液滴微流控系统的研究现状及其应用

从上个世纪 8O年代开始 ，科学家们对于微尺度下的流体流动开展研究，至今有30余年。在微流体的研究进程中，用于微流体领域研究的工具和装备也在不断改进 ， 。微流体领域是-个交叉学科，涉及流体力学、生物、医学、化学和电子工程等多个学科，目前，基于液滴的微流体系统已经在生物、化学和医学领域有着广泛的应用，从药物开发、现嘲时护理 引、有机收稿日期 ：2013-05-1714 液压与气动 2013年第6期物合成到微小反应单元 4 J，微流体的液滴控制为生物、医学研究搭建了-个新的平台，实现了液滴在微小通道中的流动控制。在微流体的液滴研究中，已经能够实现液滴形成、液滴大孝液滴混合及液滴分离等控制，通过搭建试验平台，为生物医学中开展血液采集、药物合成等研究创造了条件，同时，使得基于液滴开发的微流控芯片能够应用于医学领域，具有实际应用价值。由于液滴在微流体系统中通常作为反应物的微小单元，只需要很少的样品体积就能够实现化学反应，可以大大节省药品的开发成本。此外，液滴还可以直接用于微信粒的合成与包装，用于生物医学的药品制作工业，具有潜在的市驰值。

与通常的连续相流动有所不同，液滴形成采用两种不相容的液体，在两者混合的过程中，产生离散的微小单元 J。比如水和油，两者不相容，当两者在微流道中相遇时，能够在油液中产生水滴 ，也可以在水中产生油滴。液滴研究具有广泛的应用，液滴在微流体系统中，通常作为反应物的微小单元，只需少量的样品，就能够实现化学反应，大大节省药品的开发成本。此外，液滴还可以直接用于微信粒的合成与包装，用于生物医学的药品制作工业，具有潜在的市驰值。在微流道中，如何聚集微信粒，精确地控制微信粒运动，能够用于细胞迁移的研究u 0IJ。同时，基于液滴的微流体系统能够大大减小试验设备的尺寸，具有较高的集成度，可以同时开展多种试验的并行研究。此外，最新的研究表明，基于液滴的微流体系统能够实现布尔逻辑运算，对于实现计算机控制在微流控芯片中的应用迈出了重要的-步 -14]。

液滴研究已经在化学、生物、医学等领域得到广泛的应用 15]。比如在生物领域，有许多化学反应都是以细胞为单位进行的。基于液滴的微流控系统，可以通过液滴的产生、合并以及融合，来模拟在生物细胞中进行的化学反应。同时，随着液滴形成技术的不断发展，以及液滴尺寸控制精度的不断提高，可以通过液滴与液滴之间的融合，形成特定体积的微信粒，从而应用于生物医学的药品加工、试验以及最终药物合成等。

总而言之，液滴研究已经实现了液滴的形成、分离、合成及运输等功能，在液滴微流控系统中可以形成单个的微信粒单元，其体积能达到纳升数量级，在医学诊断，生物医学成像、药品开发、生物细胞分析，生物细胞合成等众多领域发挥重要作用。目前，液滴主要有四个研究方向，分别是液滴形成、液滴合并、液滴分离和液滴融合 。

l 液滴形成基于液滴的微流体系统最重要的功能就是能够产生体积大小-致的微小液滴和颗粒，所以，控制形成液滴的大孝形状和分散程度，是液滴研究的重要内容。

目前 ，最常用的技术就是，采用两种不相容的液滴，当它们在微流道中相遇时，由于两者之间的作用力，会形成液滴。此外，如何在液体中产生气泡，也是液滴研究的重要内容。在液滴形成过程中，除了液体粘度的影响之外，微流道的表面特性、微流道几何结构以及两种液体交界面的强度等，都会对液滴的形成过程产生影响。

在微流道中形成的微小液滴和颗粒，可以用于医学药物的输送。为了较好地实现药物在微流道中的输送，发挥药物的功效，可以通过控制形成液滴过程中，各种试剂的用量，以及控制液滴运动的轨迹来完成药物的合成。微信粒的生物、化学等特性与其大型形状都密切相关，所以，如何产生特定体积、组成成分明确的液滴，对于微信粒的生物化学特性具有重要作用。过去传统的产生液滴和微信粒的方法，比如在两种不相容的液体中，通过主动搅拌产生液滴，以及对聚合物材料研磨形成微信粒等，这些方法最后形成的微信粒之间，体积差别较大Ll 。相反的，基于液滴的微流体系统，能够产生单分散的微小液滴与颗粒，其体积保持-致，能够准确控制，所以和传统方法相比，具有明显的优势。

1.1 液滴形成方法目前，世界各国的研究人员发明了多种在微流道中形成液滴的方法，应用最多的主要有三种：-种是通过 T型流道产生液滴，-种是通过流体在流动中聚集产生液滴，-种是通过电润湿的方式产生液滴。

T型流道是最常用的液滴形成方式，它的结构形式如图1所示，其中，水平流道(主流道中)流动的是连续相液体，垂直流道中流动的是分散相液体。当连续相液体与分散相液体相遇时，水平流道中的连续相液体对分散相液体产生剪切作用，同时，由于水平流道中的液体压力，使得分散相液体被挤入连续相液体中，最后产生挤压变形而被切断，形成离散的液体颗粒，即液滴。通成以用油作为连续相介质，水作为离散相介质，在油液中形成水滴。调节连续相与分散相的液体流量比，水平流道和垂直流道的宽度比，以及两种液体的粘度比，可以控制液滴的大型体积。此外，T型2013年第6期 液压与气动 15流道不仅仅用于单个液滴的产生，在 T型流道中，还可以实现不同液体之间的化学反应 " ，在液体中形成气泡 以及液滴与液滴的自由合并 。

f离散相液体图 1 T型流道形成液滴的结构原理图液体在流动中聚集产生液滴，需要采用特殊的流道形状。通成以让连续相和分散相液体通过-个狭窄的流道，在节流口处产生聚集，然后再通过-个扩张的流道形成射流，产生-连串的液滴。其中，增大连续相液体的流量可以减小分散相液体形成的液滴大小，提高液滴产生的频率 J。

采用电润湿的方法产生液滴，首先通过电场的作用在液体表面形成-层导电膜，然后在液体流道的上下两侧施加电极，当液体在流道 中流动时，由于电场力的剪切作用，使得离散相液体产生变形，形成液滴。

1.2 液体流量控制在微流体系统中，影响形成液滴的体积大小的因素很多，例如：液体的流量、液体的粘度、微流道的形状等。目前，研究最多的就是液体的流量对于液滴体积大小的影响。在液滴形成的过程中，两种液体的流量比与形成的液滴体积以及液滴产生的频率直接相关，所以，如何调节液体的流量，对于液滴的大胸制十分重要。目前，液体的流量控制方法也很多，不过，在微流控系统中具有实际应用价值的主要有两种，-种是通过气动微阀来控制液滴的产生以及分离 ，另-种是通过压电驱动，直接控制微流控系统中流道的通断，实现液体流量的调节。气动微阀中的压力控制可以通过两个电磁开关阀来实现，由于电磁阀的响应频率较高，能够达到 100 Hz，所以，气动微阀充气和排气的频率也能达到 100 Hz，用它来控制液体的流量，液滴产生的频率也能达到 20 Hz以上 。

George M.Whitesides等人23 设计了两相液体流动的T型微流道，两种液体在流动过程中形成液滴。

选取不同的离散相液体与连续相液体流量之比，通过理论分析和试验验证，得到了产生液滴的三种状态，分别是：挤压状态、滴落状态和喷射状态，通过改变离散相液体与连续相液体的流量比，可以得到液滴形成的三种状态，进而控制形成液滴的体积大校YipingHong等人 通过试验测试得到了液滴直径 d与毛细管数c 之间的关系，在离散相液体与连续相液体的流量比Q /Q 恒定不变的条件下，得到了液滴的直径 d与毛细管数 C。之间的变化曲线。此外，影响液滴形成的因素还有液体粘度、液体与流道表面的接触角、流道形状等，在这里就不作详细介绍。

2 液滴合并液滴合并的形式主要有两种：被动式和主动式，两种形式具有各自的优点，在实际的液滴控制中都有较多的应用。

2.1 被动式被动式的液滴合并主要是通过设计液体流道的形状来实现的，采用特定的流道结构，调节液体的流量，可以控制液滴形成的速度和频率L2 。如果两种液滴产生的频率保持-致，这样，在两个流道的汇合处，可以实现液滴的合并。液滴合并的整个过程如图 2所示。在流道的汇合处，可以设计特定的节流口形状 ，给液体流动产生足够的阻力，让液体很难通过给节流口，于是，两种液体相遇后，由于流动受到较大的阻力，于是被强制挤压在-起，经过-段流道后，两种液滴的表面完全融合，合并成-个更大的液滴。

图2 被动式液滴合并的原理图2.2 主动式主动式的液滴合并主要是通过EWOD电润湿以及其他的电控方法来实现的 ]。在流道两侧平行的排列电极，通过给两侧电极施加直流或交流电压，可以控制电极的通断和液体流道中的电场分布[2 。这样，16 液压与气动 2013年第6期通过调整各个电极的通断顺序，能够给流道中的液滴施加作用力，引导液滴向某-个方向流动，实现两种液滴最后相遇与合并。此外，主动式的液滴合并也可以通过热源来实现，由于液体的粘度随温度的升高而降低，这样，通过给连续相的液体加热，使得连续相液体粘度下降，在通过节流口时受到的流动阻力减小，流量增大，这样，分布在连续相液体中的液滴，再通过节流口处，流动速度减慢，于是，相邻的液滴之间，就很容易碰撞而合并到-起↑年来，还出现了采用光学镊子来实现液滴合并的技术，以激光为工作介质，对液体局部加热，可以实现液体在流道中流动的开断，类似于-个微阀，能够对单个液滴进行位置控制，就像用镊子夹取-样，实现液滴的合并，不过该光学方法对液体的流动有较大的阻碍 。

3 液滴分离液滴分离的形式也主要有被动式和主动式，两种形式各有不同的应用诚。

3.1 被动式被动式的液滴分离主要是通过设计流道的形状来实现的。其中，可以设计多个分叉的T形流道，来逐级实现液滴分离 3 ，其分离过程如图3所示。由图3可以看出，微流道的支流流道宽度相同时，-个液滴能够分离成两个大小-致的子液滴，该液滴经过下-个流道分支时，又可以分离为两个大小-致的子液滴，于是经过多级流道分支后，液滴将不断变小，最后达到期望的体积大小，实现液滴分离过程的被动控制。目前，液滴分离的理论研究也表明：被动式的液滴分离中，改变连续相液体的流量，以及微流道的流动阻力，可以控制液滴分离的程度。

图3 被动式的液滴分离过程 勰川3.2 主动式主动式的液滴分离主要是在流道外面施加电尝磁尝温度场等物理场，对液滴产生作用力，实现液滴的强制分离。其中，应用最多的是采用 EWOD电润湿的方法实现液滴分离，在液滴表面形成-层导电膜，通过在流道两侧施加电场，在液滴两侧产生拉力作用，将液滴强制分离 。此外，也可以通过加热液体，使得液体粘度降低来实现液滴的分离，这种方式能够实现液滴的快速分离，不过需要消耗较多的能量，同时降低液体的粘度和表面强度，对于液体的性能有-定影响 。

4 液滴融合液滴融合的形式也主要有被动式和主动式，两种形式有各 自的优缺点↑年来，液滴融合技术在生物和化学反应研究中，发挥了重要作用。不过，如何在较短的时间内，快速实现液滴的融合，是 目前液滴融合技术中的关键问题。研究在微流道中液滴融合的基本原理 ，对于提高液滴融合的速度和效率具有重要意义。

4.1 被动式被动式的液滴融合也是通过采用特殊的流道结构来实现，液滴在微流道流动过程中，液滴与液滴能够充分的接触，最后实现两种液滴的完全融合 ]。通常，两种液滴在流道中相遇，表面与表面之间能够部分粘接在-起，但是，要想完全融合为-体实现两种液滴充分混合，仍然存在-定困难。通过设计弯曲的流道，使得液滴在流道的弯曲部分受挤压作用力，并且液滴受到的作用力方向在其流动的过程中有所变化[3 ，这样，经过-段流道后，就能实现液滴与液滴的完全融合。这种方式整个液滴的融合过程如图4所示。

图4 液滴在微流道中的融合过程示意图ta4]4.2 主动式主动式的液滴融合主要是通过电场力的作用来实现的，目前，应用最多的是采用 EWOD电润湿的方法实现液滴融合。液滴在流道中流动时，在流道的两侧施加电场，使液滴的表面形成-层导电薄膜，液滴受到2013年第6期 液压与气动 17电场力作用。通过在流道两侧排列电极，可以对单个液滴进行控制，于是 ，给电极施加-定的电压，通过改变各个电极的通电顺序，可以控制每个液滴的运动轨迹 ，并且，液滴的运动不受流道形状和液体流速的影响3引。例如，在流道两侧设定阵列电极，让相遇的两个液滴在电极与电极之间反复运动，液滴内部经过多次震荡、分离和混合后，能够实现完全融合，其融合的时间与电极的通电频率有关，可以准确控制。此外，在液滴融合中，不仅可以实现两种不同液体之间的融合，比如水和油 ，也可以实现水和空气、生物液体和空气之间的融合，能够得到特定组成成分的微小单元 。

在以上两种液滴融合技术中，如何能够在较短时间内，快速地实现液滴融合，还有待于进-步研究。液滴融合技术，目前在化学、生物和医学领域都有重要的应用，所以，围绕液滴开展的研究工作中，未来的主要研究方向应该倾向于液滴融合。

5 液滴微流控系统的应用基于液滴的微流控系统以及基于液滴开发的微流控芯片在化学反应、医疗药物的配置、医学成像、生物分子合成、微流控芯片诊断以及药物开发等领域得到了成功应用。

5.1 化学反应以液滴为单位，在液滴内部可以实现特定的化学反应。从蛋白质信息的表达、有机物合成到人体内部的生化反应，都可以通过基于液滴的微流控系统来间接的实现，这样，可以避免危险化学物质和化学反应对人体的伤害。在液滴微流控系统中，还可以同时进行多个化学反应 ]，由于微流道尺寸较小 ，流道中的流动换热散热损失小，所以，在微流道中，可以快速地实现化学反应，缩短反应时间。此外，设计特定的流道形状，可以在微流道的转角处形成漩涡，加快反应物的融合，提高反应效率。

在微流道中进行的化学反应通常都是单相流动3 ，不过，目前在实验室里已经开展多相流动研究，能够在微流道中实现单个的化学反应。基于液滴的微流体系统，可以通过控制液滴流动，实现特定的化学反应，比如甲酸滴定，抗凝血剂滴定、快速生化反应、微小颗粒合成等。在两相流问题中，Ahmed等人 针对微流道中的化学反应，在整个反应过程中，研究了两种液体之间的换热问题，并与单相流问题对比分析，得到了两相流的反应模型。图5所示，为微流道中的化学反应过程。首先，通过液体的流动，将两种液滴混合，形成内部包含氢氧化钠溶液的水滴，然后，单个分散的水滴在有机物作为连续相介质的微流道中流动，该有机物溶液中含有不可溶的化学物质硝基苯基，它与水滴相结合使得水滴内部具有-定颜色，这样，可以通过水滴内部的颜色变化来观察化学反应进行的过程。在反应中，水滴的大孝连续相介质有机物的流量以及外界环境的温度，对于反应的速度都有-定影响，不过，通过和传统的反应试验对比，发现在微流道中采用弯曲的流道结构，可以促进化学反应、提高反应效率。采用单相液体组成的微小单元，在单相液体内部，虽然可以实现微量试剂的快速反应，但是不能进行多相液体之间的混合。加J。而采用不同液滴与液滴的融合，可以两相或者更多相液体之间的快速融合，实现相应的化学反应，同时，在微流道中，通过设计流道形状，可 以提高液滴与液滴的融合速度，可以在较短的流道中完成化学反应，大大节省融合过程所需要的时间和空间 。

图5 微流道中的化学反应过程示意图此外，基于液滴的微流控系统在有机物的化学反应中，也有-定的应用l4 。比如在水中形成油液滴，或者在油液中形成水滴，最后两种液滴混合，形成乳化液，可以实现不同有机物在乳化液中的化学反应。不过，在微流道中使用有机溶剂，有机溶剂在流动过程中，会对微流道产生-定的腐蚀，引起流道变形，污染流道内部表面，甚至影响到邻近的流道，在流道与流道之间产生泄漏，因此，有机物的化学反应，在微流道中进行时，需要采取-些保护措施，防止微流道的表面形状以及流道的密封性受到破坏。

18 液压与气动 2013年第6期5.2 医疗药物的配置各种聚合物材料可以提高药物进入人体后的吸收率，在医疗药物的外形封装、药物合成以及药剂分配等方面得到了广泛应用。目前，基于液滴的微流控系统，可以通过批量化的方法产生多分散的聚合物微信粒，这些微信粒单个的体积能够小到纳升甚至更小，在医疗药物的配置中具有重要应用。同时，改进液滴的形成过程，可以提高微信粒体积的控制精度，使得单个微信粒具有更小的体积，能够应用于医学药物、工业染料以及生物工程中酶的合成 j。液滴能够在亲水和疏水的流道中形成，以液滴为微小单元 ，不同的液滴之间可以合成微信粒，通过设计特定的流道形状，可以实现液滴与液滴的快速融合 J，同时在微流道中随着液体-起流动，实现了微信粒的运输，最后到达指定的位置，完成生物、化学以及医学的检查等。

这样，在微流体系统中，以微信粒为单位，可以完成医疗药物的开发、药剂配置以及人工合成4 51 ，还可以在细胞分析研究中，以单个细胞为单位，将人工合成的微信粒和微嗅构融人细胞的内部，实现生物细胞的开发，为细胞的后续分析做准备 。在细胞开发过程中，可以对蛋白质等有机物进行荧光标记，通过试验来观察在细胞合成与开发过程中，蛋白质等有机物的化学反应与变化，同时，可以通过激光来跟踪细胞在微流道中的运动，并对细胞的运动进行控制。在医疗药物配置中，通过荧光标记，可以观察单个液滴颗粒的形成，以及液滴颗粒与周围液体之间的物质交换。通过试验发现，药物释放的速率和单个液滴的体积大小，以及液滴的尺寸分布有关 ，所以，通过控制液滴的体积大型尺寸分布，可以控制药物在液体中释放的速率。

在医疗药物的配置过程中，基于液滴的微流控系统，能够形成体积很小的颗粒单元，以这些微信粒为单元，可以完成医疗药物中，各种药物内部不同化学试剂成分的组合，根据需要配置特定物质组成与试剂比例的药物。同时，在药物配置过程中，微信粒的聚集程度以及纯洁度，对于药物的质量有重要影响，在微流道中，以液滴为单位的微信粒在微流道中流动，与微流道壁面没有直接接触，能够避免其它物质的污染，使得药 物 中各种 成分 的含 量更 精确，药 物质 量更高[4s]。

5.3 医学成像微流体装置中，气体在流体中流道可以产生微小气泡 。这些微小气泡可以用于医学检查的超声成像中，作为超声成像的对比试剂，进行人体的器官检查时，可以有效地判断受伤组织的位置，还可以对-些疾病提前预测 。通过提高声波的反射率，可以改进超声成像中二维、三维的成像质量，此外，微小气泡用于超声成像技术，它可以根据周围的组织不同，对于超声波产生不同的反射率，这样 ，可以提高成像的对比度。

同时，在超声成像中，添加对比试剂的大小不仅影响该试剂在流动过程中是否通畅，同时还影响它对于超声波的反射率。当气泡的大小为 2-5 um时，对于超声波具有最佳的反射率，同时，这个大小，对于气泡在人体肺部的毛细管中流动，也是十分通畅的。传统的产生气泡的方法是体积膨胀法，这种方法形成的气泡是多分散的，并且气泡的大小各不相同，很难控制。

而基于液滴的微流体系统，可以产生尺寸较小，并且尺寸保持-致的单分散气泡，可以较好地满足超声成像中对于对比试剂尺寸大小的要求 J。此外，气泡形成过程中，气体组成以及气泡薄膜的组成对于气泡在流动过程中的稳定性都有-定影响，采用分子量较大，即密度较大的气体，以及较坚硬的薄膜外壳形成的气泡，其稳定性较好，寿命较长。

5.4 生物分子合成生物学家在很早以前就提出通过人工制造细胞，来研究生物内部生命最本质的特征。人工制造细胞，可以根据需要配置各种成分，实现特定的生物反应，研究生命内部的活动。基于液滴的微流体系统可以实现细胞的人工合成，为生物医学的研究提供了很好的平台 。基于液滴的微流体系统不仅能够实现微小颗粒的合成，同时，还能够合成大的生物分子，如蛋白质、DNA等。此外，基于液滴的微流体系统能够形成大小-致的、单分散的微信粒，以每个微信粒为单元，包含与生物细胞相似的成分，能够用于人工制造细胞，同时，由于微信粒的直径可以达到微米级，所以，能够用于复制单个的 DNA，并进行封装。在液滴的微流控系统中，形成微信粒后，可以通过设计特定的流道形状来控制微信粒在流道中运动，这样，微信粒可以作为蛋白质在体外表达的微小单元、DNA放大器以及其他生物化学反应单元，实现特定的化学反应和生物分析。目前，在生物医学中，尽管已经实现活细胞内部的生物分子合成，但是基于液滴的微流控系统，可以在单个液滴内部控制特定的反应，或者实现不同反2013年第6期 液压与气动 21滴单元，进行细胞生物特性的测试。同时，在微流道中，还可以将-个细胞分成两个甚至更多的细胞，这样，可以在较短时间内实现细胞培养，达到药物测试所需要的细胞数量。所以，在微流控芯片中，以液滴为单元来进行细胞的培养工作，能够在较短时间内得到较多的细胞数量，用于药物的开发中，实现细胞内部的结晶反应试验以及细胞的冻结试验等，根据细胞对药物的反应测试结果，筛选出最佳的药物样品。

运动学分析是药物中化合物成分分析的重要手段，通过运动分析，可以更好地了解酶和其他化学物质的活性。Hsieh等人 采用分子光学分析，得到了毫秒级的运动分辨率。基于液滴的微流控系统，可以获得较高的运动分析灵敏度，在分析中输入的微弱信号，经过成千上万个微小液滴反应单位的荧光聚集作用，被放大很多倍。Gong等人 基于液滴的微流控系统，在不同的工作温度下，研究物化成核现象的动力学特性随着温度的变化规律。Song等人 基于液滴的微流控系统，进行了核糖核酸酶的动力学特性测量，达到了毫秒级的运动分辨率。此外，在药物治疗中，不同的化合物之间如何搭配，以及化合物的整个溶解过程，也可以在基于液滴的微流控芯片中实现。

如何增强微流控芯片的各种接口与传统药物检测装置的兼容性，实现微流控系统的自动化，使得基于液滴的微流控系统具有更好的应用前景，能够适应多种药物的研制需要，是微流控芯片在药物开发中应用的关键。所以，基于液滴的微流控系统开发的微流控芯片，需要将芯片的输入和输出接口标准化，同时，还要增强微流控芯片结构的拈化设计，能够根据不同药物的开发需要进行不同拈的组装，及时投入药物的试验测试，具有快速适应的能力。

6 结论液滴微流控系统是微流体领域重要的研究方向之-，能够实现液滴形成、液滴合并、液滴分离和液滴融合等。该系统可以进行样品成分分析与检测、医学药物开发、生物细胞的合成等多种试验，在化学、生物和医学领域都具有广阔的应用前景。基于液滴开发的微流体芯片，体积孝重量轻，可以模拟生物体内的各种化学反应，还能完成在生物体内不能开展的研究工作，为生物医学的研究搭建了-个很好的试验平台，与传统的生物医学试验相比，能够减少反应试剂用量，缩短反应时间，提高反应效率，降低试验成本。本文针对目前国内外在液滴领域的研究现状，主要从化学反应、医疗药物的配置、医学成像、生物分子合成、芯片诊断和药物开发等方面，对基于液滴的微流控系统在化学、生物和医学等领域的应用归纳总结，根据已取得的研究成果表明，基于液滴的微流控系统在多学科交叉研究中具有重要作用∩以预见，基于液滴的微流体系统将极大地促进化学、生物和医学等多学科的发展，是未来多学科交叉融合的重要组成部分。