液滴微流體基于一個由幾個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)的開發(fā)，在從單細胞轉(zhuǎn)錄組分析到材料優(yōu)化等領(lǐng)域展示了獨特的能力。液滴微流體中一個非常不發(fā)達的單元操作是洗滌，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的“微型清洗機”，這是一種能夠同時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液滴吞吐量運行。此外，我們提供了一個圖像處理工作流程，以微秒和微米分辨率表征洗滌過程。最后，我們通過將其中兩個單元操作與液滴發(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)中時穩(wěn)定運行的設(shè)計規(guī)則，并通過實驗驗證了該設(shè)計規(guī)則。我們預(yù)計，這項技術(shù)將有助于液滴微流體工具箱的持續(xù)發(fā)展，并實現(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)在過去二十年中發(fā)展迅速，現(xiàn)在對多個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，包括（1）單細胞和亞細胞水平的轉(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）細胞表型的高通量篩選，定向進化和材料優(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)是在液滴中進行的檢測與傳統(tǒng)的毫升級實驗室設(shè)備之間的幾個根本區(qū)別。通過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，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，隨著擴散時間的縮短，以及液滴在微流體通道中移動時發(fā)生的液滴內(nèi)循環(huán)流動，傳質(zhì)得到了增強，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。當散裝溶液被分配成比目標分析物的副本數(shù)量足夠多的液滴時，每個液滴可能包含零個或一個目標。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行絕對定量，靈敏度和線性度提高1000倍，并分辨單個細胞、細胞器、細胞外囊泡和病毒顆粒，以及核酸和蛋白質(zhì)的單個分子和。最后，通過在單個芯片上串聯(lián)安排液滴單元操作，可以自動執(zhí)行化學(xué)或生物協(xié)議，并減少由于手動流體轉(zhuǎn)移造成的損失，從而降低試劑成本和實驗時間。單元操作的發(fā)展，如液滴封裝、合并、拆分和分揀，推動了集成液滴工作流程的發(fā)展，在這種工作流程中，多個單元操作可以串聯(lián)，以自動化方式或并行方式產(chǎn)生所需的能力，以增加每單位時間處理的液滴數(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方法，同時在成功的基礎(chǔ)上利用液滴微流體的優(yōu)勢。
液滴微流體中一個非常不發(fā)達的單元操作是洗滌，即在連續(xù)流動過程中通過液滴交換流體，例如去除化學(xué)物質(zhì)或進行液滴內(nèi)樣品制備。盡管其他實驗室規(guī)模的生物和化學(xué)過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)有的流體隔室的過程微型化，但事實證明，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）所證明的吞吐量運行。實現(xiàn)這種流體交換的一種一般方法是交替（i）通過微微注射向液滴中添加緩沖液或?qū)⒃撘旱闻c另一個液滴合并，以及（ii）每次液滴分裂時，主動或被動地分裂液滴并降低最初包含在液滴中的分子分布的濃度。或者，其他技術(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準，但性能最好的設(shè)備能夠在102倍的條件下進行102倍的稀釋?Hz45，這些技術(shù)可能會受到占地面積大或需要同步多個液滴和流的影響。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，從而對提高洗滌性能和實現(xiàn)其他液滴操作中典型的>kHz基準施加了具有挑戰(zhàn)性的限制。
為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，我們開發(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為“微型清洗機”，并演示了穩(wěn)定性能所需的設(shè)備架構(gòu)。克服以前未解決的挑戰(zhàn)并開發(fā)微微洗滌器需要幾個關(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）一個電場來觸發(fā)水-油-水界面的不穩(wěn)定，并在通過的液滴和微微洗滌器之間形成流體連接，以及（3）加入在線流量電阻器，以允許串聯(lián)排列的多個微微洗滌器均勻運行。此外，我們定義了決定洗滌性能的工藝和幾何參數(shù)，創(chuàng)建了一個圖像處理工作流程，以微秒級和微米級分辨率（在補充信息中提供）表征洗滌過程，并強調(diào)了在單個芯片上串聯(lián)操作多個微微洗滌機所需的工程設(shè)計規(guī)則。通過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)計該設(shè)備將為未來開發(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