液滴內(nèi)混合：利用微流體技術(shù)解決分散問題

基于液滴的微流體技術(shù)為芯片上試劑混合與反應(yīng)控制提供了簡便的解決方案。這種技術(shù)因其廣泛的應(yīng)用，尤其在藥物篩選中的優(yōu)秀表現(xiàn)，在生命科學(xué)研究和制藥行業(yè)中備受關(guān)注。

然而，在采用這項(xiàng)技術(shù)之前，實(shí)驗(yàn)室需要滿足一些基本要求。本文將探討液滴微流體技術(shù)在樣品和試劑混合中的應(yīng)用，并列出實(shí)驗(yàn)所需的關(guān)鍵材料。

1 分散和混合挑戰(zhàn)以及液滴微流體技術(shù)

微尺度技術(shù)擁有諸多優(yōu)勢，例如樣品和試劑消耗量低、人為干預(yù)最少、錯(cuò)誤幾率降低和靈敏度高。但可能會(huì)出現(xiàn)一些樣品或試劑分散和混合問題[1]。

因此，研究人員開發(fā)了微流體裝置來改善混合和控制分散。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是將水相分離在不混溶的載體流體中[1]。但研究人員發(fā)現(xiàn)，由于層流占主導(dǎo)地位，連續(xù)微流體的混合過程仍然很慢，而且存在相當(dāng)大的污染風(fēng)險(xiǎn)[2]。

基于液滴的微流體解決了這個(gè)問題，因?yàn)榉肿颖环庋b在微通道上的單獨(dú)液滴中[2]。這些大小均勻的液滴可以輕松地穿過微流體通道，而溶質(zhì)濃度保持不變[1]。由于目標(biāo)分析物被隔離在液滴內(nèi)，因此交叉污染風(fēng)險(xiǎn)明顯較小[2]。

然而，對于需要多種試劑充分混合的應(yīng)用來說，混合問題依然存在。這可能需要生成包含多種試劑的液滴或?qū)⒑胁煌噭┑囊旱芜M(jìn)行合并[1]。

2 如何控制芯片上的反應(yīng)？

一旦生成這些合并的液滴，您就可以控制其成分混合的速率。有些成分需要比其他成分更快的混合。此外，您可能需要以比擴(kuò)散允許的速度更快的速度混合所有這些成分[1]。

如果沒有任何混合策略，成分將通過擴(kuò)散在液滴內(nèi)混合。 在存在不混溶反應(yīng)物的情況下，產(chǎn)物會(huì)在界面上停留一段時(shí)間，從而影響流動(dòng)[1]。

2.1 影響混合速率的因素

移動(dòng)液滴內(nèi)的混合速率取決于幾個(gè)因素，例如：

l 試劑位置

l 毛細(xì)管尺寸

l 液滴/毛細(xì)管比率

l 流速

其中，優(yōu)化液滴尺寸與毛細(xì)管尺寸的匹配是提升混合效率的有效方法。理想情況下，液滴的尺寸應(yīng)為通道高度的1-2倍[1]。

在液滴微流體中，液滴接觸固體通道壁時(shí)，剪切產(chǎn)生的循環(huán)流動(dòng)增強(qiáng)了混合效果。

此外，液滴流過包含彎頭和轉(zhuǎn)彎的微通道會(huì)產(chǎn)生混沌平流現(xiàn)象。 這種幾何操作拉伸和折疊了液滴內(nèi)部的流體半球，進(jìn)一步改善了混合效果[2]。引入彎道或蛇形圖案等替代路徑方向也可能有幫助。

3 粘度如何影響混合？

微流體溶液通常濃縮并含有聚乙二醇等添加劑，這會(huì)增加它們相對于水或稀釋緩沖液的粘度。藥物篩選中使用的酶就是這種情況[1]。

有趣的是，粘度差異似乎不會(huì)影響混合。在許多情況下，混合速度實(shí)際上比具有相似粘度的試劑更快。此外，將粘度較高的材料放在液滴的前面或后面也可以減少混合時(shí)間[1]。

4 開始實(shí)驗(yàn)需要哪些材料？

在液滴中進(jìn)行反應(yīng)具有許多優(yōu)勢，例如混合均勻、快速質(zhì)量和熱傳遞、減少試劑使用以及減少危險(xiǎn)材料暴露。該技術(shù)用途廣泛，可用于各種應(yīng)用，包括基因表達(dá)分析、藥物發(fā)現(xiàn)和篩選[2]。

開始實(shí)驗(yàn)需要以下材料：

l 2 個(gè)微流體泵（或一個(gè)泵上的 2 個(gè)通道）——用于控制連續(xù)（油）相和分散（水）相的流動(dòng)。根據(jù)應(yīng)用，我們推薦使用 4U 壓力泵或 2 個(gè) ExiGo 微流體注射泵。4U 壓力泵具有穩(wěn)定而準(zhǔn)確的流速，可獨(dú)立控制 4 個(gè)不同的通道，控制壓力和流量。您可以使用智能手機(jī)編程流量曲線并有效管理所有泵功能。

l 2 個(gè)流量傳感器，用于提供油相和水相流量控制的反饋。

l 具有適當(dāng)幾何形狀的微流體芯片可產(chǎn)生液滴，以確保液滴尺寸可觀。

l 穩(wěn)定的通道表面化學(xué)，確保液滴穩(wěn)定性。

l 表面活性劑穩(wěn)定油相和水相之間的界面，使液滴穩(wěn)定。

l 用于連續(xù)相的油可提高液滴穩(wěn)定性。用于從泵連接到微流體芯片的管道。

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5 參考文獻(xiàn)

[1] Esposito, E. Droplet Microfluidics: Mixing within Droplets. 

[2] Hassan, Sammer-ul, Xunli Zhang, and Xize Niu. "Droplet-based microfluidics: formation, detection, and analytical characterization." Research & Development in Material Science 11.5 (2019): 1227-1233.