基于微流控技術(shù)的微液滴融合研究進展.pdf

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1、第43卷分析化學(FENXIHUAXUE)評述與進展第12期2015年12月ChineseJournalofAnalyticalChemistry1942～1954DOI：10．11895／j．issn．0253-3820．100509基于微流控技術(shù)的微液滴融合研究進展申峰李易劉趙淼曹刃拓王貴人(北京工業(yè)大學機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學院，北京100124)(DepartmentofMechanicalEngineering&BiomedicalEngineeringProgram．UniversityofSout

2、hCarolina，Columbia，SC，29208，USA)摘要隨著芯片實驗(Lab—on—a—chip)研究的不斷發(fā)展，利用微流控技術(shù)(Microfluidics)對微通道中的液滴進行精準操控，引起了越來越多的研究者關(guān)注。本文介紹了微通道液滴基本理論及融合機理，通過改變微通道幾何結(jié)構(gòu)和表面特性等影響因素實現(xiàn)微液滴融合的被動融合方式，通過施加外電場、磁場、溫度場、表面聲波和激光聚焦等作用實現(xiàn)微液滴融合的主動融合方式，以及液滴融合過程中的流體動力學特性。最后對微流控芯片液滴融合技術(shù)研究的發(fā)展前景進行了展望，為

3、微流控器件設(shè)計、微液滴控制技術(shù)的廣泛利用提供有價值的參考。關(guān)鍵詞微流控技術(shù)；液滴融合；微通道；芯片實驗室；評述1引言微流控芯片(Microfluidicchip)也稱作芯片實驗室(Lab．on—a—chip)，是近十幾年來發(fā)展迅速的多學科交叉研究領(lǐng)域J，它是一種以在微米尺度空間對流體進行操控為主要特征的科學技術(shù)_2J。微流控芯片利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)在硅、玻璃或高分子材料等基片上制作微通道、微泵、微閥、微反應(yīng)器等功能單元，并施加電場或壓力等各種外力場驅(qū)動，對芯片中的微量流體進行控制和處理，充分利用微

4、通道中流體的物理特性，可以實現(xiàn)對微量流體或樣品的精確操縱、處理與控制的功能，可以將生物、化學等實驗室的各種操作功能，如樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測及細胞培養(yǎng)、分選、裂解等，集成到一塊幾平方厘米(甚至更小)的芯片上J。相比于傳統(tǒng)方法，微流控芯片具有成本低、樣品消耗少、易自動化、靈活快速、易微型化等優(yōu)勢，在疾病診斷、細胞研究、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測、綠色能源、材料合成等領(lǐng)域展示出廣闊的應(yīng)用前景J。因此，Nature雜志評論認為芯片實驗室可能成為“本世紀的技術(shù)”。微流控芯片液滴是一種新的操縱微小體積液體的技術(shù)。微液滴操控技

5、術(shù)一般是指將兩種不相融的流體，如水和油，其中一種作為連續(xù)相，另一種作為分散相微液滴體積單元(10～10L)，并利用微流控技術(shù)，控制兩相流動行為，以實現(xiàn)微液滴的生成、輸運、分裂、融合、分選、定位和捕獲等控制功能。微流控芯片液滴技術(shù)已成為微流控芯片研究的一個重要發(fā)展方向-8]。微液滴具有高比表面積、傳質(zhì)傳熱時間短和擴散距離短等特點，在微液滴中進行反應(yīng)的時間比常規(guī)體系短，因此，微流控芯片中的微液滴具有微反應(yīng)器的功能l9。此外，微液滴具有較高的單分散性、微小的體積，以及不受限的液滴生成數(shù)量，為化學和生物研究提供了一個獨

6、特的微型化平臺，而且微液滴體積及運動行為可以精確操控，并具有可重現(xiàn)性。由于液滴界面張力的作用，微液滴內(nèi)部可以產(chǎn)生與外界連續(xù)相流體不同的物理和化學反應(yīng)環(huán)境，同時，微液滴內(nèi)部流體可以與微通道壁面隔離，以減小通道表面性質(zhì)對內(nèi)部反應(yīng)的影響j。由于微液滴平臺的這些獨特優(yōu)勢，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴展，包括細胞和亞細胞結(jié)構(gòu)分析H、蛋白質(zhì)結(jié)晶18,193、納米粒子的合成，和納米分子自組裝。以及高通量注射等衛(wèi)?；谖⒁旱蔚纳锘瘜W反應(yīng)，如微納顆粒的材料合成過程中，需要將兩種不同的液滴融合在一起，以便獲得較好的混合反應(yīng)效果，因此，液

7、滴的可控融合(Coalescence)已成為一項重要的微流控技術(shù)，對2015~622收稿；2015438—16接受本文系北京市自然科學基金(No．7152012)、國家留學基金(No，201406545031)及北京工業(yè)大學“日新人才”培養(yǎng)計劃項目(No．2015一Rx-L02)資助E—mail：lzm@bjut．edu．CFI第12期申峰等：基于微流控技術(shù)的微液滴融合研究進展1943于在液滴內(nèi)實現(xiàn)多步反應(yīng)十分重要。微通道液滴融合是指將兩個或多個微液滴接觸并融合在一起。融合過程中需要克服液滴之間流體薄膜的表面張

8、力作用，并使得液滴界面失穩(wěn)才能實現(xiàn)融合。由于微通道上下壁面的限制作用，液滴之間的連續(xù)相流體需要從有限的空間排出，增加了融合的難度。同時，液滴界面通常不再是球形，液滴融合過程中毛細力．黏性力．慣性力的平衡方式與宏觀尺度下的液滴融合過程不同，現(xiàn)有宏觀尺度的液滴融合理論難以對其進行定量的描述。此外，由于液滴界面的可變形性，導(dǎo)致了界面張力的不均勻變化和液滴的非線性問題等一系列新的流體力學問題，