滑動芯片
Ismagilov 實驗室發明了一種滑動芯片(SlipChip)裝置(圖 2A), 可用于多路情況下的各種生化反應,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成, 底板上具有微孔陣列及微管道, 頂板上具有與底板相對應的微孔陣列。 當頂板微孔與底板微管道對齊時, 該結構連接成一條連續的流體通道。 實驗時, 在底板微孔中預先加入試劑, 蓋上頂板, 形成流體通道, 向通道中注入樣品, 之后滑動芯片使兩塊板的微孔對齊, 液滴混合, 發生反應。 SlipChip 具有消耗試劑少、 不易交叉污染、 多路反應可同時進行等優點。 已有研究將滑動芯片法應用于稀有細胞的篩選和分析, 并提出了微流體的隨機限制的概念, 該工作將有助于拓展微流體隨機限制在人類疾病診斷和環境測試等領域的應用前景。 滑動芯片法在單細胞遺傳分析的所有階段亦有廣闊的應用前景, 包括細胞富集和捕獲、單細胞劃分和操作以及檢測和分析。 通過滑動芯片法還能控制液滴形狀和體積，在一個液滴中生長出一個晶體, 進而實現蛋白質單晶體的制備。 另外, 滑動芯片法在生物分析傳感器的亞皮摩爾檢測極限解決方案方面亦有應用。 在合成其它難以獲得的新功能材料和結構, 如研究脂質和聚合物膜的功能和性質, 以及在液-液界面上執行反應等過程研究方面, 滑動芯片法也有所進展。 有研究者研發出基于滑動芯片法的全自動、低成本和手持的數字 PCR平臺, 并有望應用于恒溫核酸擴增方法等生物監測領域。如將滑動芯片法與其它微流體技術整合, 可進行大范圍的重復樣品生物分析工作, 包括快速識別血液等復雜生理基質中的病原體、單分子核酸分析。 在 SlipChip 的基礎上, 發展出了一種新的可拓展性平臺, 利用溶液的表面張力實現流體輸送、混合、維持計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高的玻璃材質制作芯片, SlipChip 方法可能導致費用增加; 另外, SlipChip 方法比較適合進行一些特定的生化反應, 單獨作為液滴制備方法使用并不能體現該方法的優勢。

液滴裂分法制備飛升級液滴
Li 等提出了一種制備體積在飛升級的液滴的方法(圖 2B),可將液滴分裂成均勻的小體積的微液滴陣列。 該方法通過在帶有親水性區域的疏水性硅板上滑動液滴, 實現 pL ~ fL 級均勻微液滴的可控制備。 系統地討論了影響產生的微液滴體積的關鍵因素, 包括親水性區域大小、接觸力以及液滴與疏水硅板之間的相對滑動速度。該方法能提供高通量且體積均勻的微液滴, 具有簡便、高效、低成本的優勢, 適合應用于細胞分析, 特別是生成單細胞陣列; 此外, 這種方法也被用于構建應用在微重力環境下的生物傳感平臺, 并實現了對葡萄糖、鈣和蛋白質等典型標志物的檢測。 Guo 等利用表面潤濕性方法實現了對化學和生物分子的超靈敏檢測, 有望進一步用于分析化學、分子診斷和環境監測等領域。體積在 fL 級別的液滴陣列是光操作、傳感和高通量診斷等技術中重要的影響因素, 已有液滴體積可調的二維液滴陣列應用于多體積數字 PCR。 另一方面,fL 級液滴制備方法能夠在有機溶劑中實現小型化和平行的高通量篩選, 并已被用于光子操縱的可調節納米透鏡陣列。
基于界面瑞利—泰勒不穩定性的液滴生成法
Marthelot 等從涂料容器的蓋子上粘附涂料的現象受到啟發, 利用液膜的不穩定性生成下墜液滴(圖 2C)。作者在一個圓盤上傾倒一薄層硅膠液膜,在液膜固化的同時反轉圓盤, 倒置幾分鐘后, 在重力和表面張力的共同作用下, 液體硅膠會自然形成不規則的下墜狀液滴陣列。 通過使用離心機還可以在一定范圍內改變液滴大小, 旋轉的速度越快, 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定性這一缺點轉變為一種可以大規模生成微液滴陣列的途徑, 對環境和設備的要求也很低, 在柔性仿生結構制備方面具有應用前景。 但由于材料需經歷由液態轉變為固態的過程, 目前只使用了硅橡膠作為實驗對象, 基于其它材料(如蠟、熔融玻璃、金屬等)的結構制備還需要進一步研發。
一次過程生成一個液滴的方法類型
順序操作液滴陣列系統
浙江大學方群課題組提出了順序操作液滴陣列系統(圖 3A), 可自動完成對超微量(pL ~ nL)液滴的多步操控。 第一代 SODA儀器由注射泵、毛細管探針、承載樣品的芯片和孔板以及一個可以在 x-y-z 方向移動的平臺組成。 在此基礎上, 第二代 SODA 儀器增加了 CCD 成像系統和探針的自動定位程序, 并將注射泵集成到儀器中。

SODA 系統可實現液滴的定量、液滴陣列的生成、液滴的定位與移動、液滴的分裂(取樣)與融合(加入試劑)等操作, 已被成功應用于高通量藥物篩選、蛋白質結晶條件的篩選、數字 PCR、單細胞分析、細胞遷移、細胞共培養等研究中, 并實現了與電噴霧質譜、高速毛細管電泳和色譜等系統的分析聯用。
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, 利用毛細管連續輸出水相, 并在油-氣界面處高頻振動, 以及油-氣界面表面張力的周期性切割作用, 可連續快速生成大量 pL ~ nL 級體積可控的單分散液滴(圖 3B)。 XiE 無需借助微加工技術, 只需要一臺注射泵和一臺控制毛細管按固定頻率振動的電磁振動器, 具有低成本的優勢, 適合常規實驗室及非專業人士使用。 作者使用 XiE 系統進行數字等溫擴增(dLAMP), 并將其應用于 H5 亞型禽流感病毒的快速定量檢測。與此類似, 吳必成等設計了一種基于超聲振動的微液滴生成裝置, 可生成微米級的微液滴。該裝置利用控制器驅動直線超聲電機高精度移動, 通過滑臺推動注射器, 在噴嘴尖端生成微液滴, 之后利用壓電振子和噴嘴的振動, 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。實驗以蒸餾水為對象, 通過該裝置成功生成了半徑小于 40 滋m 的液滴。 該裝置結構簡單, 可將液滴生成至特定區域內, 應用于多種液體微米級液滴的生成。
利用旋轉的毛細管生成液滴的方法
Chen 等提出了一種利用旋轉的毛細管生成液滴的方法, 可生成 1 pL ~ 100 nL 的油包水液滴。 裝置由伺服電機、偏心輪、負載平臺、注射泵、毛細管和離心管等部件構成(圖 3C)。毛細管管口經過疏水處理，浸入已預裝在離心管中的油相液面以下, 注射泵驅動毛細管中的水相進入油相, 控制毛細管轉動, 利用相界面的阻力和剪切力產生液滴。 液滴產生和收集在離心管中, 能夠避免樣品的污染和損失, 有利于進行單細胞分析。 通過采用由多根毛細管構成的陣列, 能夠實現高速和高通量的液滴生成。使用這種方法實現了單細胞的全基因組擴增。 在此基礎上, 他們還發展了基于慣性力的液滴生成方式, 利用離心機作為慣性力的產生裝置, 水在慣性力的作用下通過微通道產生微液滴, 被離心管收集。 這種方法具有樣品無殘留、生成的液滴大小均勻、高速和高通量等優勢, 而且能夠實現在低溫下產生液滴。 他們用產生的液滴進行了數字 PCR 測試, 并與商業化的儀器進行比較, 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, 使用一個旋轉的圓錐臺, 通過外加電場控制液滴大小, 實現了液態金屬微液滴、固體水凝膠顆粒和纖維以及液態金屬核鄄水凝膠殼微液滴的制備。
超疏水吸液器對微小液滴的可控制備
Guo 等利用超疏水網與氣體負壓系統, 制備了一種可對液滴進行快速操控的超疏水“吸液器冶(圖 3D)。 常規狀態下, 液滴難于粘附在超疏水表面而可在其表面上自由滾動。 當在超疏水網的另一側施加一個可控的負壓時, 由于內外壓差作用, 液滴將被緊緊地吸附在超疏水網上。 該裝置有一彈性開關設計, 用于控制負壓的通斷, 進而控制液滴的捕獲和釋放。 負壓的施加實現了超疏水表面對液滴的粘附力的高度可控, 從而實現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范圍內的微小液滴, 并通過彈性開關實現了對簡單液滴反應的快速操控。超疏水吸液器可作為典型的以微液滴為基礎的反應和操控的基礎裝置, 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器、微流體和液體輸送領域的廣泛需求。
手持式數字移液器打印納米級液滴
Mao 等提出了利用手持式數字移液器(圖 4A)的一種液滴生成方法, 該方法在傳統的手持式吸液管基礎上, 加裝了一次性微流控芯片, 形成手持式的數字移液器。移液器操作時由可編程的電磁致動器驅動, 通過一個小型打印裝置對裝有液體的微流控芯片進行敲擊, 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, 并根據需要定量生成液滴。 新型移液器兼具傳統移液器技術與微流控打印技術的特點, 可用于nL 級液滴的可控生成, 并可以對單個液滴進行吸取與分配等精準操作。 該裝置具有高分辨率、高精度、低操控誤差、手持方便易用等優勢, 可廣泛用于各種高精度液體操控實驗, 大大節省試劑用量, 且避免了誤差積累。

高頻超聲波微液滴制備技術
He 等成功研發了一種“高頻超聲波微液滴制備技術冶 (圖4C)。 利用超高頻聲諧振器在固液界面上產生高度局部化且強大的作用力, 推動液體產生穩定而尖銳的液針, 并通過瞬時接觸進一步將液滴輸送到目標基板表面。 這種方法介于接觸法和非接觸法之間,因此避免了傳統方法的一些問題(如噴嘴堵塞或衛星點)。 該方法可通過改變目標襯底的疏水性、諧振器尺寸、射頻信號強度及射頻信號持續時間來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能夠在玻璃和柔性基質上實現高質量的DNA和蛋白質微陣列制備。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體(CMOS)的兼容性互補, 此技術容易應用于生物芯片的制作, 適用于無機、有機、生物油墨等各種不同的材料。 此外, 在其它基于液滴的應用方面也具有很大潛力。
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審核編輯 黃宇