来源：微流控学习

前言

微流控液滴筛分技术被广泛应用于细胞封装、药物筛选、基因分析等领域。基于微通道的液滴筛分技术可分为主动筛分和被动筛分，本文选择分享的这篇综述文章，总结了近年来微通道内液滴筛分技术的研究进展，并对该领域未来的研究方向和需要解决的问题进行了展望。

利用微通道实现不同性质液滴的筛分方法主要有两类，分别为主动筛分法和被动筛分法。液滴的主动筛分方法是指使用外力（外场）操控液滴的流动路径，使不同性质的液滴从不同的支通道流入收集装置。不同于添加外置设备实现不同性质液滴的主动筛分，液滴的被动筛分是指利用液滴自身物理性质或微通道结构进行筛分，相较于主动筛分它具有微通道芯片组成结构简单、成本低、操作方便的优势，但相应的液滴筛分的精度和液滴处理通量通常低于主动筛分。近年来，文献已有很多关于在微通道中实现液滴有效筛分研究的报道，本文将基于微通道对液滴的主动筛分和被动筛分两类方法对相关研究进展进行综述[1]。

1. 微通道内液滴的主动筛分

图2：操纵带电液滴。A)无电场时，带电液滴交替进入左右通道(ES=0;比例尺:500 μm)。B)利用电场ES选择带电液滴在分岔处进入的通道的布局。C)在右侧施加电场时，液滴在分岔处进入右侧支路。D)当电场反向时，液滴进入左支路。分叉后，液滴之间的距离减小到之前的一半，这表明油流被均匀地分割。(D)的插图显示了电场中高电荷滴形状的变形[2]。

1.2 基于声场控制的主动筛分

基于声学控制的主动筛分技术具有良好的生物相容性，在细胞筛分中已经取得了巨大的研究进展，是一种非常有应用前景的筛分手段。声辐射力是在外加声场条件下作用在微粒/液滴上的一种力，在声辐射力的作用下液滴的运动路径会发生偏转。

用于实现液滴筛分的声波主要分为两种：表面声波(Surface Acoustic Wave, SAW)和体声波(Bulk Acoustic Wave, BAW)，两种声波均是通过在液滴上诱发声学响应来实现液滴筛分的[3]。

图3 ：(a) 表面声波诱导辐射力分离微液滴的微流控芯片结构图；(b) (b1)声阻抗、(b2)声功率、(b3)液滴流速变化时液滴在声场中的运动轨迹[3]

作者Mushtaq等[3]，提出了一种基于化学成分的声流体方法，利用超声表面声波（SAW）诱导的声辐射力（ARF）进行片上、无标记、无检测的液滴分离。通过利用ARF作用于不同化学成分的液滴，从而产生不同的声阻抗值，可以以确定性的方式将微尺度的油包水液滴转移到不同的出口中，以实现高通量液滴分离。如图3，该实验采用了两种水性分散相，氟碳油作为连续相。在双T型口处连续相的作用下，交替生成两种水性液滴。通过改变液滴的声阻抗、施加在换能器上的声功率以及液滴流动速度，实现了处于连续相中不同成分的液滴进行无标记、无检测、较高通量的连续分离[3]。

1.3 基于磁场的主动筛分

基于磁场的主动筛分也是一种有效的液滴筛分方法，在许多研究中都有应用。磁场控制的主要优点是对设备要求低、容易制造且对样本无直接接触、污染小。根据产生磁场所用磁铁不同可将磁场筛分分为两种：电磁铁和永磁铁[1]。

图4：带有多侧向出口的微通道（基于磁场）[4]

Jitae等[4]设计了带有3个侧向出口和1个主出口的微通道芯片，该系统相较于传统微通道芯片仅仅是多加了一块永磁铁，如图4所示。通过聚焦结构生成了带有Fe3O4纳米颗粒的油酸液滴，通过控制磁铁与微通道间的距离，可以控制液滴进入所需的支通道中。为评估筛分设备的筛选性能，制备了3种尺寸的微液滴，分别是102.1μm，87.5μm和63.1μm，发现改变磁铁距离控制液滴进入所需的支通道是一个可行的方法，对于3种尺寸的液滴筛选精度都能维持到90%以上[4]。

1.4 基于气动控制的主动筛分

基于气动的液滴筛分是最早开发的液滴筛选技术之一。它利用气压使有弹性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜变形，通过通道内流体压力的改变来实现液滴的筛分。其中，通道中的流体阻力是通过使用外部压力或驱动微型阀来调节的。由于PDMS膜的机械形变程度决定了筛分功能的强弱，因而实验所用的PDMS薄膜的弹性至关重要[1]。

图5：集成了微通道、流体聚焦区、对微型切割器和用于液滴形成和分选的微动开关的微流控芯片示意图[5]

Lai等[5:]开发了一种基于气动控制的用于生成和筛选不同直径液滴的装置，结构如图5所示，其整套装置包括了液滴生成和液滴筛分，工作原理大致如下：在微通道的中心流道注入分散相，在两侧的鞘状流道注入连续相，两相在聚焦区会合后位于中间的分散相被两侧的连续相挤压成一条窄流，对微型切割器（micro-chopper）的气室充气促进PDMS膜垂直偏转将流经此处的分散相切割成为液滴，液滴的直径既可以通过调节两相流量比控制也可以通过切割频率控制。最后经过微型开关，亦即一种由空气压力控制的筛分系统来完成对不同直径液滴的筛选。该开关由三个微型阀组成，在使用时，对某个微型阀上方的气室充气，就可压缩PDMS膜发生偏转以阻止液滴进入与该微型阀连接的支通道，从而达到筛分的目的。通过将液滴生成部分与液滴筛分部分耦合，就能将不同直径的液滴收集进入不同的收集装置中。他们利用本装置制备了水包油（水包橄榄油）乳液和油包水（橄榄油包海藻酸钠水溶液）乳液，收集室中液滴直径的变化幅度接近14%。相较于其它主动筛分方式，该法的筛选准确性较差。 

2. 微通道内液滴的被动筛分

液滴被动筛分是利用液滴本身的性质或者微通道的结构来进行筛分。相比于主动筛分，被动筛分不需电场、声场、磁场等外部能源诱导，可在节省能源的同时达到优异的筛分效果。微通道筛分易于实现并行放大，有利于进行大通量筛分[1]。

2.1 基于动力学方法筛分

动力学筛分法不依赖特殊的通道结构，主要通过流体动力学和液滴的性质对液滴进行筛分。如惯性聚焦、粘弹性聚焦、迁移筛分等。

1）惯性聚焦：利用惯性聚焦进行筛分最早应用于颗粒，具体来说，不同大小的颗粒在惯性升力作用下具有不同的横向平衡位置。对于液滴来说，利用惯性聚焦对液滴进行筛分还需要考察粘度、液滴变形的影响。粘度降低，液滴的平衡位置靠近通道中心且稳定状态时的形变更大[1]。

2）液滴迁移：液滴迁移是由于非惯性升力和界面张力之间的相互作用引起的，液滴大小、粘度等会对迁移产生影响。

2.2 基于微通道结构筛分

1）确定性横向位移：确定性横向位移（Deterministic Lateral Displacement, DLD)是一种连续分离颗粒或者液滴的方法。其基本原理为大小不同的颗粒在障碍物阵列周围会沿着不同的层流分叉进行运动，从而实现分离。标准的DLD阵列是由包含规则排列的微柱状障碍物的平坦微流体通道组成的，如图6所示[6]。存在一个临界直径，小于临界尺寸的液滴不会与柱子发生碰撞，呈“之字流动”，而大于临界尺寸的液滴会因为碰撞，以阵列倾角α = tan-1 ( ε ) = tan-1 ( ∆λ / λ )流动，二者逐渐分离。

图6：典型确定性横向位移 （DLD） 几何形状的顶视图。

2）挤压流分离：挤压流分离(Pinch flow fractionation, PFF)是一种利用流体动力学对液滴进行筛分的方法，由Yamada等[7]提出并用于粒子的筛分。通道结构的核心是压缩段和加宽段两部分。如图7所示，在压缩段，颗粒被挤压聚集在通道一侧，进入加宽段后，大小不同的颗粒在扩散流剖面由于受到不同方向力的作用从而沿不同的流线流动[7]。入口流量比、流速、压缩段的宽度和长度、压缩段与加宽段之间的边界角等都会对分离性能产生一定的影响。

图7：挤压流分离原理（a）在压缩段，通过控制两个入口的流量使粒子排列在一个侧壁；（b）在压缩段和加宽段的边界处通过扩展的流动剖面将粒子按大小分开[7]。

3）沟槽：用沟槽类微通道进行液滴筛分的原理是：沟槽的引导力随液滴尺寸不同而不同，小液滴受凹槽影响更大。液滴倾向于沿着能使自己表面自由能减少的沟槽流动。平行沟槽的宽度以及沟槽之间的距离对筛分性能均有一定的影响。沟槽的宽度、沟槽之间距离越大，导向力越强，越容易发生偏移[1]。

4）不对称分岔口：利用不对称条件如分支几何(长度、截面)、液滴阻力和压力也可实现液滴筛分。非对称回路中的液滴筛分取决于各分支通道内的流体力学阻力[1]。

3. 总结

本次分享的这篇综述文章，详细的介绍了近年来基于微流控技术实现液滴筛分的研究进展。根据是否通过外力作用筛分液滴，筛分方法可分为主动筛分和被动筛分。液滴的主动筛分和被动筛分都存在一定的局限性，但二者却可以优势互补。未来，微通道内的液滴筛分技术应当向着主动、被动方法结合的方向发展，力求在对物系的影响尽可能小的同时，实现较高准确性和较高通量的液滴筛分目标。微流控技术始终面临产量低的问题，因此可将微流控技术的放大例如并行放大、串联放大以及特征尺度放大等与液滴筛分技术相结合，以解决低产量的问题。此外，微通道因其较小的特征尺度，在进行微粒子筛分、封装时也面临着堵塞的风险，还有待解决。最后，智能化的液滴筛分技术也是未来的重要研究方向之一[1]。

参考

[1]陈昊,赵文琪,冯浩宇,等.微通道内液滴筛分的研究进展[J/OL].化工学报:1-24[2024-07-07].https://z.library.sh.cn:443/http/80/net/cnki/kns/yitlink/kcms/detail/11.1946.TQ.20240620.1416.002.html.

[7]Yamada M, Nakashima M, Seki M. Pinched flow fractionation: continuous size separation of particles utilizing a laminar flow profile in a pinched microchannel[J]. Analytical Chemistry, 2004, 76(18): 5465-5471.

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