【分析】基于旋转圆台的非微流控高通量微液滴生成装置

来源：X一MOL资讯

液滴微流控（Microdroplet）是一项在微尺度的通道内通过多相流体剪切形成单分散的液滴，并对其进行操控的技术。作为微流控技术的重要分支，液滴微流控技术在生物医学、化学以及纳米技术等多学科交叉领域有着广泛的应用价值。目前主流的基于微流控的微液滴生成结构包括流动聚焦 (Flow-focusing)、T形汇流 (T-junction) 和共轴协流 (co-flow) 三种，这些方法在高速均一液滴生成方面大大突破了传统方法。然而，其复杂的微制造工艺、相对较低的通量，以及对专业硬件和操作技能的高要求阻碍了研究人员充分发挥这一强大平台的潜力。因此，研究如何进一步简化液滴制备方法，实现高通量、低成本、更加可控的皮纳升液滴生成，具有重要意义。

澳大利亚伍伦贡大学（University of Wollongong）李卫华（Weihua Li）教授和唐诗杨（Shi-Yang Tang）博士领导的课题组最近开发的集成微液滴生成装置很好的弥补了上述缺憾。该发生器的主体为一个旋转的圆台，利用圆台的快速旋转，引入剪切流和一个沿圆台表面向下的涡流，实现了大小可控的均一液滴的制备。该方法突破了传统液滴微流控平台通量小以及过度依赖微加工技术等缺点，只需要一台注射泵和控制圆台旋转速度的直流电机即可大通量地快速制备多种微液滴。实验发现，液滴的大小主要取决于圆台的转速以及针头的直径。通过调整圆台转速，可以实现对液滴大小的主动与被动控制。

除了水液滴外，研究人员还使用该装置制备了难以在常规微控平台中生产的具有高表面张力的液滴，例如镓铟合金液态金属微液滴（表面张力大约八倍于水）。此外，研究人员还进一步演示了利用该装置集成紫外光并产生聚乙二醇固体水凝胶和纤维的过程。最后，研究团队探索了使用该发生器混合两种不混液体形成双重乳化微液滴的能力。液滴尺寸的灵活控制、简单低成本的装置以及多种功能的集成是该工作的亮点。鉴于该平台展示的卓越能力和微液滴的巨大应用潜力，这种用户友好的方法有可能改变基于液滴的化学合成和生物分析等应用的未来。

High-Throughput, Off-Chip Microdroplet Generator Enabled by a Spinning Conical Frustum

Shi-Yang Tang, Kun Wang, Kai Fan, Zilong Feng, Yuxin Zhang, Qianbin Zhao, Guolin Yun, Dan Yuan, Lianmei Jiang, Ming Li, Weihua Li

Anal. Chem., 2019, 91, 3725–3732, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b00093

导师介绍

李卫华

https://www.x-mol.com/university/faculty/26293

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：传统微液滴的生产大都基于微流控芯片，而微流控芯片技术依赖于芯片构型和微加工精度，并且有通量较低，液滴的大小受流体粘度、表面张力等因素影响较大的缺憾。因此，我们受T形结构管道产生液滴的启发，在微管道之外，利用转动圆台产生剪切流从而高通量地生产出大小均一的微液滴。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：本项研究中最大的挑战是如何防止已产生的微液滴因在容器中相互碰撞而融合。我们巧妙地利用了由圆台装置旋转而产生的一个沿圆台表面向下运动的涡流来分离已产生的微液滴，从而防止了它们相互碰撞和融合。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：液滴微流控在许多方面都具有很大的应用前景。在生化分析领域，由于液滴具有微型化、区间化以及单分散性等优势，其可以作为生化反应单元在单分子及单细胞水平进行高通量检测，从而实现用较少量的试剂，在更短的时间内完成生化分析中的常规操作。在材料制备方面，微型化的液滴能够实现对纳米颗粒成核和生长过程中反应参数的精确控制，从而提高产物的单分散性和合成效率。此外，将液滴整体作为模板可以用来制备形貌、成分以及功能各异的微球材料，这种方法对微球材料性质的优化和多样性的拓展能力是其他制备方法无可比拟的。我们的方法极大地降低了微液滴的产生成本并且实现了高通量制备，这在很大程度上降低了拓展其应用的门槛。