概述
近年来，液滴生成技术研究显著增长，主要得益于其在高通量单细胞分析等领域的突出优势。该技术的应用范围广泛，不仅涵盖药物发现与诊断，还延伸至食品、化妆品生产以及油漆等工业领域。与传统生产技术相比，微流控液滴生成能实现显著的成本节约，是一个备受关注且持续发展的前沿方向。
一、液滴生成原理
液滴在具有精确几何结构的微流控芯片中，通过微流控泵的精确控制，由两种互不相溶的液体（通常为水相和油相）形成。这种方式属于“被动”液滴生成，“主动”方式则利用电、磁或离心力等外力。常见的被动生成几何结构分为以下三种：
01 交叉流（T结或Y结）
• 原理：连续相（如油）沿主通道流动，分散相（如水）从侧通道汇入。两相在T型或Y型结处相遇，连续相的剪切力将分散相“剪断”形成液滴。
• 液滴大小影响因素：两相流速比、连续相粘度、流速及界面张力。通常连续相流速高于分散相。
02 流聚焦（“+”或X结）
• 原理：两相在交叉处汇聚，通道通常在此收窄。连续相从两侧夹挤分散相，使其在聚焦点断裂成滴。
• 液滴调控：可通过降低连续相流速来增大液滴尺寸。
03 共流聚焦
• 原理：分散相通道被连续相通道包围。当分散相流入连续相时，受到剪切作用，最终通过滴落或射流方式形成液滴。
二、实验设备
一般而言，开展液滴生成实验至少需要：2台微流控泵（或1台多通道泵）：用于分别控制连续相（油）和分散相（水）的流速。
推荐设备：
1. 点成Cellix 4U多通道压力泵：通过对储液罐加压推动流体进入芯片。
2. 点成 Cellix ExiGo单通道微流体注射泵（2台）：使用注射器装载样品，也可搭配自动进样歧管连接储液罐。
3. 2个流量传感器：为油相与水相提供流量反馈控制，确保流速稳定，从而生成尺寸、体积与频率均一的液滴。
4. 具有合适几何结构的微流控芯片：交汇处几何形状是决定液滴大小的关键因素，其次受表面活性剂浓度和两相流量比影响。
• 稳定的通道表面化学处理：
￮ 油包水液滴：需疏水通道表面，可使用点成Cellix的DropCoat预处理芯片。
￮水包油液滴：需亲水通道表面，点成Cellix的DropChip芯片已进行亲水预处理
• 表面活性剂：用于稳定油-水界面，提高液滴稳定性（通常添加于油相中）。
• 连续相油
• 连接管路
示例实验装置：流聚焦法生成油包水液滴
• 泵：点成 Cellix 4U压力泵（使用2通道）
• 样品容器：1个储液罐（4U泵用）或2支注射器（ExiGo泵用）
• 2个流量传感器
• 经疏水处理的微流控芯片（含流分器与液滴生成结）
• 表面活性剂、油、连接管路
三、液滴生成实验中的常见问题及解法
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常见问题一：实验开始时，将两个泵（油相和水相）都连接到芯片上！
微流控通道中注入不同溶液/液体的顺序至关重要，因为流量传感器针对不同液体类型（如油基或水基溶液）进行了校准。如果您尝试用溶液包覆芯片以确保通道疏水性，或者在芯片连接到装有水相的泵时预先填充油相，油很可能会倒流到连接到泵的水相传感器。连接到水相的流量传感器仅针对水性溶液进行校准。如果非水溶液，如油，流入该流量传感器，开始实验时会导致水相流量错误。
解决建议：
• 断开装有水相的泵的芯片
• 用溶液预涂芯片的微流控通道，确保其疏水。点成 Cellix推荐DropCoat用于我们的液滴生成。
• 预先用油相注满芯片的微流控通道，记得保持水相泵断开！
• 将水相的微流控泵连接到流量传感器，预先加满水相，直到管子末端有水滴流出。此时可以将这根管子连接到您的微流控芯片上。
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常见问题二：影响液滴稳定性的两个主要因素是通道表面化学（水中油滴时为疏水性，油中水液滴为亲水性），以及油相中添加的界面活性剂。之后，关键是调整油相和水相的流量比例。
解决建议：
• 油包水体系需确保通道疏水：使用DropCoat处理通道，静置10分钟后用空气或油相冲洗。
• 预处理芯片通道：先用连续相（油）填充通道。
• 可尝试提高油相中表面活性剂浓度。
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常见问题三：液滴生成在实验中途停止，油基和水基相均变为层流：流动不稳定。
解决建议：
• 检查是否已完成通道疏水处理（油包水）。
• 检查系统是否有泄漏或堵塞（如气泡）。
• 保持油相流速恒定，缓慢提高水相流速，注意避免油相回流至水相传感器
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常见问题四：影响液滴大小的最重要因素是微流控芯片的几何形状，特别是油相和水相相交汇处的结点。
解决建议：
• 几何形状： 选择微流控芯片的通道几何形状（特别是油相和水相交汇处），以便它能轻松生成您想要的液滴尺寸。
• 表面活性剂：表面活性剂浓度（通常添加到油相中）会影响液滴大小，程度较小。通过改变表面活性剂浓度，可以略微改变不同相的流动比例，从而实现极其细微的尺寸差异;也就是说，你可以让液滴中含有更多水分，从而使其体积稍大一些。点成推荐DropSurf表面活性剂用于液滴生成研究。
• 油相和水相的流量比：如果微富利迪芯片的几何形状固定，改变两相的流速比对液滴大小的影响要小得多。不过，它仍然可以带来细微的变化，但通常只有非常小的流量范围适用于特定的固定几何形状，所以这只能提供有限的灵活性。
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常见问题五：液滴生成的生物相容性油和表面活性剂，这是对细胞相关应用感兴趣者常见的问题。
解决建议：矿物油在连续相中效果很好，且广泛可得，但生物相容性界面活性剂较少且价格较高。点成推荐DropOil用于液滴生成研究。
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常见问题六：测量液滴稳定性（尺寸、分布）和单分散性。需要注意的是，这些软件程序都是二维工作，因此精度常常受到影响。即使是液滴直径的极小变化，也会显著影响液滴的体积。
解决建议：在开发液滴并表征产生的液滴时，我们使用了散射（3D）技术——这使我们能够准确测量液滴的大小、体积和频率。液滴的表征工作量很大，但如果你想绝对有把握，我们建议使用三维方法，比如散射。
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