用于微液滴的连续流动洗涤微流控系统

液滴微流体基于一个由几个已建立的单元操作组成的工具箱，包括液滴生成、培养、混合、微微注射和分选。在过去的二十年里，将这些多单元操作整合到工作流程中的液滴微流体系统的开发，在从单细胞转录组分析到材料优化等领域展示了独特的能力。液滴微流体中一个非常不发达的单元操作是洗涤，即液滴中的流体与不同流体的交换。在这里，我们演示了我们所说的“微型清洗机”，这是一种能够同时向流中的液滴添加流体和从液滴中去除流体的单元操作，同时只需要在微流控芯片上占用很小的空间。我们描述了该技术稳定运行所需的制造策略、器件架构和工艺参数，该技术能够以kHz液滴吞吐量运行。此外，我们提供了一个图像处理工作流程，以微秒和微米分辨率表征洗涤过程。最后，我们通过将其中两个单元操作与液滴发生器串联，展示了集成液滴工作流程的潜力，描述了将微型洗涤器集成到系统中时稳定运行的设计规则，并通过实验验证了该设计规则。我们预计，这项技术将有助于液滴微流体工具箱的持续发展，并实现基于液滴的新型多步生物和化学分析。
液滴微流体技术在过去二十年中发展迅速，现在对多个科学技术领域产生了重大影响，包括（1）单细胞和亚细胞水平的转录组学、蛋白质组学和基因组学分析，（2）超高灵敏度临床诊断，（3）细胞表型的高通量筛选，定向进化和材料优化，以及（4）用于制药、化妆品和能源应用的单分散微粒的高通量生产。这些成功的基础是在液滴中进行的检测与传统的毫升级实验室设备之间的几个根本区别。通过将流体样品分成毫升到皮升的液滴，液滴微流体将生物和化学反应减少到微米级，并能够创建许多可以并行控制或分析的不同反应容器。由于这些液滴的尺寸较小，随着扩散时间的缩短，以及液滴在微流体通道中移动时发生的液滴内循环流动，传质得到了增强，这是快速生物分子结合分析和生产单分散纳米颗粒的重要特征。当散装溶液被分配成比目标分析物的副本数量足够多的液滴时，每个液滴可能包含零个或一个目标。在这种“数字化”方案中，与批量分析相比，基于液滴的分析可以进行绝对定量，灵敏度和线性度提高1000倍，并分辨单个细胞、细胞器、细胞外囊泡和病毒颗粒，以及核酸和蛋白质的单个分子和。最后，通过在单个芯片上串联安排液滴单元操作，可以自动执行化学或生物协议，并减少由于手动流体转移造成的损失，从而降低试剂成本和实验时间。单元操作的发展，如液滴封装、合并、拆分和分拣，推动了集成液滴工作流程的发展，在这种工作流程中，多个单元操作可以串联，以自动化方式或并行方式产生所需的能力，以增加每单位时间处理的液滴数量。新型液滴单元操作可串联和并联操作，有可能解锁新的检测方法，同时在成功的基础上利用液滴微流体的优势。
液滴微流体中一个非常不发达的单元操作是洗涤，即在连续流动过程中通过液滴交换流体，例如去除化学物质或进行液滴内样品制备。尽管其他实验室规模的生物和化学过程已在微尺度上成功模拟，例如，液滴生成使将流体样品分成管或井的过程小型化，微微注射使将流体添加到现有的流体隔室的过程微型化，但事实证明，创建一种单元操作具有挑战性，该操作（1）使不需要的流体与新流体的直接交换小型化，并且（2）能够以其他液滴操作（如生成和检测）所证明的吞吐量运行。实现这种流体交换的一种一般方法是交替（i）通过微微注射向液滴中添加缓冲液或将该液滴与另一个液滴合并，以及（ii）每次液滴分裂时，主动或被动地分裂液滴并降低最初包含在液滴中的分子分布的浓度。或者，其他技术将液滴内容物从原始液滴转移到新的液滴中。虽然这些技术提高了洗涤效率和吞吐量的标准，但性能最好的设备能够在102倍的条件下进行102倍的稀释 Hz45，这些技术可能会受到占地面积大或需要同步多个液滴和流的影响。因此，以串联或并联的方式操作微流控芯片并非易事，也可能不可行，从而对提高洗涤性能和实现其他液滴操作中典型的>kHz基准施加了具有挑战性的限制。
为了应对这些挑战，我们开发了一种新的液滴洗涤方法，该方法能够以kHz的吞吐量同时添加和去除液滴中的流体，并且可以与其他单元操作（如液滴发生器和其他液滴洗涤器）牢固地结合在一起。我们将此单元操作称为“微型清洗机”，并演示了稳定性能所需的设备架构。克服以前未解决的挑战并开发微微洗涤器需要几个关键特征：（1）一种结合界面钉扎和通道亲水性空间图案化的制造策略，以稳定相邻不混溶相的共流，（2）一个电场来触发水-油-水界面的不稳定，并在通过的液滴和微微洗涤器之间形成流体连接，以及（3）加入在线流量电阻器，以允许串联排列的多个微微洗涤器均匀运行。此外，我们定义了决定洗涤性能的工艺和几何参数，创建了一个图像处理工作流程，以微秒级和微米级分辨率（在补充信息中提供）表征洗涤过程，并强调了在单个芯片上串联操作多个微微洗涤机所需的工程设计规则。通过表征这种急需的单元操作并将其添加到液滴微流体工具箱中，我们预计该设备将为未来开发集成的多步液滴工作流程奠定基础。

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审核编辑 黄宇