NOVA无误差液滴微流体(下)

微流控芯片

其次，未精确聚焦在液滴分选区域的高电场可能会导至不必要的双重分选。基于DEP的液滴分选系统的电极通常是通过用盐水或液态金属填充微流体通道来制造的。不幸的是，这些类型的3D电极产生的电场没有充分地定位在液滴分选区域内，并且可能无意中致动多个相邻的液滴。这些电极的大覆盖面积也导至通道中心的高电场强度，这增加了两个相邻液滴无意中合并的可能性。为了避免对靠近的多个液滴进行分选，通常会注入间隔油以进一步分离连续的液滴，这只允许单个液滴在任何给定时间点进入有效的液滴分选区域。然而，在长时间的运行中，稳定地保持液滴之间的均匀间距可能很困难，特别是在进入的液滴尺寸不均匀的情况下，因为较小的液滴往往会因动量和阻力的差异而赶上较大的液滴。具有较大的液滴间距也会降低整体系统吞吐量。

最后，需要更高的电压来实现更高的吞吐量。由于分选效率由给定DEP力下可实现的最大液滴位移决定，该位移取决于DEP力作用于每个液滴的幅度和时间，因此需要更高的DEP力将液滴重定向到不同的出口。然而，在高电压下（现有液滴分选机的典型工作电压范围为200至1000Vpp），与液滴的表面自由能相比，液滴的惯性增加，当向液滴施加位移力时，液滴保持其完整性，这可能会导至液滴撕裂。这种不必要的液滴分裂会严重混淆任何液滴分析的结果，也会限制分析吞吐量，特别是在相对较大的液滴（超过100 直径为µm），其中这种较大的液滴通常更难操作，但在许多细胞分析应用中仍然是必需的。

我们在本文中描述了NOVAsort（下一代基于光电体积的精确液滴分选器）系统，该系统不仅可以根据液滴的荧光强度，还可以根据其大小对液滴进行分选。即使在高通量条件下，精确分选多分散液滴群体也可以显著减少或消除由液滴分裂和/或液滴合并等无意影响引起的分选误差。所提出的液滴分选器有效地解决了上述缺点和局限性，它利用了交叉电极（IDE），可以在微流体通道的底部产生高度局部化的电场，还利用载体油中水滴的自然浮力来选择性地操纵特定尺寸范围内的液滴。流通液滴荧光检测装置与反馈回路相结合，仅当检测区域中的液滴强度超过设定的荧光阈值时，才激活IDE，因此仅收集正确尺寸的高荧光液滴，因为表面IDE产生的DEP力只能操纵特定尺寸范围内的液滴。此外，平面IDE产生的高度局部化的电场仅移动位于IDE正上方的液滴，因此不会聚结相邻的液滴或对非目标液滴进行分类。此外，激活的IDE充当“液滴导轨”，轻轻地将液滴引导到正确的出口，而不是传统的液滴操纵器以锐角突然将液滴拉向不同的方向，这会导至液滴动量的突然变化，从而导至不必要的液滴剪切。最后，作为这种NOVAsort系统优势的概念验证，进行了液滴体外转录/翻译（IVTT）工作流程，并对由此产生的错误率和吞吐量进行了彻底的表征。

NOVAsort系统的工作原理

在多个步骤的液滴孵育和/或操纵操作后，液滴尺寸的均匀性可能会受到显著影响。图1A显示了待分拣液滴库的典型输入液滴组成。在这里，液滴由小（破碎）、中（目标尺寸）和大（无意聚结）液滴组成，有或没有荧光。然而，只有中等大小的荧光阳性液滴才是真正需要分类的。NOVAsort旨在处理这种高度多分散的输入液滴库。这是通过将基于尺寸的液滴分离与荧光激活的液滴分选相结合来实现的（图1B）。NOVAsort的程序如图1C所示。基于尺寸的液滴分离方法基于这样一个事实，即水滴在其载体油中自然漂浮并漂浮到通道顶部，位于通道底部的IDE在通道底部产生非常局部的电场。填充通道高度的大液滴可以很容易地通过介电泳（DEP）力进行操纵，而浮起并因此远离表面IDE的小液滴由于作用在这些小液滴上的DEP力不足而无法操纵（图1D）。在这项工作中，通道高度被设计为比所需的液滴尺寸稍大（约10%），以便IDE产生的局部电场专门影响和引导具有正确尺寸的液滴。通过顺序连接两个这样的基于尺寸的液滴操纵器（图2A显示了串联连接的液滴高通和低通滤波器），可以仅分选出特定的液滴尺寸范围。荧光检测激光点放置在第二对IDE的开头，IDE产生DEP力，以选择性地仅对荧光阳性和正确尺寸的液滴进行分类。

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