液相樣品離散化是進行生物、化學分析或者微納米材料合成、藥物顆粒制備等應用的關鍵步驟，可通過離散化技術將液相樣本離散成為大量均勻并獨立的微液滴（pL-fL）。這些微液滴通常可以被視為一個獨立的“虛擬試管”用來進行微型化的生化反應。因此它可以利用有限的樣本做大規模的平行實驗，并增加單個靶標分子在每個分區中的相對濃度，減少背景信號的影響。由于微液滴的大比表面積，可以使得生化反應更加迅速，有利于快速檢測樣本中罕見的生物靶標分子，使得數字PCR和細菌定量等生物分析技術更加快速。同時，在反應過程中，由于每個微液滴獨立存在，均可形成封閉體系，可避免外來污染對實驗的影響，在微粒合成、藥物制備方面具有一定的優勢。目前，生成微液滴的主要技術分為液滴式和微腔式。其中微腔式離散化技術克服了液滴不穩定的缺點，同時基于其生成微液滴的空間固定性，使得該技術具有長期定位追蹤單個液滴演變過程的優勢。但是現有基于微腔式的液體離散化技術仍存在樣本利用率低、操作復雜、依賴外部設備輔助、耗時較長等一系列缺點。

據麥姆斯咨詢報道，近日，重慶大學光電工程學院李剛教授團隊為了克服現有微腔式液體離散化技術的缺點，開發了一種基于模板化去潤濕誘導的液體樣本離散化技術，并設計了一種網格化微腔陣列（networked microwell array，NMA）芯片實現快速、均一地離散液相樣本。該方法通過油相觸發和結構限制的去潤濕現象可將微量液相樣品在兩分鐘內自發地離散成數以萬計的可尋址液滴，樣品使用率接近98%，且不需要各種昂貴或笨重的驅動設備，可實現樣本快速、簡便、低損耗的“數字化”。為了證明這種自數字化方法的實用性和普遍性，研究團隊利用它將樣品離散化成40233個微液滴，用于數字PCR測定，細菌的數字定量，球形膠體光子晶體的自組裝以及合成藥物的球形晶體。相關研究成果以“Oil-Triggered and Template-Confined Dewetting for Facile and Low-Loss Sample Digitization”為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，文章第一作者為重慶大學光電工程學院2019級碩士熊楠錕，通訊作者是重慶大學光電工程學院李剛教授和趙強博士。

液體在固體表面的去潤濕現象是一種自發的、由液體表面張力形成的物理現象，它是由液相界面能量總是趨向于最小化演變得來的，它會誘導大的連續液體破裂并形成小液滴。在該研究中，李剛教授團隊使用了網格化的微通道-腔室陣列結構，通過利用芯片表面的結構差異或圖案化來控制特定點位的液體發生破裂。也就是說，這里的去潤濕現象是由特定的基材表面形貌驅動的，而不是由液體隨機的內在不均勻性驅動的，從而形成有序的液滴陣列。與常規通過熱處理觸發的固態去潤濕現象不同的是，這種網格化微通道-腔室是通過油相的添加來觸發的，這不僅最大限度地減少了液相樣本的蒸發，而且與生物測定更加兼容。

為了更深入地了解樣品離散化化過程中的液體動力學，團隊使用了有限元方法對油觸發模板約束的去潤濕現象進行了數值模擬（COMSOL Multiphysics 5.6）。如圖1（a）所示，在剝離蓋片層之前，腔室中水樣的頂部幾乎是平坦的。一旦去除蓋片層使油相覆蓋在水相樣品上方時，在液體表面張力作用下，水相液體頂部的形狀將變得向外凸出，呈現凸面形狀。如圖1（b）所示，在連接微通道處的水/油界面曲率較大，而微腔中的水/油界面曲率較小。這種曲率差異會使水相內部產生拉普拉斯壓力梯度，將水性液體從連接微通道推向相鄰微腔。因此，微通道處水相的局部質量將會減少，水相變得更加稀薄并在連接微通道的中心形成細頸狀液體。這個細頸的形成進一步增加了拉普拉斯壓力梯度，這是由于通過減少局部液體韌帶半徑而導致曲率的增加，從而進一步加速液體韌帶變稀薄并導致其最終夾斷形成水相液體的局部去潤濕現象。通過利用這種局部去潤濕效應，NMA芯片將管道中的水性液體推送到微腔中，實現自數字化。圖1（c）顯示了從記錄油相觸發水相去潤濕過程的視頻中獲得的一系列幀。這些圖像說明了油相觸發、結構差異化去潤濕過程的定性特征，并且與數值模擬預測的結果非常吻合。

圖1 油相觸發的NMA芯片去潤濕機制示意圖

圖2 NMA芯片樣品數字化操作流程示意圖

將NMA芯片用于液相樣品快速離散化的一般操作過程如圖2所示。首先，用膠帶密封芯片的進樣口，然后將密封的芯片置于真空環境（-1kPa）中進行脫氣處理1小時，使芯片在封閉的微通道/微腔系統中形成負壓，如圖2（a）。從真空環境中取出芯片后，立即將裝有水相樣品的移液器吸頭插入芯片的入口，同時在芯片儲油池添加適量油相（~250μL），如圖2（b）。在芯片中產生的負壓驅動下，樣品溶液會被自動吸入微通道并迅速填充封閉系統中的所有可用空間，包括微通道和微腔，如圖2（c）。大約40s，樣品完成填充。接著，如圖2（e）所示，將蓋片層從儲油池方向朝著進樣口方向慢慢掀起，儲油池中油相在蓋片層和結構層之間的毛細力作用下，自動覆蓋到結構層上表面，基于油相和水相液體對微結構層疏水表面不同的浸潤性和芯片結構差異性，油相在微通道和微腔中產生了不同的壓力，這種壓力差使微通道中水相液體自動斷裂，并被推入相連微腔，導致液樣分散至各微腔中，實現水相樣品液的離散化，如圖2（f）。

該技術無需依賴精密的泵閥驅動和復雜的表面親疏水圖形化制作，也無需復雜的宏-微接口，避免了液樣離散化操作對專業技術人員的依賴，可簡便、快速實現液樣的均一、低成本的離散化處理；同時，基于NMA芯片的樣品離散化方法可以實現芯片中填充水相液樣的近乎完全離散化，相比現有的液體離散化系統，大大降低了樣品的損耗率；另外，該方法基于網格化微腔陣列幾何結構結合液體去潤濕效應作用實現自發離散化的方式，既避免了傳統液滴乳化方法離散化效果易受流體驅動系統波動性影響的問題，也無需添加表面活性劑來維持離散化液滴的穩定性，避免了外加試劑對反應體系的影響。研究團隊已將其成功應用于數字PCR、數字單菌落分析、球形光子晶體合成和阿魏酸球形晶體制備。

圖3 基于模板化去潤濕誘導的樣品離散化技術的幾個典型應用

（a）數字PCR分析；（b）數字化單菌落計數；（c）光子晶體自組裝；（d）球形結晶。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c04728

審核編輯 ：李倩