关于微液滴技术的思考(上篇)

发布时间:2019-03-18    浏览:85次

微流控技术(微流控芯片技术)蓬勃发展,目前学术、产业、投资对该技术的热情高涨。其中微液滴技术作为一个分支,得到了学术和产业的双重认可。

随着科技的发展以及科技创业模式的普及,微流控芯片领域的科学研究和产业化几乎同步。2012年之前,国内的微流控会议,主题还集中在“芯片方法和体系的构建”和“芯片应用领域的探索”。同时产业界出现了中芯启恒等服务型企业,以及以博奥、微纳芯为代表的将芯片应用于IVD领域的企业。

时至今日,微流控会议通常包括三大主题,微液滴、器官芯片、芯片在分析领域的继续深耕。我们看到,芯片在IVD领域的应用,国内具有成熟产品的企业已经有数十家,在研发的有上百家。更令人欣喜的是,微液滴领域也出现了越来越多的企业,说明了产业对技术的认可。

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Figure 1.美剧生活大爆炸提及微液滴技术

现阶段,微液滴技术无疑是微流控芯片学术领域内的最大亮点,主要在于以下几个原因:

首先,区别于微流控其它领域,微液滴是唯一一个不以芯片为直接使用工具的领域,而是利用芯片产生的液滴作为载体(例如将液滴作为微反应器进行单细胞分析)。即使芯片的设计和加工技术已经比较成熟,由于微液滴对表面性质、活性剂和稳定油相的较高需求,目前仍有一部分研究集中在液滴形成方法的构建,而且这种方法并不局限于传统的芯片载体;

其次,研究人员充分认识到这一技术的巨大优势和潜在应用场景,加之目前对于单细胞、单分子和单颗粒分析的追捧,液滴技术的应用达到超前的规模。诸多学者持续探索其在单细胞分析、测序、酶抑制剂筛选、药筛药代、材料合成、质谱分析、尤其是一系列基于液滴的数字分析概念(ddPCR、ddELISA等)等领域的应用;

再次,纵然其前景广阔,技术本身还存在诸多问题,尤其是可操控性能和多样本交叉问题,成为限制其应用拓展的主要制约因素,因此针对液滴本身进行的后续操控,也成为了一大研究热点;

此外,一个被国内学者常常忽略的热点是,微米尺度的流体力学、动力学和热力学领域,仍有诸多问题亟待解决。几年前热议的本世纪待解决重大科学问题中,就有以NS方程为代表的流体力学问题,微液滴形成机理研究的基础也是NS方程。虽然微液滴的应用已经如火如荼,其本质的两相流问题研究仍然停滞不前。部分学者仍然把scaling law和模拟做为研究工具。笔者认为,这对于理解两相流问题,帮助非常有限。有幸的是国内以中科大、哈工大和力学所为代表的一些研究组,越来越关注相关液滴形成机理问题。机理问题虽然难度较大,文章层次也会高一个档次,以ANNU REV FLUID MECH为代表的一区杂志,经常能见到关于droplet和bubble的文章。

鉴于微液滴技术的巨大优势和关注程度,笔者试图对该技术做一个学术和产业结合的梳理,试图从方法和体系去理解技术的发展和应用。个人对技术的理解难免有失误之处,尤其是笔者目前已经很少接触前沿研究,如有描述不正确,尤其是机理部分错误的地方欢迎指正和留言讨论。

如果单纯从文章来说,微液滴技术的应用已经高度渗透到生化和材料各个领域,每个人关注的领域不同,因此本文不对具体的应用做太多描述,如果感兴趣,可以通过综述性的文章去了解。

一、微液滴的种类

液滴存在是由界面张力决定的,两种存在一定界面张力的流体(即互不相容),通过一定的方式,即可以形成液滴。常见的水龙头滴水、水在干燥泥土上成球现象,都是液滴的形式。

在生成和使用液滴的时候,选取合适的液体和表面活性剂,加上辅助的生成方式,就可以得到不同的液滴种类,常见的W/O、O/W、G/W、G/O、W/G、O/G等。

单层液滴并不能满足所有的应用需求,双乳液随之出现,W1/O/W2、O1/W/O2是两种最常见的形式,通过合适的液体选择和表面活性剂的引入,W1/W2/O (Anderson Shum部分工作)等非常规型液滴也成为可能,而这种形式的液滴在材料领域有着相当的应用前景(Microfluidic techniques for synthesizing particles)。

上述液体可以根据应用需要进行选择,而且同种性质液体可以进行混合(两种或多种水溶液同时被包裹在一个液滴中,Figure2),当然也可以添加一定的溶质,从而完成特定的反应,例如W/O液滴,其中的水相可以是多种溶液的混合物,也可以是含有一定溶质的溶液。上述液体根据应用进行选择。

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                                                                                                                  Figure 2

二、微液滴形成方法

微液滴形成其实并不是伴随着微流控芯片产生的,早期其生成方法包括了搅拌乳化、dripping和压电喷射等,其应用于食品和化妆品添加剂、航天、冶金等领域。20世纪初,journal of fluid mechanics就有相关论文报道。

随着MEMS和微流控芯片技术的发展,目前微液滴的形成方式主要包括了芯片(microfluidic channel based)、毛细管(capillarybased)、压电(inject printing)、声场(acoustic)、电场(EWOD)、磁场(magnetic)、光引导、功能界面(超亲疏水)、微孔阵列(thermal ddPCR)等,以及上述部分方法的结合。

还有一些比较小众的技术,例如方群老师为代表的SODA系统,毛细管和界面接触形成液滴,以及后续思纳福医疗等推动的振动乳化技术(Figure 3)和基于滑动芯片的step emulsification(Figure 4)。

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Figure 3.振动乳化技术


igure 4. 基于滑动芯片的stepemulsification

上述微液滴形成方法可以通过形成原理分成几类,基于流体方式的芯片和毛细管;以声光电磁为代表的主动式液滴形成方式;功能界面和微孔阵列等

流体方式中毛细管需要拉管机等设备,成本较高。而芯片等可以通过设计定制的方式,对于科研来说兼具灵活和成本低的优势,尤其对新进入领域的学者来说,成本可控,能够快速开展工作。相较于毛细管系统,芯片在产业化应用上的稳定、重现、成本优势更加明显。

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Figure 5. 毛细管生成液滴系统

主动方式液滴的可操控性更强,然而外设大和成本高,对学术研究提出了较高的成本要求,应用也有一定的限制。

功能界面和微孔阵列形成液滴虽然过程相对简单,其灵活性和可操控性较差。

当然,上述比较相对笼统,如果有明确的应用需求,则根据需要选择合适的方法,例如如果要可操控,电场(EWOD)无疑是目前最佳的方式,illumina多年前已经并购了该技术,目前京东方和上海衡芯等都有披露部分产品。如果需求高通量,压电(inject printing)和声场(acoustic)都有不错的表现。

方群老师的SODA系统(http://www.chem.zju.edu.cn/imas/fangq/about.php?id=7),在通量和灵活性上面有相当的体现,然而系统成本目前较高(>20万),且如何绝对避免交叉污染的问题,还需要进一步验证。

正如上所述,虽然微流控芯片方式在微液滴形成上的优势不是绝对性的,科研和产业都在寻找兼具灵活性和通量,避免交叉污染且成本可控的液滴生成方式。在今后的一段时间里,这仍将是领域内亟待解决的问题。最近看到的深圳先进院的门涌帆老师的将压电和芯片结合的方式,就是朝这个方向的探索。任何试图解决上述问题的探索,对领域内学术和产业的推进都是有益的尝试。

前面提到了关于液滴形成机理的研究还很欠缺,这里再举一个例子。为了提高液滴的稳定性,通常会添加表面活性剂,常见的Span和Tween有各自适用的液体,另外对于稳定性和生物兼容性要求较高的体系,通常采用PFPE-PEG-PFPE三聚体(Biocompatible surfactantsfor water-in-fluorocarbon emulsions)。通行做法将表面活性剂加在外相溶液中,其中原因很多人却解释不清楚,在dolomite的文献上,笔者和同事曾经找到过解释,推荐表面活性剂应该在外相。然而早期的文献,确实有部分将表面活性剂加在了内相,笔者亲自对比了内外相添加表面活性剂的效果,没有明显差别。后续请教了很多人,都没有明确的答复,直到找到一个做分子模拟的学者,他提示说,表面活性剂稳定需要一定的时间,而这个时间小于液滴生成的时间(微秒到毫秒)。如果这是主要原因,这对于目前液滴形成动力学,以及相关力学分析都至关重要,起码说明液滴脱落过程,界面张力没有达到平衡值,拉普拉斯方程需要进行修正。至于表面活性剂真正的机理,仍然有待于后续学者进行深入研究。

当然,有的研究人员可能会问,研究这些有什么用,笔者早期也遇到过类似的提问。微液滴的生成诸多因素控制,目前多数研究是固定了上述控制因素(芯片尺寸、液体性质和流速控制),所以scaling law和经验公式能够满足需求。随着其应用范围越来越广,流体性质千差万别,管道尺寸变化更大,对液滴直径的控制需求也会越来越高,只有从机理上理解了控制因素的作用,才能够真正实现droplet-on-demand(采用channel的方法)。


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