作者:Hoon Suk Rho and Han Gardeniers 来源:Micromachines 发布时间:2021/4/2 18:05:13
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MDPI Micromachines | 微流控液滴存储阵列

论文标题:Microfluidic Droplet-Storage Array(微流控液滴存储阵列)

期刊:micromachines

作者:Hoon Suk Rho and Han Gardeniers

发表时间:30 May 2020

DOI:10.3390/mi11060608

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期刊链接:https://www.mdpi.com/journal/micromachines

原文链接:https://www.mdpi.com/2072-666X/11/6/608

基于液滴的微流体系统在高通量化学和生物筛选的相关研究中具有重要的应用价值,其主要功能是形成包含多种组分和浓度的液滴,以满足不同的反应需求。为了改变一系列液滴中试剂的组合和浓度,学者将微流体混合器与液滴发生器集成在一起。最近,已开发出高度集成的基于液滴的微流控阵列,用于在单个平台上进行组合筛选。尤其是,静态液滴阵列使得液滴的生成和存储可控,并且在相对简单的设备几何结构中对固定液滴进行多种化学剂量处理,是常规高通量筛选的一种有潜力且廉价的替代方法。但是由于反应是基于具有预定体积的固定液滴,难以在反应过程中对液滴进行浓度和成分的灵活调整,并且系统中液滴的存储位置固定,无法根据液滴种类进行分区存储。

近期,来自荷兰特温特大学的Han Gardeniers教授及其团队在期刊Micromachines上发表了一篇题为“Microfluidic Droplet-Storage Array”的文章,文中展示了一种能够连续操作液滴的形成、存储、重新定位、回收、注入和还原的微流体液滴存储阵列。该阵列在液滴处理上有极大的自由度和灵活性,可被用于执行复杂的化学生物反应,特别是在需要保温和定量步骤的情况下。

实验设计

1) 芯片设计

微流体液滴存储阵列包括4个液滴发生器和48个液滴存储单元。图1B展示了用于切换载液流向的入口和出口连接的设计。在设备的两侧,分别放置了两组入口和出口,通道连接由阀门控制,阀门设计在通道的交界处。当主油流通道连接至液滴发生器附近的入口 (参见#1) 和孵育室之后的出口 (参见#1) 时,载液从液滴发生器流向孵育室 (向前)。通过将液滴生成器之前的出口 (参见输出2) 和腔室阵列之后的入口 (参见输入2) 连接起来,将油的流动方向反转为反向流体流动。通过油流方向的切换,可以灵活地将液滴寻址到存储单元中,并可以多次将液滴注入目标液滴中。

图1.微流体液滴存储阵列的设计和操作。

2) 芯片制造

微流体装置是通过多层软光刻技术制造的,本文根据先前的研究遵循了改进的制造方案。PDMS微流控芯片由顶部流体层和底部控制层组成,流体流动通道和控制通道的高度分别为38±2μm和18±2μm。

实验结果与讨论

1) 液滴的形成

图2B显示了在恒定的流体流动条件下 (Pwater / Poil = 1),液滴分配的时间范围从48 ms到333 ms不等。随着分配时间和形成的液滴尺寸线性增加,在各种流体流动条件下,分配时间与液滴体积之间的关系如图2C所示 (n = 20)。

图2. 气动微流体阀产生water-in-oil (w/o) 液滴

2) 液滴的寻址

如图3,以九组的三个水滴为例,这些水滴由三种不同颜色的染料溶液 (蓝色、红色和黄色) 形成九个存储单元。每个存储单元都包含一组阀,用于绕过液滴并将液滴收集到该单元中,液滴的移动路径由阀门致动来确定。通过切换两组入口和出口的连接来控制载流体的流动方向。例如,当液滴发生器附近的载液进口和腔室阵列后面的油相出口连接时,液滴向前移动。相反,在腔室后面的油进口和液滴发生器附近的油出口连接时,液滴向后移动。在存储单元中重新放置液滴的演示显示了该设备收集阵列中液滴的能力以及设置基于液滴的反应器顺序的自由度。

图3.存储单元阵列中的液滴寻址。

3) 液滴成分的调整

在大多数化学和生物学实验中,样品的稀释和混合是制备、处理和分析反应的基本操作。在基于液滴的反应器中,合并液滴是最有用和最实用的操作之一,可以改变用于执行复杂反应的试剂的组成和浓度。如图4,在形成蓝色液滴之后,通过将载流体的流动方向向后改变,液滴流回到液滴产生器。然后,再次将油的流动方向切换为正向,并且将红色液滴分配到蓝色液滴中。重复相同的过程,以将红色液滴顺序注入到蓝色液滴中。图4B显示了通过将Mill-Q水滴注入包含1-g / L RITC-葡聚糖的预制液滴中来对RITC-葡聚糖进行系列稀释的情况。水流与油流的施加压力比和分配时间分别为1 ms和111 ms。通过重复Milli-Q液滴注射,RITC-葡聚糖液滴的体积线性增加236±4 pL (图4B(1))。图4B(2) 显示了在连续稀释中RITC-葡聚糖小滴的计算浓度与测得的荧光强度之间的关系。通过连续注入Milli-Q水滴,随着液滴体积的增加,液滴中的RITC-葡聚糖荧光强度线性降低。

图4.将液滴连续注入液滴生成器中的目标液滴中。

该研究建立了微流控液滴培养室阵列,实现液滴成分、液滴存储位置的可编程设计。所有液滴处理过程均通过自动微流阀控制执行。在各种阀门操作条件和加载溶液施加的压力下,可实现液滴尺寸的精确控制。此外,通过多路集成的微型阀和前后流动方向控制,展示了灵活的液滴寻址和在已形成液滴上的多次加液的能力。该微流控液滴培养室阵列可以用于以极少的样品消耗进行复杂的化学和生物反应,成为高通量化学和生物筛选领域极具吸引力的工具。

Micromachines (ISSN 2072-666X, IF 2.523) 是MDPI 组织出版的国际型开放获取期刊。期刊研究内容涉及微/纳米结构、材料、器件、系统及与微纳技术相关的基础研究及应用。目前期刊已被SCIE (Web of Science), Ei Compendex,Scopus等数据库收录。Micromachines采取单盲同行评审,一审周期约为12.6天,文章从接收到发表仅需1.9天。

 
 
 
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