基于微流控系统的分子浓度梯度生成方法

MEMS · 公众号 · · 2017-06-30 06:21

正文

日前，北京工业大学机械工程与应用电子技术学院刘赵淼教授课题组在英国皇家化学学会期刊《RSC Advances》上发表最新综述成果——基于微流控系统的分子浓度梯度生成方法（Concentration gradient generation methods based on microfluidic systems）。该文章的主旨聚焦于微流控技术的重要应用——分子浓度梯度，归类总结了利用微流控系统生成分子浓度梯度的不同方法。总体上，根据浓度生成通道中有无流动液体的剪切作用将生成方法分成两种，每一种方法又可以依照多种不同原理或结构来实现，文中针对每种方法的结构特点、浓度形成机理、理论计算公式、适用范围以及优缺点等进行了详细阐述与比较。

近年来，微流控技术已经在众多领域得到应用，其中很重要的一部分就是分子浓度梯度的生成，事实上，大部分涉及到活性、效率和毒性检测的生化反应都需要试剂的不同浓度梯度，包括细胞在培养液中的生长、迁移和应激抵抗，重金属毒性检测，粒子或纤维等材料制备，生物酶活性检测，蛋白质在线表达等。此外，通过精确复制生物体内液体的各种浓度变化曲线，可以在体外环境下模拟不同细胞的活动状况，有助于更加方便且深入地了解人体工作机制，以及探究炎症、伤口和癌症等病症下的药物传递效果和生物修复机理，这也是浓度梯度最重要的应用价值。传统宏观尺度的浓度生成方法难以达到细胞尺度的精度控制，试剂消耗量大，且无法按需生成不同变化规律的浓度梯度，已经不能满足现在生化检测等应用需求。微流控技术的精准流动控制正好可以解决这些问题，因此在分子浓度梯度生成方面发挥出越来越重要的作用。

论文主体部分沿着时间轴线逐一回顾了几种用于生成分子浓度梯度的微流控方法。最早被提出的是“圣诞树形”的流动结构（如图1所示），该方法生成效果稳定，使用范围广，但是生成中伴随的剪切作用会对一些生化检测产生干扰，同时该结构占用芯片的空间较大。一些研究对这些缺陷进行改进，通过在液体流动通道和浓度生成腔之间加入阻挡结构，极大地减弱了流动剪切产生的影响，而通过重新设计分流通道的交汇结构可以减少通道的分裂级数，芯片的占用面积得到减少。

图1 “圣诞树形”流动结构

“薄膜”结构（如图2所示）的加入可以完全阻隔流动液体的通过，只允许高低浓度液体中分子的扩散，从根本上去除了流动剪切作用的存在。这种结构要注意流动速度的控制以及源头液体的更换，否则，长期分子交换的积累会改变初始液体浓度，导致分子浓度梯度的变化。“压力平衡”结构包含液体流动部分和分子扩散部分，液体流动部分的压力调节平衡之后可以保证浓度生成腔中只存在分子扩散作用，而流动剪切作用只会停留在液体流动通道中，该方法集合流动通道的快速传递和浓度生成腔的无剪切作用两者优点，为未来微流控结构设计提供一种新的思路。

图2 “薄膜”结构

文中最后总结了近几年兴起的“液滴”两相流技术（如图3所示），也是之前文章中较少进行全面总结的研究内容。液滴两相界面的包裹特性天然屏蔽了外部流动液体的干扰，保证内部环境的相对独立，虽然内部流场的研究表明，离散相在液膜的作用下存在旋转涡，但是由此带来的剪切作用非常微弱，与前述的流动剪切作用不在一个数量级。同时液滴的离散体积也可以实现对反应结果的定量检测，这也是液滴两相流技术的显著优势。

图3 “液滴”两相流结构

得到的主要结论为，流动液体在通道中生成浓度梯度的速度较快，该方法适用于生成动态浓度梯度，但会伴随较大的剪切力；浓度梯度生成腔内无流动液体的生成方法可以避免剪切作用的影响，但是更适合静态浓度梯度的生成；利用液滴的多相流系统可以提供封闭的微环境，实现液滴内部较小的剪切作用，但是同时要求精确的液滴生成和控制技术。具体应用中针对不同培养或检测方面的需求来选取适用的浓度梯度生成方法，并将多种生成方式进行结合，以规避单一结构的缺陷，提高浓度梯度生成系统的精度和适用效果。

本文相关工作得到了国家自然科学基金的资助，论文第一作者为2015级博士生王翔，刘赵淼教授为论文的唯一通讯作者，课题组逄燕老师为论文的共同作者。刘赵淼教授课题组在液滴生成、液滴融合、粒子分选等方面已开展系列研究，相关成果发表在Lab on a Chip，Soft Matter，Microfluidics and Nanofluidics，RSC Advances，Experiments in Fluids等国际期刊，表明该课题组在国内外同行中影响力的逐步提升，以及北京工业大学流体力学学科的稳步发展。