液滴微流體基于一個(gè)由幾個(gè)已建立的單元操作組成的工具箱，包括液滴生成、培養(yǎng)、混合、微微注射和分選。在過(guò)去的二十年里，將這些多單元操作整合到工作流程中的液滴微流體系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，在從單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析到材料優(yōu)化等領(lǐng)域展示了獨(dú)特的能力。液滴微流體中一個(gè)非常不發(fā)達(dá)的單元操作是洗滌，即液滴中的流體與不同流體的交換。在這里，我們演示了我們所說(shuō)的“微型清洗機(jī)”，這是一種能夠同時(shí)向流中的液滴添加流體和從液滴中去除流體的單元操作，同時(shí)只需要在微流控芯片上占用很小的空間。我們描述了該技術(shù)穩(wěn)定運(yùn)行所需的制造策略、器件架構(gòu)和工藝參數(shù)，該技術(shù)能夠以kHz液滴吞吐量運(yùn)行。此外，我們提供了一個(gè)圖像處理工作流程，以微秒和微米分辨率表征洗滌過(guò)程。最后，我們通過(guò)將其中兩個(gè)單元操作與液滴發(fā)生器串聯(lián)，展示了集成液滴工作流程的潛力，描述了將微型洗滌器集成到系統(tǒng)中時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)計(jì)規(guī)則，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)規(guī)則。我們預(yù)計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)將有助于液滴微流體工具箱的持續(xù)發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)基于液滴的新型多步生物和化學(xué)分析。
液滴微流體技術(shù)在過(guò)去二十年中發(fā)展迅速，現(xiàn)在對(duì)多個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，包括（1）單細(xì)胞和亞細(xì)胞水平的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)分析，（2）超高靈敏度臨床診斷，（3）細(xì)胞表型的高通量篩選，定向進(jìn)化和材料優(yōu)化，以及（4）用于制藥、化妝品和能源應(yīng)用的單分散微粒的高通量生產(chǎn)。這些成功的基礎(chǔ)是在液滴中進(jìn)行的檢測(cè)與傳統(tǒng)的毫升級(jí)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備之間的幾個(gè)根本區(qū)別。通過(guò)將流體樣品分成毫升到皮升的液滴，液滴微流體將生物和化學(xué)反應(yīng)減少到微米級(jí)，并能夠創(chuàng)建許多可以并行控制或分析的不同反應(yīng)容器。由于這些液滴的尺寸較小，隨著擴(kuò)散時(shí)間的縮短，以及液滴在微流體通道中移動(dòng)時(shí)發(fā)生的液滴內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，傳質(zhì)得到了增強(qiáng)，這是快速生物分子結(jié)合分析和生產(chǎn)單分散納米顆粒的重要特征。當(dāng)散裝溶液被分配成比目標(biāo)分析物的副本數(shù)量足夠多的液滴時(shí)，每個(gè)液滴可能包含零個(gè)或一個(gè)目標(biāo)。在這種“數(shù)字化”方案中，與批量分析相比，基于液滴的分析可以進(jìn)行絕對(duì)定量，靈敏度和線(xiàn)性度提高1000倍，并分辨單個(gè)細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞外囊泡和病毒顆粒，以及核酸和蛋白質(zhì)的單個(gè)分子和。最后，通過(guò)在單個(gè)芯片上串聯(lián)安排液滴單元操作，可以自動(dòng)執(zhí)行化學(xué)或生物協(xié)議，并減少由于手動(dòng)流體轉(zhuǎn)移造成的損失，從而降低試劑成本和實(shí)驗(yàn)時(shí)間。單元操作的發(fā)展，如液滴封裝、合并、拆分和分揀，推動(dòng)了集成液滴工作流程的發(fā)展，在這種工作流程中，多個(gè)單元操作可以串聯(lián)，以自動(dòng)化方式或并行方式產(chǎn)生所需的能力，以增加每單位時(shí)間處理的液滴數(shù)量。新型液滴單元操作可串聯(lián)和并聯(lián)操作，有可能解鎖新的檢測(cè)方法，同時(shí)在成功的基礎(chǔ)上利用液滴微流體的優(yōu)勢(shì)。
液滴微流體中一個(gè)非常不發(fā)達(dá)的單元操作是洗滌，即在連續(xù)流動(dòng)過(guò)程中通過(guò)液滴交換流體，例如去除化學(xué)物質(zhì)或進(jìn)行液滴內(nèi)樣品制備。盡管其他實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生物和化學(xué)過(guò)程已在微尺度上成功模擬，例如，液滴生成使將流體樣品分成管或井的過(guò)程小型化，微微注射使將流體添加到現(xiàn)有的流體隔室的過(guò)程微型化，但事實(shí)證明，創(chuàng)建一種單元操作具有挑戰(zhàn)性，該操作（1）使不需要的流體與新流體的直接交換小型化，并且（2）能夠以其他液滴操作（如生成和檢測(cè)）所證明的吞吐量運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)這種流體交換的一種一般方法是交替（i）通過(guò)微微注射向液滴中添加緩沖液或?qū)⒃撘旱闻c另一個(gè)液滴合并，以及（ii）每次液滴分裂時(shí)，主動(dòng)或被動(dòng)地分裂液滴并降低最初包含在液滴中的分子分布的濃度?；蛘撸渌夹g(shù)將液滴內(nèi)容物從原始液滴轉(zhuǎn)移到新的液滴中。雖然這些技術(shù)提高了洗滌效率和吞吐量的標(biāo)準(zhǔn)，但性能最好的設(shè)備能夠在102倍的條件下進(jìn)行102倍的稀釋?Hz45，這些技術(shù)可能會(huì)受到占地面積大或需要同步多個(gè)液滴和流的影響。因此，以串聯(lián)或并聯(lián)的方式操作微流控芯片并非易事，也可能不可行，從而對(duì)提高洗滌性能和實(shí)現(xiàn)其他液滴操作中典型的>kHz基準(zhǔn)施加了具有挑戰(zhàn)性的限制。
為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們開(kāi)發(fā)了一種新的液滴洗滌方法，該方法能夠以kHz的吞吐量同時(shí)添加和去除液滴中的流體，并且可以與其他單元操作（如液滴發(fā)生器和其他液滴洗滌器）牢固地結(jié)合在一起。我們將此單元操作稱(chēng)為“微型清洗機(jī)”，并演示了穩(wěn)定性能所需的設(shè)備架構(gòu)?？朔郧拔唇鉀Q的挑戰(zhàn)并開(kāi)發(fā)微微洗滌器需要幾個(gè)關(guān)鍵特征：（1）一種結(jié)合界面釘扎和通道親水性空間圖案化的制造策略，以穩(wěn)定相鄰不混溶相的共流，（2）一個(gè)電場(chǎng)來(lái)觸發(fā)水-油-水界面的不穩(wěn)定，并在通過(guò)的液滴和微微洗滌器之間形成流體連接，以及（3）加入在線(xiàn)流量電阻器，以允許串聯(lián)排列的多個(gè)微微洗滌器均勻運(yùn)行。此外，我們定義了決定洗滌性能的工藝和幾何參數(shù)，創(chuàng)建了一個(gè)圖像處理工作流程，以微秒級(jí)和微米級(jí)分辨率（在補(bǔ)充信息中提供）表征洗滌過(guò)程，并強(qiáng)調(diào)了在單個(gè)芯片上串聯(lián)操作多個(gè)微微洗滌機(jī)所需的工程設(shè)計(jì)規(guī)則。通過(guò)表征這種急需的單元操作并將其添加到液滴微流體工具箱中，我們預(yù)計(jì)該設(shè)備將為未來(lái)開(kāi)發(fā)集成的多步液滴工作流程奠定基礎(chǔ)。

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審核編輯 黃宇