液滴內混合：利用微流體技術解決分散問題

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

然而，在采用這項技術之前，實驗室需要滿足一些基本要求。本文將探討液滴微流體技術在樣品和試劑混合中的應用，并列出實驗所需的關鍵材料。

1 分散和混合挑戰(zhàn)以及液滴微流體技術

微尺度技術擁有諸多優(yōu)勢，例如樣品和試劑消耗量低、人為干預最少、錯誤幾率降低和靈敏度高。但可能會出現(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。實現(xiàn)這一目標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)，由于層流占主導地位，連續(xù)微流體的混合過程仍然很慢，而且存在相當大的污染風險[2]。

基于液滴的微流體解決了這個問題，因為分子被封裝在微通道上的單獨液滴中[2]。這些大小均勻的液滴可以輕松地穿過微流體通道，而溶質濃度保持不變[1]。由于目標分析物被隔離在液滴內，因此交叉污染風險明顯較小[2]。

然而，對于需要多種試劑充分混合的應用來說，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將含有不同試劑的液滴進行合并[1]。

2 如何控制芯片上的反應？

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，成分將通過擴散在液滴內混合。 在存在不混溶反應物的情況下，產(chǎn)物會在界面上停留一段時間，從而影響流動[1]。

2.1 影響混合速率的因素

移動液滴內的混合速率取決于幾個因素，例如：

l 試劑位置

l 毛細管尺寸

l 液滴/毛細管比率

l 流速

其中，優(yōu)化液滴尺寸與毛細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，剪切產(chǎn)生的循環(huán)流動增強了混合效果。

此外，液滴流過包含彎頭和轉彎的微通道會產(chǎn)生混沌平流現(xiàn)象。 這種幾何操作拉伸和折疊了液滴內部的流體半球，進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，粘度差異似乎不會影響混合。在許多情況下，混合速度實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間[1]。

4 開始實驗需要哪些材料？

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

開始實驗需要以下材料：

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

l 2 個流量傳感器，用于提供油相和水相流量控制的反饋。

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

l 穩(wěn)定的通道表面化學，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

[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.