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液滴微流控的3个特殊应用:PDMS双乳化液滴微球、FACS/FDCS荧光激活细胞液滴分选和Picoinjection液滴微注射

在液滴微流控领域,比较常见的是各种油包水或水包油类型的乳液滴产生,其次是细胞包裹和单细胞分析与测序。微流控乳液滴除了这些应用外,还有三个比较特殊的应用方向:PDMS双乳液滴产生,Picoinjection微注射和FACS荧光激活细胞筛选。

PDMS双乳化液滴芯片

对于双乳液滴的产生,除了采用同轴玻璃毛细管外,还可以采用PDMS芯片。这里介绍一种简单且高度可靠的制备 PDMS 微流体双乳液滴的方法,芯片采用单步氧化等离子体处理来形成微通道的润湿性并粘合芯片。随后使用环氧树脂胶来定义所需的疏水区域,然后在等离子处理后但在粘合之前将其移除。其次,器件加工完成后,立即用水填充准备好的器件以此来极大地延长了芯片的使用寿命。PDMS双乳液滴芯片还可以很容易地扩展到生产具有更复杂的亲水和疏水模式的微流控芯片中。

常规的双乳液滴芯片用玻璃毛细管加工,受限于玻璃管锥型部位的加工难度,当小于20或30微米时,会有很大的困难。

PDMS双乳液滴芯片具有极大的优势,因为PDMS芯片可以加工到10μm,20μm,30μm等,甚至可以加工到100μm。下图展示了一个能够产生20微米双乳液滴PDMS芯片的结构图。当然,也可以选择其他不同的结构形式,并没有严格的限制和国际标准。


FACS和FDCS:荧光激活细胞分选和荧光激活液滴分选

FACS常用于细胞包裹液滴的分选,采用高灵敏度的荧光检测方法,将所需要的液滴或者细胞挑选出来。基于FACS的实验装置,通过改变荧光检测方法,可以演化出来其他分选技术比如电阻抗分选、吸光度分选、荧光寿命分选等。通过改变电极致动力,也可以演化出来其他形式,比如声表面波分选、激光致动分选、超声波致动分选、太赫兹波致动分选等。同时改变检测方式和致动方式,还可以演化出来更多的细胞和液滴分选方法。

这里以常见的荧光激活液滴分选为例,简单的介绍一下工作原理。

下图是一个基于PDMS芯片的FACS芯片结构图,黑色连接正电极,红色连接负电极。把乳液滴小球从内部端口通入,HFE7500在外部端口通入,用于分割液滴,形成间距几乎相等乳液滴小球序列。当乳液滴小球依序经过荧光检测区域时,电脑端的软件上会显示不同细胞液滴的荧光脉冲峰,当所需要的液滴或者细胞经过荧光检测区域时,软件上所设置的阈值信号限就会立即输出一个触发信号给信号放大器,信号放大器随后输出一个方波电压,该方波电压经过电压放大器后,施加到PDMS芯片上的致动电极上,当液滴小球经过致动电极区域时,由致动电极产生的电场力瞬间驱动液滴小球,从而把所需要的液滴小球分选出来。

挑选何种类型的液滴取决于探测的荧光信号的阈值限。该阈值限可以设置多个,分别对应于不同的致动电极。


Picoinjection液滴微注射

液滴微流控领域,除了前面的FACS液滴荧光分选,双乳液滴应用外,还有一类是液滴微注射(picoinjection)。液滴微注射可以把所需要的试剂注入到细胞包裹液滴中,实现所需要的物理化学反应过程。

Picoinjection通常是在同一个芯片上,产生油包水液滴或者细胞包封,然后根据检测信号的阈值,选择性的定量的向液滴内注入所需要的试剂或其他物质,随后,完成液滴内的生物化学反应过程。液滴的作用可以当做是一个容器或反应强势,液滴内部的物质进行物理化学反应,每个液滴内的物理化学反应互不影响。Picoinjection关键的地方是准确的检测和响应快速的注入能力。


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