微液滴生成方法及发展趋势

微流控芯片

微液滴的生成方法

早期使用的生成液滴方法主要有高速搅拌法、逐层组装技术、膜乳化法和界面聚合法等, 均可生成微纳米尺寸的液滴。 高速搅拌法工序少、操作简单、成本低; 逐层组装技术通用性和可控性强, 可用于构建药物控释系统, 灵活控制递药载体结构; 膜乳化法制备的高分子微球广泛应用于化妆品、医药、化工、电子等领域; 界面聚合法设备简单, 不要求严格的聚合物量比, 主要应用于新型材料的制备。这些方法至今仍在其各自适合的领域发挥作用, 但在液滴稳定性、均匀性、单分散性等方面仍存在不足。近年来, 研究者在致力于传统方法的设备更新、技术改进的同时, 也发展出多种不同原理的新方法。

微流控芯片作为一类制备微液滴的平台, 生成的液滴尺寸可控、扩散性低、生成速度快、不易交叉污染, 适合进行高通量分析。根据是否借助外力驱动, 基于微流控芯片的液滴生成方法一般可分为主动法和被动法两类。主动法常用方式包括电湿润法、气动法、热驱动法等, 其原理是借助外力作用在液体两端产生压差, 并利用液体在微流道交叉口处的剪切力和表面张力差形成液滴。被动法利用流体流动的剪切力和界面张力, 通过微管道结构及调节连续相和分散相的流速值及比例来生成液滴, 主要包括T型通道法、流动聚焦法和共轴聚焦法等芯片结构形式。其中,T型通道法芯片只有两个入口, 是液滴微流控芯片中最简单的结构。流动聚焦法的十字交叉结构可视为是两个T型结构的结合, 中间通道为连续相流体, 两侧通道为分散相流体。主动法系统相对复杂, 对芯片加工的要求较高, 增加了实验的难度及成本, 但主动法可根据需要对单个液滴进行控制, 在液滴的可操控性方面存在很大优势。被动法系统相对简单, 操作方便, 适合单纯需要快速生成大量液滴的情况。除上述的微液滴制备方法外, 近年来涌现出了许多独具特色的新方法。

液滴生成方法发展趋势及展望

从液滴制备技术的发展历程看, 微液滴的生成方法经历了传统方法、微流控芯片方法和近年来出现的芯片外新方法, 即从无芯片到芯片再到脱离芯片的过程。 液滴制备方法各有特点及各自适用的领域, 且其实验设备、操作技术、应用范围随着社会需求和科技的进步不断发展。在此过程中, 各类方法相互借鉴, 互为补充, 为推动研究的深入发展提供了更多可能。

近年来出现的制备液滴的新型片外方法兼具传统方法及微流控芯片方法的一些特点,在此基础上加以改进, 在节省试剂、降低成本、高通量生成液滴、精确控制液滴等方面具有很大优势, 能够更好地满足液滴制备的需求。 新方法中, SODA 引入编程系统, 实现了自动化液滴生成与操控。超疏水“吸液器冶方法与传统方法中的膜乳化法均是通过施加压力使液体透过某种特殊材料制成的薄膜来形成液滴。超疏水“吸液器冶方法使用的超疏水网可在实验室自制, 方法简单易行。该方法还可实现液滴在疏水板上的均匀分散和选择性捕获等快速精确的液滴操控。手持数字移液器将微流控芯片与传统移液器结合, 设备简单, 可单手操作, 并且能够对单个液滴进行精确操控, 故大大节省试剂用量并减小误差。此外, 声波打印技术则突破了喷墨打印技术对液滴生成材料的限制, 大大拓宽了液滴应用领域。

基于芯片的液滴制备方法以体积小、试剂耗量少、生成液滴速度快且大小均一等突破性的优势奠定了其在生物、化学、医药等领域应用的基础。但是, 微流控芯片方法在流体的控制、液滴运动的自动化、液滴产生通量、控制的灵活性等方面仍然面临着许多挑战。此类技术对芯片的设计和加工、芯片系统外围设备、专业人士的操作具有很强的依赖性。 脱离芯片的新技术、新方法将以往的液滴生成方法与界面作用、打印技术、材料特性等结合生成液滴, 可在一定程度上解决上述问题。

目前, 研究者仍在努力发展各种微液滴生成方法。 未来微液滴的生成方法将是多种不同领域交叉作用的结果, 适用范围不断扩大。 在各领域研究者的共同努力下, 可望出现更多简便快捷、可控、精细的方法, 满足更为广泛的应用需求。

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