的物質(zhì)的檢測靈敏度得以保證;微流控液滴芯片還有一個(gè)特別重要的優(yōu)點(diǎn),即承載所有這些液滴運(yùn)動(dòng)的流體精準(zhǔn)可控。

Staffan 等把液滴微流控芯片用于工業(yè)酶的篩選。他們用紫外光照射可產(chǎn)生全基因變性的酵母細(xì)胞 庫,加入溶劑使酵母溶解,經(jīng)超聲分散和再稀釋后,將其和熒光酶底物一起包進(jìn)液滴,被包進(jìn)液滴的酵母 細(xì)胞產(chǎn)生酶,消化底物, 因此增加液滴的熒光,在孵化后,將液滴按熒光強(qiáng)度的不同分開 。 另一個(gè)例 子是分選抗生素抗性不同的細(xì)菌,細(xì)菌按抗生素抗性不同可分為強(qiáng)弱兩類,通常較弱的會(huì)過度生長,常 規(guī)分類的做法是培養(yǎng),稀釋,并涂布在瓊脂板上,使之相互隔離,這種方法耗時(shí)長達(dá)數(shù)天,Balaban 等用微流控芯片液滴把單一的細(xì)菌包裹在液滴中,在 1000 Hz 頻率下把不同抗生素抗性的細(xì)菌檢測出來, 并按抗性強(qiáng)弱分開。

除了上述酶篩選、細(xì)菌篩選外,液滴微流控芯片也已被廣泛用于抗體篩選,甚至是對循環(huán)腫瘤細(xì)胞 CTC等單個(gè)細(xì)胞和單個(gè)分子的高通量篩選。 浙江大學(xué)方群等發(fā)展了一種基于液滴順序操作陣列的系統(tǒng),可自動(dòng)順序完成超微量液體的復(fù)雜操控,并將其成功應(yīng)用于酶和細(xì)胞的篩選,蛋白質(zhì)結(jié)晶條件的篩選,以及單個(gè) Huh 細(xì)胞內(nèi) miRNA-122 的實(shí)時(shí)定量 RT-PCR 檢測。

除了材料篩選, 當(dāng)然還有材料合成。 事實(shí)上,液滴操控靈活,形狀可變,大小均一,又有優(yōu)良的傳熱傳質(zhì)性能,可靈活調(diào)節(jié)被合成顆粒大小、粒徑分布、形貌、組成、結(jié)構(gòu)以及物理化學(xué)性質(zhì),因此在材料領(lǐng)域,特別高附加值微顆粒材料的合成領(lǐng)域,顯示出有別于現(xiàn)有技術(shù)的巨大潛力,其中,復(fù)雜形狀微粒因其特殊的形態(tài)和在一個(gè)單一粒子上集成不同功能的能力, 在很多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注,而與工業(yè)接近的部門甚至提出了規(guī)模量產(chǎn)的要求。

張清泉等采用微閥控制法,嚴(yán)格控制單個(gè)液滴的形成和大小變化,單獨(dú)或者組合調(diào)節(jié)長度、鍵合角度、內(nèi)部大小序列和化學(xué)組成序列等 4 種參數(shù),準(zhǔn)確制備了多種具有不同各向異性特征的微顆粒。 他們還建立了一種基于雙乳液的形貌可控微顆粒合成的方法:設(shè)計(jì)并制作了一種雙乳液形成芯片,利用芯片通道內(nèi)的局部表面修飾,以及 T-通道和流動(dòng)聚焦的兩級液滴形成單元產(chǎn)生雙乳液(O/ W/ O),在微 通道的幾何限制和界面聚合反應(yīng)抑制的協(xié)同作用下,制備了彎月形或多足形的水凝膠微顆粒,克服了采 用單一效應(yīng)對顆粒形貌控制的局限性 。 Nisisako 等采用三元液滴結(jié)構(gòu),在中間的液滴進(jìn)行選擇性聚 合反應(yīng),同時(shí)在通道內(nèi)灌注一種對光敏感的流體和兩種對光不敏感的流體,借助于混流液體表面張力和 剪切力所導(dǎo)致的不穩(wěn)定性,使多元液流分散進(jìn)入三元液滴,三元液滴中對光不敏感的流體被固定在圓柱 型微毛細(xì)管內(nèi),用紫外照射得到了球型或均一的兩面凹型粒子。 大連化學(xué)物理研究所李春林等采用微流控液滴技術(shù),使來自沉淀相的沉淀劑經(jīng)液滴界面進(jìn)入,提升 pH 值,沉淀固化液滴,根據(jù)液滴中所含溶質(zhì) 沉淀快慢等參數(shù)的不同,分別制得實(shí)心微球,空心微球和二面空心微球,所得微球的比表面積不同,尺寸均一。

微流控液滴發(fā)生芯片