图解微流控｜第22期

发表时间：2021-11-30 13:29

液滴技术（一）

液滴是近年来在微流控芯片上发展起来的一种全新的操纵微小体积液体的技术。液滴的形成类似于乳化现象，在传统的乳化过程中，两种不相溶的液体，如油与水，在容器中分成两层，若加入适当的表面活性剂并强烈搅拌，油被分散在水中，形成乳状液；在微流控芯片上产生液滴，是将两种互不相溶的液体，以其中的一种作为连续相，另一种作为分散相，分散相以微小体积（10^-15 L-10^-9 L）单元的形式分散于连续相中，形成液滴，如图8-1所示，图中颜色深浅不同代表液滴的组成不同。

图8-1 液滴示意图

根据分散相和连续相的不同，液滴可分为两种，W/O型液滴和O/W型液滴。其中，W/O型液滴以水相为分散相，油相为连续相；O/W型液滴以油相为分散相，水相为连续相。

在下面的介绍中，若不特别提及，均指W/O型液滴，其中水相泛指各种水溶液，油相为与水不溶的有机溶剂。

微流控芯片液滴作为一种全新的技术，最常见的应用是作为微反应器，研究微尺寸上的反应及其过程。这里的反应泛指各种化学反应、生化反应以及涉及相转变的过程如蛋白质结晶和纳米颗粒的合成等，微流控芯片液滴的应用详见图8-2。

图8-2 液滴的应用^[1]

8.1 液滴形成

水溶液和油同时从不同的微通道中流出，当通道疏水时，油浸润通道，包裹水溶液，形成油包水（W/O）型液滴；若通道亲水，过程相反，形成水包油（O/W）型液滴。图8-3显示了常用的两种结构的芯片中液滴的形成过程，其中，图8-3（a）为T型通道芯片，8-3（b）为流动聚焦芯片。

图8-3 液滴形成过程示意图

(a) T型芯片；(b) 流动聚焦芯片

作者实验室成功地应用上述两种芯片形成了大小均匀的液滴，图8-4（a）和（b）所示的分别是采用T型芯片和流动聚焦芯片产生的液滴。

图8-4 微流控芯片液滴实物照片

液滴的形成是水/油两相表面张力和剪切力共同作用的结果。改变油相和水相的流速，即改变表面张力和剪切力的相对大小，可得到大小不同的液滴。在液滴的形成过程中，可用毛细常数Ca（Ca= hv/ s))表示两者之间的相对大小，式中h表示黏度，v表示速度，s表示表面张力。为稳定地形成大小均匀的液滴，Ca须保持在一定的范围内，具体大小与实验条件相关。

8.2 液滴的优点

如前所述，微流控芯片液滴通常用作微反应器，研究微尺寸上的反应及其过程。液滴作为微反应器，有如下优点。

体积小

液滴的体积通常为10^-15 L-10^-9 L，所需样品量极微，特别适用于高通量筛选反应和某些样品来源非常有限的反应。

样品无扩散

因为样品溶液被不相溶的油包围，样品分子保留在水溶液中，保持了样品浓度的稳定，如图8-5（a）所示，反之，如果包围样品溶液是水，则样品分子就会从样品区带扩散至周围溶液中，如图8-5（b）所示。

图8-5 液滴防止样品扩散的原理图

(a) 样品分子被油相包裹，无扩散；(b) 样品分子从样品区带扩散至周围溶液中

反应条件稳定

除了消除样品分子的扩散之外，水分子的蒸发也受到油相的抑制，液滴内的反应条件几乎不受外界影响，非常稳定。

样品间的交叉污染得以避免

由于每个液滴都被不相溶的油相包裹，液滴与通道壁不直接接触，相邻液滴也被油相分隔，所有的液滴都随油相一起运动，避免了相邻液滴间的物质交换，消除了样品间的污染，原理见图8-6。

图8-6 液滴防止样品交叉污染的示意图

(a) 液滴随油相整体运动，相邻液滴不接触，样品间无污染；(b) 溶液区带与通道壁直接接触，易造成样品间的污染

混合迅速

液滴在通道中运动时，在液滴内部将以运动方向为轴，形成两个循环回流，如图8-7所示。

图8-7 液滴内部循环回流形成的示意图

液滴流经弯曲的通道时，上述循回环流将沿运动方向不断地被“拉伸”、“折叠”，见图8-8（a），大大加快液滴内溶液的混合速度，上述现象称作混沌对流。混沌对流的混合效果取决于液滴通过的拐弯数，增大液滴运动速度将显著加快液滴内的混合过程，图8-8（b）显示在毫秒水平就可以实现两种溶液的完全混合，（c）是这种混合的实际效果。