图8-9是液滴用于合成纳米颗粒的一个实例。在图8-9（a）中反应物CdCl₂/MPA、NaOH和Na₂S溶液在注射泵的推动下以一定的流速进入芯片，被油包裹形成液滴并开始反应，反应时间可通过调节液体流速和通道长度来控制，反应结束时由旁路通道向液滴内加入过量的MPA终止反应。在上述方法中，由于反应物混合迅速，反应时间控制准确，生成的纳米颗粒大小均匀，结果见图8-9（b）。

图8-9 液滴用于纳米颗粒的合成^[3]

(a) 芯片示意图；(b) 不同方法合成的纳米颗粒的紫外-可见吸收谱图比较，A的吸收谱明显比B、C尖锐，说明利用液滴合成的纳米颗粒大小更均匀

对于有些反应，其反应常数和最佳反应条件可通过改变反应物浓度得到。以液滴作为反应载体时，通过注射泵精确控制各反应物的相对流速，可以得到反应物浓度线性分布的液滴，如图8-10所示。

图8-10 芯片在线控制液滴内反应物浓度^[4]

(a) 芯片示意图；(b) 实测浓度与理论浓度比较图；(c-d) 改变各反应物相对流速将改变液滴内各反应物浓度

8.3.1.2 毛细管进样

液滴体积小、样品消耗极微、反应条件稳定，因此被看成是高通量筛选的理想平台。对于高通量筛选而言，通常要求将一种试剂与多种被筛选样品逐一反应，根据反应结果筛选出最符合要求的对象，因此需要不断改变液滴的组成和浓度。

为实现上述目的，可将不同的待测样品预先吸入毛细管中，形成一系列体积相对较大的液滴，然后将该毛细管与微流控芯片连接，在注射泵的推动下，与反应物形成小液滴并开始反应，如图8-11所示。上述方法已用于酶筛选反应和蛋白质结晶条件的筛选，详见液滴应用之蛋白结晶一节。

图8-11 具有不同组成的液滴阵列^[5]

8.3.2 液滴的融合和分裂

将多个液滴融合成一个液滴或将一个液滴分裂成多个液滴是一种重要的液滴操纵技术，对于实现复杂反应是非常重要的。

8.3.2.1 液滴的融合

两种液滴融合的思路如下：先在芯片的不同位置平行地形成不同的液滴，控制好各液滴生成的速度，使其一致，在芯片特定的位置汇合，在表面张力或静电力的作用下，两液滴融合。

图8-12介绍了基于表面张力的液滴融合方法。首先在不同位置形成大小不同的两种液滴，进入较宽的汇合通道后，液滴在油相的作用下向前运动，大液滴受力较大，运动速度比小液滴快，尽管两者进入通道的时间不同，大液滴最终将赶上小液滴，在表面张力的作用下融合。

图8-12 表面张力作用下的液滴溶合^[6]

除表面张力外，静电力也可以有效地促进液滴的融合。图8-13中，两种溶液流经不同电极，带上相反电荷，准确控制溶液的流速，使两种液滴同步地进入汇合通道，相互吸引融合。

图8-13 静电力作用下的液滴溶合^[7]

8.3.2.2液滴的分裂

与液滴的融合相比，液滴的分裂相对简单，主要依赖通道的结构实现。液滴在T型通道中运动时，在分叉处伸展拉长，满足一定条件时，分裂成两个小液滴。分裂的两个液滴的大小与下游通道各支路的长度即流阻相关，一般而言，通道越长，流阻越大，液滴越小，反之则液滴越大，详情见图8-14。

图8-14 液滴分裂^[8]

(a-d) 一个液滴的分裂过程，在T型通道分叉处，液滴先伸展后分裂成两个小液滴；(e) 伸展状态液滴的放大图；(f) 芯片示意图；(g-i) 液滴分裂与下游通道长度的关系，液滴在T通道分叉处分裂，下游通道越长，该路液滴越小，反之则越大

8.3.3 液滴身份标记

当反应所需液滴数目巨大而且每个液滴的反应条件不同时，对每个液滴进行标记以确认其组成是十分必要的。一种简单的方法是向液滴加入染料，改变每个液滴内的染料浓度，使其与液滴的组成相对应，以检测每个液滴内染料的浓度来确认每个液滴的组成，上述方法简单，但染料分子有可能干扰液滴内的反应，影响实验结果。

为避免上述问题，可采用液滴对的方法，即染料溶液独立地形成液滴，使每个染料液滴的组成与相邻反应物液滴的组成满足一定的对应关系，反应结束时检测相邻的染料液滴就可以得知某反应物液滴内的反应条件，具体过程见图8-15，图中虚线表示两种溶液的流速是相关联的。

图8-15 液滴身份标记示意图^[9]

8.3.4 液滴内涵物分析

对液滴内的反应产物或中间产物的分析可分为两种，一种是逐个分析单个液滴，另一种是一次分析多个液滴，不同方法的适用范围不同。对多液滴的分析一般采用荧光显微镜，通过检测液滴内荧光信号的变化对反应结果进行分析，同时该方法还可以观察液滴内反应的动态过程。对于单个液滴的分析，有多种手段，如电泳、MALDI-质谱和X-射线衍射等，其中电泳可用来分析反应产物，MALDI-质谱可以对反应产物进行半定量分析，X-射线衍射则主要用于解析液滴内蛋白质晶体的三维结构。

8.3.5液滴分选

液滴的一个重要潜在应用是高通量筛选，为实现筛选过程，需发展出液滴分选技术，以将特定的液滴从众多液滴中分选出来。现有的液滴分选技术多以介电泳为基础，介电泳原理详见本书分离部分和细胞分选部分。图8-16介绍了介电泳分选液滴的过程。

图8-16 介电泳分选液滴^[10]

(a) 液滴分选示意图，图中三角形代表电极，液滴形成后进入分选通道，在Y型分叉处，通过电场的作用，将液滴引入收集池；(b) 无电场时（电极呈黑色)，液滴流向废液池；(c) 施加电场时，液滴偏向充电电极 (白色)，流入收集池

8.3.6 液滴存储

某些情况下，反应需要较长时间才能完成。此时需要将液滴妥善存储起来，待反应结束后再进行分析。为保证液滴内反应条件的稳定，可将其存储于不透气不透水的密闭玻璃毛细管中，如图8-17所示。上述方法已成功用于蛋白结晶研究，详见液滴应用之蛋白结晶一节。

图8-17 液滴存储照片^[11]

(a) 连接毛细管的芯片实物图；(b) 液滴存储示意图；(c) 存储有液滴阵列的毛细管

8.4 液滴的表面处理

在微米尺度上，由于比表面的增大，表面效应变得重要起来。液滴的形成就是表面张力和剪切力作用的结果。对于液滴，表面主要涉及水相和油相之间的界面以及水油两相和通道壁之间的界面。

为使液滴稳定形成和存在，与液滴相关的表面需满足两个要求：

1. 通道壁更容易被油相浸润。

2. 水油两相的表面张力小于水相与通道壁之间的表面张力。

通过选择疏水的材料制作芯片，如PDMS，可满足第一个要求；对于第二个要求则可通过向油相中添加少量的表面活性剂，降低水油两相的表面张力来实现。

此外，由于液滴的比表面非常大，液滴内的样品分子极易被吸附到水油两相界面，降低液滴内的样品浓度或改变样品分子活性，影响实验结果。为此，可向油相添加合适的表面活性剂，一方面可防止样品分子在界面的吸附，同时也可以保持界面处样品分子的活性，见图8-18。

图8-18 表面活性剂对蛋白分子吸附的影响^[12]

(a-b)为荧光标记的蛋白在液滴内的分布示意图：(a) 羧基末端的表面活性剂会造成蛋白分子吸附在液滴界面；(b) 非离子型表面活性剂使蛋白分子在液滴内均匀分布；(c-d) 为液滴的明场和荧光照片

8.5 多层液滴

多层液滴，顾名思义，就是液滴内部包含液滴，图8-19所示的是具有双层结构的液滴。

图8-19 双层液滴^[13]

生成多层液滴的方法主要有两种，一种采用多级T型通道，另一种采用毛细管流动共聚焦。图8-20是两种方法的示意图。

在图8-20（a）所示的两级T型通道中，首先在第一级T通道形成W/O型液滴，生成的液滴运动至第二级T通道被水溶液包裹，形成W/O/W型双层液滴。采用该方法产生双层液滴，需要对芯片的不同部位分别进行亲水和疏水修饰，见图8-20（a），以满足W/O和O/W型液滴形成的要求。

相比较而言，毛细管流动共聚焦更为简单和灵活，其工作原理如图8-20（b）所示，首先将一根末端拉细的圆形玻璃毛细管插入一根方形玻璃管，该方形玻璃管的内径与圆形毛细管的外径相等；然后将另一根圆形毛细管从方形毛细管的另一端插入，使两根圆管末端靠近。在注射泵的推动下，内层、中间层、外层液体将以图中标示的方向运动，形成双层液滴。此方法无需对管壁进行修饰，而且还可以将多级毛细管串联起来，生成多层液滴，图8-21中的多层液滴就是利用上述方法生成的。

图8-20 两层液滴形成示意图^{[13, 14]}

(a) 两级T型通道；(b) 毛细管流动共聚焦

图8-21 多层液滴的形成^[15]

(a) 装置示意图；(b) 多层液滴实物图

与单层液滴相比，双层液滴的控制更为灵活。因为在双层液滴中，内、外层液体被中间层液体分隔，选择合适的中间层液体，可以实现内层物质的可控释放。此外，还可以利用物理或化学的方法改变中间层液体的状态，生成具有核—壳结构的微囊，用于药物分子的定向运输和可控释放等研究。图8-22显示的就是采用该方法生成的核—壳结构的微囊。