基于液滴的微流体技术为芯片上试剂混合与反应控制提供了简便的解决方案。这种技术因其广泛的应用，尤其在药物筛选中的卓越表现，在生命科学研究和制药行业中备受关注。
然而，在采用这项技术之前，实验室需要满足一些基本要求。本文将探讨液滴微流体技术在样品和试剂混合中的应用，并列出实验所需的关键材料。
1 分散和混合挑战以及液滴微流体技术
微尺度技术拥有诸多优势，例如样品和试剂消耗量低、人为干预最少、错误几率降低和灵敏度高。但可能会出现一些样品或试剂分散和混合问题[1]。
因此，研究人员开发了微流体装置来改善混合和控制分散。实现这一目标的一种方法是将水相分离在不混溶的载体流体中[1]。但研究人员发现，由于层流占主导地位，连续微流体的混合过程仍然很慢，而且存在相当大的污染风险[2]。
基于液滴的微流体解决了这个问题，因为分子被封装在微通道上的单独液滴中[2]。这些大小均匀的液滴可以轻松地穿过微流体通道，而溶质浓度保持不变[1]。由于目标分析物被隔离在液滴内，因此交叉污染风险明显较小[2]。
然而，对于需要多种试剂充分混合的应用来说，混合问题依然存在。这可能需要生成包含多种试剂的液滴或将含有不同试剂的液滴进行合并[1]。
2 如何控制芯片上的反应？
一旦生成这些合并的液滴，您就可以控制其成分混合的速率。有些成分需要比其他成分更快的混合。此外，您可能需要以比扩散允许的速度更快的速度彻底混合所有这些成分[1]。
如果没有任何混合策略，成分将通过扩散在液滴内混合。 在存在不混溶反应物的情况下，产物会在界面上停留一段时间，从而影响流动[1]。
2.1 影响混合速率的因素
移动液滴内的混合速率取决于几个因素，例如：
- 试剂位置
- 毛细管尺寸
- 液滴/毛细管比率
- 流速
其中，优化液滴尺寸与毛细管尺寸的匹配是提升混合效率的有效方法。理想情况下，液滴的尺寸应为通道高度的1-2倍[1]。
在液滴微流体中，液滴接触固体通道壁时，剪切产生的循环流动增强了混合效果。
此外，液滴流过包含弯头和转弯的微通道会产生混沌平流现象。 这种几何操作拉伸和折叠了液滴内部的流体半球，进一步改善了混合效果[2]。引入弯道或蛇形图案等替代路径方向也可能有帮助。
3 粘度如何影响混合？
微流体溶液通常浓缩并含有聚乙二醇等添加剂，这会增加它们相对于水或稀释缓冲液的粘度。药物筛选中使用的酶就是这种情况[1]。
有趣的是，粘度差异似乎不会影响混合。在许多情况下，混合速度实际上比具有相似粘度的试剂更快。此外，将粘度较高的材料放在液滴的前面或后面也可以减少混合时间[1]。
4 开始实验需要哪些材料？
在液滴中进行反应具有许多优势，例如混合均匀、快速质量和热传递、减少试剂使用以及减少危险材料暴露。该技术用途广泛，可用于各种应用，包括基因表达分析、药物发现和筛选[2]。
开始实验需要以下材料：
- 2 个微流体泵（或一个泵上的 2 个通道）——用于控制连续（油）相和分散（水）相的流动。根据应用，我们推荐使用 4U 压力泵或 2 个 ExiGo 微流体注射泵。4U 压力泵具有稳定而准确的流速，可独立控制 4 个不同的通道，控制压力和流量。您可以使用智能手机编程流量曲线并有效管理所有泵功能。
- 2 个流量传感器，用于提供油相和水相流量控制的反馈。
- 具有适当几何形状的微流体芯片可产生液滴，以确保液滴尺寸最佳。
- 稳定的通道表面化学，确保液滴稳定性。
- 表面活性剂稳定油相和水相之间的界面，使液滴稳定。
- 用于连续相的油可提高液滴稳定性。用于从泵连接到微流体芯片的管道。
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参考文献
[1] Esposito, E. Droplet Microfluidics: Mixing within Droplets. Available: https://openwetware.org/wiki/Droplet_Microfluidics:_Mixing_within_Droplets_-_Edward_Esposito. Access: 02/09/2022.
[2] Hassan, Sammer-ul, Xunli Zhang, and Xize Niu. “Droplet-based microfluidics: formation, detection, and analytical characterization.” Research & Development in Material Science 11.5 (2019): 1227-1233.
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