摘要
基于液滴的微流体系统已被证明与许多化学和生物试剂兼容，并且能够执行各种可编程和可重新配置的操作。该平台具有尺寸缩放优势，可以控制液滴反应器中的流体快速混合，从而缩短反应时间。再加上液滴操作的精确生成和可重复性，使基于液滴的微流体系统成为生物医学研究和应用的有效高通量平台。除了用作从纳升到飞升 (10 -15升）范围；基于液滴的系统也已用于直接合成颗粒并封装许多生物实体，用于生物医学和生物技术应用。为此，在接下来的文章中，我们将重点介绍各种液滴操作，以及该系统的众多应用及其在许多先进科学领域的未来。由于基于液滴的系统的优势，该技术有可能为当今先进诊断和治疗的生物医学工程挑战提供解决方案。
一 、简介
处理数十微米尺寸通道中的流体，“微流体”已成为一个独特的新领域。微流体的潜在应用范围广泛，从化学合成和生物分析到光学和信息技术。自微流体技术问世以来，对微尺度流体流动装置的兴趣和开发一直在稳步增加。1,2微流体是一门多学科技术，它既不受限制，也不属于单个领域。这方面的线索来自其在药物输送、即时诊断芯片、有机合成3和微反应器中的应用。4-6典型的实验室操作可以在微流控系统中以极少的试剂体积在显着减少的时间内进行。试剂可以从毫升和微升显着减少到纳升和飞升，而反应时间可以缩短到几秒钟甚至更短。
微流体是处理或操纵少量（10 -9至10 -18升）流体的系统科学和技术，使用尺寸为数十至数百微米的通道。微流控的化学分析应用具有成本低、分析时间短、能够使用极少量的样品和试剂，并能够进行高分辨率和灵敏度的分离和检测，以及分析占用空间小等优点。设备。7微流体利用了其最明显的特性、小尺寸和微通道中流体的不太明显的特性，例如层流。它提供了在空间和时间上控制分子浓度的全新能力。作为一种技术，微流控技术提供了如此多的优势和如此少的劣势。但是，可以肯定的是，微流控技术将成为分析的主要主题，甚至可能成为分子合成的主题。微流控与其他新技术一样，需要时间和环境才能充分发展成为一项重大的新技术。
微流体的一个细分是基于液滴的微流体。8,9与连续流动系统不同，基于液滴的系统使用不混溶相来产生团块或离散体积。微流体系统的特点是低雷诺数流态，这表明所有流体流动基本上都是层流。基于连续流的系统利用这种现象创造了许多新颖的微环境。10例如，已经创建了一个简单的设备来通过局部温度控制研究果蝇胚胎发育。11层流行为还允许生成已用于细胞迁移研究的精确浓度梯度。12尽管连续流动装置对流动特性提供了良好的控制，但扩大规模是一个挑战，因为装置的尺寸几乎与平行实验的数量呈线性关系。
然而，液滴微流体能够在不增加设备尺寸或复杂性的情况下进行大量反应。此外，最近的发现表明液滴微流控系统可以执行简单的布尔逻辑功能，这是实现微流控计算机芯片的关键一步。13–15
基于液滴的微流体涉及微器件内离散液滴的生成和操作。16,17这种方法产生纳米到微米直径范围内的高度单分散的液滴，速度高达每秒两万。18由于微尺度的高表面积与体积比，传热和传质时间和扩散距离更短，从而促进更快的反应时间。与连续流动系统不同，基于液滴的微流体允许独立控制每个液滴，从而生成可以单独运输、混合和分析的微反应器。19,20由于可以在短时间内形成多个相同的微反应器单元，因此可以轻松实现并行处理和实验，从而可以有效地获取大量数据集。与连续流动系统相比，液滴微流体还为提高通量和可扩展性提供了更大的潜力。在过去的5年里，有几个小组使用液滴微流体形成了不规则的颗粒，21个双乳液，22个中空微胶囊，23个和微泡。24这些颗粒可用于多种应用，包括生物分子的合成、药物输送和诊断测试。
我们旨在概述已开发的操作液滴的操作以及如何将此类技术应用于化学和生物医学工程领域。最近的评论集中在理论基础25和可以在液滴中进行的化学反应。26我们希望说明旨在对液滴内的大小、形状和浓度等参数进行精确控制的各种方法和技术。此外，本综述旨在说明基于液滴的微流体系统在现实世界生物医学应用中的多种用途。
2 、设备材质
在基于液滴的微流体中，用于设备微加工的材料和用于液滴生成的流体的选择是两个首要的设计考虑因素。聚 (二甲基) 硅氧烷 (PDMS) 是一种相对便宜的弹性聚合物，是微细加工的常用材料。但是，由于 PDMS 在强有机溶剂存在下不稳定或与某些材料不相容。可能会发生膨胀和变形等变化，建议使用具有更高耐溶剂性的材料，例如玻璃、27硅、28和硫烯。
随着表面润湿性和材料科学的发展，控制液体在表面上的润湿性的低能耗方法已经成为可能。在这些方法中，电润湿具有响应速度快（几毫秒）、开关范围大（几十度）、耐久性好（几十万次开关循环）和低能耗（10-100μW）等优点。图。1，表示电润湿（EWOD）的示意图，从润湿到超润湿（圆圈内），具有基于水、油和空气三相的六种基本流体系统（圆圈外）。在所有系统中，都有一个导电液滴和一个覆盖有介电层和疏水层的电极。大多数微流体装置是用 W/A 和 O/W 制造的。29不同的 W/O、O/W 和 W/O/W 乳液可以通过基于液滴的微流体来开发。
Teflon 样结构既疏油又疏水。纸基微流控系统适用于小体积样品，但由于固有的纤维素基质特性，其适用的检测前景受到限制。30
微流体系统的正确选择可以与应用相关。对于光学检测方法，建议选择玻璃。然而，对于电子检测方法，硅和聚合物是合适的。对于电润湿，玻璃是最佳选择。对于蛋白质-蛋白质相互作用，PDMS 是材料的最佳选择。对于芯片上的器官应用，硅、玻璃、PDMS 和其他聚合物等多种材料可以与水凝胶、生物聚合物和使用蛋白质和器官细胞本身的添加剂制造的支架相结合。对于生物打印水凝胶、光固化树脂、细胞和生物聚合物主要使用。在生物测定中，抑制酶的材料不应用于微细加工。例如，31
3. 微流控系统中液滴的大小
微流体流动的特点是低雷诺数 (Re < 1)，界面张力和剪切力之间的平衡决定了液滴的大小。粘性应力与界面张力的比值被认为是毛细管数 , 其中μ C和u C是连续相的速度和动态粘度。破裂三次处的表面张力(mN m -1 )为δ。表面张力越低，液滴尺寸越小，生产频率越高。32微流体流动分为连续流动或分段流动。后者分为气-液和液-液（基于液滴的反应器）。在连续流动中，可以通过沿微流体系统添加反应物来调整化学成分，但由于层流中的抛物线速度分布，颗粒停留时间不同，这会导致多分散性。然而，基于液滴的系统中的停留时间分布 (RTD) 很窄，并且与液滴尺寸相关的方差系数非常低。33根据连续相的毛细管数，液滴形成分为三种状态：挤压或 (Ca c < 0.002)、瞬态或鹅卵石流 (0.002 < Ca c< 0.01)，滴流或滴流 (0.01 < Ca c < 0.3)。34要对流程有一个完整的了解，通常会构建，基于韦伯数的流程图 分散相相对于连续相的 We 或 Ca 数。其中，“ ρ ”和“ u ”是分散相的密度表观速度，d是通道宽度。35具有可控尺寸、形状和单分散性的微粒广泛用于食品加工、药物输送、化妆品、肿瘤消灭、纳米颗粒的合成、化学工业的混合反应增强、乳液的制造、蛋白质的结晶、个人保健产品和气泡发生器。34通道几何形状、通道纵横比和流速比会影响液滴的速度、形成、长度、体积、形状和大小。32已经研究了连续相的粘度对尺寸和液滴生成速率的影响。36接触和喷射角度也对液滴尺寸有影响。34表面活性剂是两亲分子，即具有对不同不混溶相（水/空气、水/油、油/空气）具有亲和力的不同基团。这种特性将分子推向界面，降低了两相之间的表面张力。37因此，在基于液滴的微流体系统中添加表面活性剂不仅会减小液滴尺寸，而且会提高界面液滴的稳定性。此外，可以管理系统的生物相容性和液滴之间的分子交换率。
4. 微滴形成方法
在液滴形成中，存在两个不混溶的相，称为连续相和分散相。它们之间的区别是基于数量的。第一个是产生液滴的介质，第二个是液滴相。38连续相和分散相的流速比、两相之间的界面张力以及用于产生液滴的通道的几何形状都会影响微液滴的尺寸。39一般来说，微滴形成方法可分为被动和主动两种。在主动方法中，需要外部能量，例如电、磁、离心。40被动液滴形成方法简单且常见。被动微液滴生成的几何形状包括交叉流动、流动聚焦和共流动。
在低雷诺数下工作可确保基于液滴的微流体中的层流经常。41变异系数通常用于根据标准偏差描述液滴大小。列出的每种方法都提供了一种通过适当的变量管理以可控方式生成微流体液滴的方法。
5. 微滴操作
对基于液滴的微流体的无限兴趣导致开发具有更多控制、操纵和功能化液滴的设备。除了几种液滴生成方法之外，对液滴执行的操作包括液滴内容的裂变、融合、分选和混合。此外，聚合可以改变液滴相。还报道了核壳结构中的微/纳米颗粒、细胞、蛋白质和 DNA 封装。
5.1。 液滴生成
基于液滴的微流体系统的强度源于均匀颗粒的产生。因此，对液滴的大小、形状和单色差异的精细控制至关重要。已经开发了几种具有相同基本原理和材料的液滴生成方法。由两种不混溶的流体（如水和油）产生的乳液可以被认为是一种产生液滴的方法。
5.1.1。 T型接头
在 T 型结配置中，包含分散相通道相交的入口通道与直角的连续相通道合并。42在交界处，可以观察到两相之间的界面，当流体通过时，分散相在主通道中移动。使分散相延长进入主通道的是由连续相和随后的压力梯度引起的剪切力。分散相的颈部变薄并最终将流分解成液滴（图2a ））。流体流速、通道宽度和两相之间的相对粘度是影响 T 形接头中液滴尺寸的因素。T形接头可以具有多个入口，并且它们的复杂结构可以用于化学反应44并形成气塞45和交替成分的液滴。46
5.1.2. 流量聚焦
在流动聚焦配置中，狭窄区域迫使微流体装置中的分散和连续47,48（图 3a）。在由于连续相对分散相施加的对称剪切引起的流动聚焦中，产生的液滴是稳定的。除了流动聚焦之外，剪切聚焦还旨在创建最高剪切的奇异点，该奇异点存在于喷嘴的最窄区域。49液滴在最大剪切点处从流体中连续脱落证实了均匀液滴的形成。液滴的尺寸可以通过增加连续相的流速来减小。此外，如图所示（图2b），也增加了油滴产生的频率增加油流量。50有多种方法可以设计流动聚焦结构，例如软光刻，甚至将毛细管鞘插入微型设备。在毛细管设计中，分散相通过毛细管针头注入，连续相在中心毛细管周围形成外壳。23孔口是两相的受迫区域，液滴在孔口下游断裂（图 3b）51流动聚焦方法也已用于产生微泡、52多功能颗粒、53,54离子流体乳液、55和双重乳液。56
5.1.3. DEP 驱动的液滴生成
Di-电泳或DEP可用于通过将液滴从流体储存器57中拉出来产生均匀的液滴（图2c）。它不同于电渗透和其他 EHD 过程，因为流体可以是电中性的，并且施加在不带电流体上的力是由不均匀的电场引起的。
5.1.4。 EWOD 驱动的液滴生成
EWOD 器件可以制造为一个或两个平面器件。在双平面器件中，接地电极通常位于顶层，而控制电极位于底部。两层都包括将液滴与电极隔开的绝缘层。电极的激活启动通道的流体润湿，并且在几十微秒内，流体开始在电极之间形成短的液体指。然后关闭电极，使表面恢复为疏水性。这会导致手指从储存器中脱落，并形成一个液滴。
液滴的大小取决于电场强度、外加场的频率和通道开口的宽度。例如，较高的频率产生小液滴，而较低的频率产生较大的液滴。皮升到飞升大小的水滴也已经使用 EHD 生成方法产生。EHD 生成的一个优点是不需要外部泵，从而使系统变得更加紧凑，并且更适合用于护理点设备。
5.2. 微气泡产生
除了液-液相乳液，气-液分散体也被报道在微流体系统中。控制微泡的大小和体积分数对其应用至关重要。
已经开发了大量用于液滴生成的方法，但由于本综述的格式，目前无法详细介绍它们。液滴生成系统是使用各种不同的生成方法和控制机制创建的，包括压力、58流量、59粘度、60电、61,62和离心力。63此外，生成组件已并行化以扩大液滴生成。64,65表 1提供了各种基于液滴的微流体系统的液滴大小和生成频率范围的简要总结，但它确实揭示了液滴微流体的广泛能力。66表 1 各种液滴生成系统的尺寸和频率分布
| 几何和材料 | 连续相 | 尺寸/μm | 频率/赫兹 | |
|---|---|---|---|---|
| 油中的水 | 硅78 中的通道阵列 | 单月桂酸酯煤油 | 21 | ～5300（估计） |
| 丙烯酸酯聚氨酯44中的 T 型接头 | Span 80 的癸烷、十四烷和十六烷 | 10 至 35 | 20 到 80 | |
| PMMA 45中的 T 型接头 | 高油酸葵花籽油 | 100 至 350 | 10 至 2500 | |
| PDMS 60中的 T 型接头 | C 14 F 12与 (C 6 F 13 )(CH 2 ) 2 OH | 7.5 nl（活塞流） | 2 | |
| PDMS 中的剪切聚焦52 | 油酸 | 13 到 35（卫星 <100 nm） | 15–100 | |
| 水中油 | 硅78 中的通道阵列 | 带 SDS 的水 | 22.5 | ～5300（估计） |
| 玻璃毛细管中的鞘流79 | 带 SDS 的水 | 2 到 200 | 100 至 10 000 | |
| 液体中的气体 | PDMS 83中的流量聚焦 | 吐温20的水 | 10 到 1000 | >100 000 |
| PDMS 86 中的剪切聚焦 | 含磷脂的水 | 5 到 50 | >1 000 000 | |
| 空气中的液体 | 疏水绝缘体上的 DEP 62 | 空气 | 10 份 | ～8（估计） |
| 疏水绝缘体上的 EWOD 32 | 空气 | ～700 毫升 | ∼1（估计） |
5.3. 液滴裂变
与连续流动系统相比，使用液滴微流体的优势在于其吞吐量、可扩展性以及运行并行实验的能力。由于每个液滴都可以作为试剂的容器，通过将单个液滴分成两个或多个液滴，可以直接扩大实验容量。因此，液滴裂变或分裂是一项关键操作，可以提高基于液滴的微流体系统的有效性。除了提高实验通量外，液滴裂变还可以作为一种控制液滴含量浓度的方法。67
5.3.1。 被动裂变
被动方法依靠通道设计产生的剪切力将液滴在精确位置分裂成受控体积，而无需任何分量或力。液滴分裂已通过多种通道设计进行，包括 T 形接头、68个分支通道、69,70和通道障碍物71（图 4a 和 b）。
5.3.2. 主动裂变
一旦外力或电控制在分裂机制中起作用，就会发生主动裂变。在封闭通道和开放表面都没有发现，而是在电可寻址的平行板之间，液滴被传输并通过 EWOD 发生裂变。没有特定的通道模式来引导液滴移动，并且通过电极垫动态确定行进路径。液滴形成在介电表面上，介电表面存在于电极和非导电基板之间。当液滴两端附近的表面被激活并且液滴中心的表面接地时，就实现了分裂。激活的区域会将液滴拉向其各自的末端，导致液滴在中间挤压和分裂。72（图 4c-e）。
5.4. 液滴融合
液滴的受控聚结是在液滴内进行反应的重要手段。液滴中的反应可用于多种应用，包括颗粒的形成、化学合成、动力学研究或生物分子的合成。对于某些反应，在合适的条件可用之前将试剂保持分开是至关重要的。
5.4.1。 被动融合
在被动液滴融合中，液滴融合的位置由通道设计控制。适当的融合取决于高流量条件下的液滴频率匹配。这些挑战可以通过调整流量和通道几何形状来控制液滴生成频率来克服。73
5.4.2. 主动融合
使用 EWOD 和其他电控方法实现了液滴的主动融合。74在电压低至 1 V DC 的情况下，在 100 毫秒内对紧密堆积的液滴进行电聚结。75个电极平行于液滴通道放置，并使用一系列交流和直流电压来融合液滴或细胞。76 DEP 也被用作液滴融合的方法。77只要液滴成分与其载液在介电上不同，DEP 就可以用于操纵液滴。激活与液滴相邻的电极会启动液滴运动。通过依次打开和关闭一系列电极，液滴可以被引导向另一个液滴，直到发生聚结。78研究人员结合使用扩展通道配置使两个表面活性剂稳定液滴彼此靠近，并使用平行排列的电极融合液滴。79
5.5. 混合成液滴
Peclet 数 (Pe = uL / D ) 定义为平流时间与扩散时间之比，其中u是特征速度，L是特征长度，D是特征扩散系数。在 Re 小而 Pe 大的域中，混合变得困难。80微混合器是进行和研究生物和化学反应动力学的重要工具。在处理微尺度流体时，一个主要问题是能够克服界面力并促进两种流体流之间的混合。由于层流条件，当两个流体流相互接触时，没有湍流混合，唯一的混合行为是扩散。当需要将流体混合时，允许相邻的混溶流体以不同的流流动的相同特性成为一个问题。虽然扩散距离更小，但两种流体完全混合所需的时间仍然很长。即使在液滴内部，层流条件也可以保留，并导致了有趣的双相粒子的发展。已实施80 种智能通道配置，以促进液滴内的快速内部混合。在具有蛇形图案的通道中混合非常有效，并且混合程度可以很容易地通过微通道的长度来量化。81基于电润湿的液滴装置还开发了快速混合液滴内内容物的机制。Hyunjung Lim等人。(2020) 首次发明了一种基于圆顶形腔室的表面声波 (DCSAW) 器件，该器件可以简单地使用单个胶带和一滴紫外线固化材料制造，无需软光刻工艺。如图5流体 A 和 B 被注入入口。通过向聚焦叉指换能器 (IDT) (F-IDT) 施加射频信号，产生集中的声能，两种流体在圆顶形腔室中混合。在 20 V 的施加电压下，混合指数在 300 μL min -1的总流速下高于 0.9 。82
5.6. 液滴分类
液滴微流体的主要优势之一是能够生成可以单独运输和分析的独特液滴。分类促进了一系列功能，包括感兴趣的液滴的分离、合成样品的纯化和液滴异质混合物的分离。此外，分拣机制可以单独控制群体中的单个液滴。
排序可以分为被动和主动两种类型。被动分类包括不断应用偏差来区分要分类的物种的系统。主动分类系统采用更高级别的复杂性，但提供对偏差的动态控制，并且对其可以分类的参数具有更大的灵活性。需要注意的是，在被动分拣系统中，偏差和分拣参数是耦合的；而在主动系统中，两者不需要，因此允许主动系统使用各种特征（例如粒子含量或功能）对液滴进行分类。更准确地说，主动分拣方案既涉及操纵液滴运动的机制，又涉及检测分拣标准的方法。
5.6.1。 使用通道几何进行基于大小的排序
被动液滴分选的一个例子是科学家设计的系统。83在此设置中，微流体通道的设计使连续相的流动将较小的卫星液滴带入侧通道，而较大的初级液滴流经主通道。由于其较小的表面积，卫星液滴仅暴露于从侧支射出的流中，而较大的液滴则感觉到主通道的流速较高。由于卫星液滴是液滴生成过程的副产品，因此按大小对液滴进行分类可以纯化样品。这个概念也适用于较大的液滴。重力驱动的基于大小的排序。另一种按大小分类液滴的方法是利用重力。84
5.6.2. 基于介电泳的分选
主动分类的一个例子，基于 DEP 的方案允许在微流体通道内操纵单个液滴、颗粒或细胞。85,86 Mazutis等人。(2013) 最近在基于液滴的微反应器中使用 DEP 进行细胞分选。表达和分泌靶抗体的细胞以灰色显示，不表达靶抗体的细胞以橙色显示。细胞被包裹在带有荧光检测抗体的液滴中。为了产生分泌的抗体，细胞在芯片外孵育，并根据在覆盖有捕获和分泌抗体的珠子表面上的检测抗体的局部包装增加的荧光信号进行分类（图 6）。
5.7. 基于电介质 (EWOD) 的电润湿分选
主动分类机制的另一个例子是基于 EWOD 的液滴操作。如液滴生成部分所述，EWOD 使用电极来改变液滴与表面之间的界面能量，从而导致液滴运动。这种现象也可用于沿路径移动液滴。科学家通过首先使用电泳将两种类型的颗粒分离成单个液滴的相对区域，然后使用 EWOD 将液滴分成两半，证明了使用这种方法对液滴及其内容物进行分类。87
5.8. 液滴的相变
基于液滴的微流体为操纵各种流体提供了一个强大的平台，并且能够执行一系列操作和反应。然而，许多生物医学应用需要不是液体而是固体或凝胶形式的材料。88由聚合物和生物材料制成的固体颗粒用于药物递送89,90和水凝胶91正在研究用于封装细胞以进行植入和药物研究。许多基于液滴的系统被设计成通过不同的方式产生固体颗粒和水凝胶珠。92
5.9. 光引发聚合
光引发聚合使用光，通常是紫外线来激活光引发剂。然后光引发剂可以变成反应性自由基。然后自由基聚合连接单体并固化液滴。由于使用光学透明聚合物和玻璃，许多微流体平台能够将光源集成到装置中以允许光引发聚合。研究小组已经展示了使用这种方法与各种材料进行粒子合成。更有趣的是，使用传统方法无法轻易制造的微流体平台已经创建了新的粒子形状。
5.10。 催化剂引发的聚合
与光引发过程不同，这种机制利用触发聚合的化学物质。由于液滴是在连续相中携带的，因此引入化学触发器并非易事。已经开发了两种主要技术来实现这一目标。首先，交联剂，例如在离子交联情况下的离子，可以包含在连续相中。液滴生成后，交联剂扩散到液滴中，使液滴固化或凝胶化。93,94科学家使用这种方法制造了使用多种材料的胶囊，包括海藻酸盐、kappa 角叉菜胶和羧甲基纤维素。95该小组能够控制芯片中的停留时间和连续相中交联剂的浓度，以产生不同类型的颗粒。通过将颗粒放入大量不含交联剂的溶液中来终止该过程。与将液滴滴入聚合溶液中的传统方法不同，颗粒是原位合成的，因此可以进行连续、高通量的处理。
5.11。 Janus 粒子
上述过程中使用的机制在批量制造过程中都具有等效性。然而，已经使用基于液滴的微流体系统开发了合成技术，以产生在宏观上很难甚至不可能产生的粒子。96这些新技术利用了微流体平台的独特特性，例如层流和流动条件的局部控制。这些特殊特性使研究小组能够创造出诸如非球形颗粒、Janus 液滴和双乳液等物体。
6. 微滴应用
在微米级空间中进行的细胞中的化学和生物操作是自然微流体的例子。液滴微流体提供了划分和模拟单个液滴内的反应和分子过程的能力。随着液滴和颗粒的运输和操纵设备的发展，可以发现许多机会将这些流体元件组合起来进行用于生物医学应用的颗粒的合成和功能化。出于这个原因，基于液滴的微流体平台具有广泛的应用。
6.1. 控制化学反应
对于从蛋白质表达到有机化合物合成的应用，在微尺度下进行反应可以节省昂贵和珍贵的试剂，减少接触危险化学品，并允许在高度并行的实验中进行多个反应。在批处理过程中，在进行放热反应时会产生高风险，其中会释放大量多余的热量。然而，通过缩小微反应器中的反应，可以以最小的风险进行平行反应。由于更短的扩散和传热传质距离，反应也可以更快地完成。在微滴内部混合也受益于由通道几何形状引导的内部涡流循环。97
6.2. 治疗剂递送
由于可用的材料和方法范围广泛，聚合物和其他胶体颗粒的组合可用于改变药物释放曲线、影响药物吸收率、改善位点特异性靶向以及许多其他药物分布特征。当前的分批方法产生多分散颗粒，因此具有可再现尺寸和飞升到纳升体积的微颗粒和微胶囊的微流体生成是治疗剂递送的有用工具。控制粒径和最小化粒径分布对于在给药途径中使用颗粒和控制药物、染料、酶等包封材料的释放非常重要。液滴可以填充各种亲水或疏水化合物，并且可以改变胶囊壳厚度以控制化合物释放速率。与扩散受限的连续流动微反应器不同，具有明确定义的三维边界的液滴允许快速混合和传输试剂。98磁性药物递送是一种主动策略，可用于加载纳米颗粒，以便通过施加外部磁场将它们引导并聚集到肿瘤部位。99
6.3. 生物医学成像
微泡已被用作超声成像中的超声造影剂，以发展对受损组织进行成像的能力，并用作过早检测疾病的工具。可以通过增加声波的反射来提高 2-D 和 3-D 超声成像的灵敏度和特异性。最佳反射率取决于尺寸，并在直径为 2-5 μm 的微泡中观察到。而且，这个尺寸范围也适合穿过肺部的毛细血管。微泡通过增强图像的对比度来提高灵敏度。100
6.4. 生物分子合成
长期以来，生物学家一直在寻求构建人造细胞，以了解生命最基本反应背后的动力学和生物学。人造细胞具有具有明确成分的优势，这将使科学家能够研究生物活动，否则是不可能的。能够进行生物反应的微米级水性隔室是制造人造细胞的第一步。液滴微流控不仅限于颗粒和胶囊的合成，还可以用于蛋白质、DNA等生物分子的合成。101在基于液滴的微流体中，可以通过控制尺寸来实现产生大量细胞样隔室，它可以模拟群体感应 (QS) 型化学通信。Niederholtmeyer等人。（2018）用流动聚焦方法制造了人造细胞。他们表明，人造细胞与它们的邻居交换蛋白质。他们制备了含有 T3 RNA 聚合酶 (RNAP) 和 T3 RNAP 驱动合成 TetR-sfGFP 报告基因模板的激活剂和报告基因人工细胞，以及 tetO 阵列质粒。含有活化和报告构建体的人造细胞表现出随密度变化的荧光。他们观察到的阈值密度是 4.5 μL 体积中的 400 个人工细胞。102
6.5 诊断芯片
微流体领域背后的主要动机是基于微全分析系统 (mTAS) 的概念创建芯片实验室设备。减少处理时间和试剂消耗的前景促使许多旨在取代传统实验室设备的新技术的发展。已经设计了大量的微流体装置来处理包括细胞、蛋白质和DNA在内的生物试剂。103基于液滴的平台通过减少扩散距离、更快的混合和层流而具有在微尺度上工作的优点；而且与连续系统相比还有一个额外的优势，因为它们可以生产大量的微反应器，以允许并行处理，同时保持每个反应器独立和隔离。这些独特的特性使得能够使用基于液滴的微流体系统进行广泛的生化诊断分析。104传统的检测方法耗时且需要昂贵的设备，但是，用于检测真菌感染的微流控芯片的发展非常有前景。Waseem Asghar等人。(2019) 开发了一种最先进的基于免疫的微流体装置，可以从磷酸盐缓冲盐水 (PBS) 和人类全血中快速检测和捕获白色念珠菌。因此，真菌感染测试可以在 1-2 小时内完成，而不是 2-10 天（图 7）。105
6.6. 药物发现
前面描述的应用都涉及基于液滴的微流体平台中材料的生产或合成。然而，随着质谱、凝胶电泳和 X 射线晶体学等光学和电流检测组件的加入，液滴微流体已经发展成为一个具有在更复杂应用中使用潜力的平台。可以在单个微流体设备中快速生成和筛选大型多样化的化合物库。这使得基于液滴的微流体成为发现和研究新药物化合物的理想方法。
6.7. 细胞培养
基于液滴的微流体的主要优势之一是能够使用液滴作为单细胞的孵化器。106根据对 649 篇原始论文的文献回顾，Carla B. Goy等人。（2019）发现细胞培养是水凝胶与基于液滴的微流体系统相结合的最广泛应用。107每秒能够产生数千个液滴的设备开辟了表征细胞群的新方法，不仅基于在特定时间点测量的特定标记，而且基于细胞的动力学行为，例如蛋白质分泌、酶活性或增殖。最近，已发现一种无表面活性剂的方法可以生成用于单细胞孵育的固定微滴阵列。108通过基于液滴的生物质子 (DBB)，可以控制细胞、生长因子、基因、药物和生物材料的沉积。然而，有限范围的水凝胶，包括海藻酸盐、胶原蛋白、纤维蛋白、甲基丙烯酸明胶 (GelMA) 和聚乙二醇 (PEG)，由于它们或其交联剂可以轻松喷射并且它们的交联相容性，因此可用于基于液滴的生物打印具有不同基于液滴的生物打印方式的机制。109 Demirci 的小组通过在基质胶涂层玻璃培养皿上以受控方式对人类卵巢癌细胞和成纤维细胞进行生物打印，制造了共培养癌症模型。110
6.8. 生物大分子表征
6.8.1. 蛋白质结晶
基于液滴的装置也已用于研究蛋白质结晶所需的条件。111蛋白质结晶的环境可以通过快速且连续地改变输入溶液的流速来调整。对于长期储存，可以将液滴内的蛋白质晶体从微通道转移到玻璃毛细管中，为了获得蛋白质晶体的衍射图，可以进行 X 射线衍射测试。112
6.8.2. 基于液滴的 PCR
基于液滴的微流体系统为扩增核酸提供了出色的技术平台。在这方面，最引人注目的应用是数字微滴 PCR (ddPCR)，它可以对特定核酸序列进行极其灵敏的检测（低至单拷贝水平），它源于对大量分隔的 PCR 反应。113,114最近，为了简化扩增过程，开发了替代等温扩增方案。此类策略包括环介导等温扩增 (LAMP)、115,116滚环扩增 (RCA) 117重组酶聚合酶扩增 (RPA) 118和指数扩增反应（EXPAR）。119聚合酶链式反应 (PCR) 自问世以来一直是基因组学和生物学领域的重要工具，因为它大大加快了 DNA 样本的生产和分析，适用于广泛的应用。120其中，LAMP 因其高灵敏度、高 DNA 产物形成和缩短反应时间而备受关注。此外，与标准 LAMP 相比，使用液滴 LAMP (dLAMP) 具有增强抑制剂抗性的明显优势，并且具有床旁分析的可行性。121,122
6.8.3. DNA测序和条形码
多种微流体系统，包括基于液滴的系统，已用于 DNA 测序。基于液滴的微流控平台可以使用 FRET 连接试验分析 DNA 分子。该系统能够区分与目标分子完美互补的探针和与目标分子不互补的探针，即使是由于单碱基错配。因此，以目前的形式，该系统能够进行快速且廉价的基因分型分析。通过包含通用碱基并包含给定长度的所有探针排列的扩展探针组，它可以用于任意未知序列的目标，为快速和低成本的 DNA 测序平台奠定了基础。123
在进行大规模实验时，在更大的液滴群体中监测特定液滴是一项挑战。在液滴中添加基于小分子或量子点的荧光团混合物可以在任何给定时间对几千个液滴进行条形码编码，但受到凝聚相光谱串扰的限制。相比之下，DNA 条形码涉及将独特的单 DNA 链传递到每个液滴，其编码能力为 4 n（其中n是 DNA 序列中的核苷酸数），因此其条形码能力实际上是无限的非常大的液滴数量。124
6.9. 合成
马可福斯蒂尼等人。(2013) 揭示了一种新的基于纳升液滴的微流体策略，用于连续和超快速合成金属有机框架 (MOF) 晶体和 MOF 核壳结构。具有代表性的 MOF 结构，例如 HKUST-1、MOF-5、IRMOF-3 和 UiO-66，通过溶剂热反应在几分钟内合成，其动力学比传统的批处理工艺快得多。核壳结构 Co 3 BTC 2 @Ni 3 BTC 2、MOF-5@diCH3-MOF-5 和 Fe 3 O 4 @ZIF-8。125 Ioannis Lignos等人。(2018) 报道了使用微流体平台组合合成高发光且稳定的卤化铅钙钛矿纳米晶体，其中连续相的典型流速为 80 至 100 μL min -1，而连续相的典型流速为 0.1-50 μL min -1先驱者。Cs x FA 1− x Pb(Br 1− y I y ) 3 NCs 的发射和吸收光谱在 690 和 780 nm 之间。126已经报道了使用共流微流体装置的合成。中空水凝胶微纤维是用于在开放系统中大规模培养的微生物载体。127
7. 液滴表征的分析方法
定量分析对基于液滴的系统开发的作用是显着的。在本节中，讨论了通过光学、电化学、质谱、拉曼光谱和吸收光谱等方法对液滴进行表征。明场显微镜不仅研究了液滴的物理和生物学行为，128还研究了液滴内蛋白质晶体的成核动力学。129基于分子激发和发射光的荧光显微镜是另一种主要技术，可量化液滴中极低浓度的生物分子。130作为荧光显微镜应用的一个例子，可以参考使用波长为 488 nm的 Ar +激光测量液滴内部荧光强度的变化来测量酶。131激光诱导荧光 (LIF) 可用于液滴中的高通量筛选和单分子检测。132例如，基于液滴的系统已被用于通过 LIF 检测荧光标记的单个 DNA 分子。133LED-IF 系统非常紧凑且价格低廉，是片上实验室应用的理想选择，并且由于 LED 的单波长特性，它们提供了高灵敏度，并且可以通过测试调整最大吸收波长样品。与传统的 LIF 检测相比，据报道 LED-IF 的 LOD 低 6 倍。134
刘等人。135基于对载相中的电活性化合物的计时电流分析，开发了一种新的电化学方法来测量液滴特性。一旦液滴通过工作电极，它们的大小和频率可以通过测量质量传输受限产生的电流的周期性变化来获得。此外，基于液滴的芯片已与电喷雾电离质谱 (ESI-MS) 集成。朱等人。136将液滴生成、液滴提取和 ESI 发射集成在单个芯片上，并使用亲水舌提取样品液滴，同时油流向废液槽。在另一项研究中，137介绍了一种在 ESI-MS 中液滴注入的方法，通过该方法可以检测复杂的试剂混合物。如图8所示，他们将液滴盒直接连接到商用纳米喷雾发射器。此外，它还具有与电泳或高效液相色谱 (HPLC) 等其他分析技术相结合的潜力，以增强基于液滴的系统的能力。
畠山等人。138描述了首次使用基质辅助激光解吸电离质谱 (MALDI-MS) 筛选和优化纳升级液滴中的反应条件。在氟化载体的帮助下，30 纳升液滴反应器已沉积在 MALDI 板上。针对特定底物筛选了一组 44 种化学品，在 2 μL 溶液中总底物消耗量为 20 μg。
在分析之前，必须对激光诱导荧光 (LIF) 检测中的非荧光分析物进行特定的荧光标记。诸如拉曼光谱之类的无标记检测技术是首选技术，并且具有其他优势，包括同时检测多种分析物、高通量检测、高空间分辨率和高灵敏度，一旦它们与表面增强技术相结合。139 Cristobal等人报道了拉曼光谱在液滴系统中的最早应用。他们利用拉曼光谱的高空间分辨率，在微通道不同点的液滴内混合了两种非荧光化合物。140
吸收光谱法提供了一种无需荧光信息即可研究酶反应动力学和测量其参数的工具。吉伦等人。141将单点吸光度检测与隔间按需液滴平台相结合，以实现精确的酶动力学和抑制分析。如图9所示，在抽出模式下，通过在载体相和水相之间上下移动管道产生液滴，通过透射率对液滴含量进行量化。时间。他们使用一个平台研究了甜杏仁 β-葡萄糖苷酶对显色底物 4-硝基苯基吡喃葡萄糖苷的水解。在 20 分钟内，他们测量了 β-葡萄糖苷酶的 Michaelis-Menten 动力学参数。此外，他们还使用平台测量了 conduritol B 环氧化物和 1-脱氧野尻霉素靶向 β-葡萄糖苷酶的抑制效率。
8. 基于液滴的微流体对生物医学挑战的解决方案
高效的多药物输送，这可以通过 Janus 结构来实现，该结构能够将两种不同的材料或药物装载到一个容器中。142多药递送的优势在于通过改善药代动力学、按时间顺序释放多药、减轻对正常组织的细胞毒性，同时增强肿瘤中的协同细胞毒性，从而提高联合药物治疗的功效。一些共同药物递送的常见结构如图10所示。143
制药行业目前正遭受不可持续的研发 (R&D) 成本的困扰，这迫使其改变新药开发和批准的方式。使用基于液滴的微流体开发药物发现可以解决这些问题。事实上，开发可以检查药物的体外试验，希望在动物试验和人体临床试验之前提高新药的可预测性。例如，血管芯片设备已经在临床上用于诊断镰状细胞病。144磁驱动液滴操作也已应用于免疫测定。完成免疫测定以检测新生儿先天性甲状腺功能减退症并分析脐带血浆样本。生物测定中磁驱动液滴操作的一个典型例子是聚合酶链式反应 (PCR)。145
9. 商业
基于液滴的微流体的目标应用包括受益于基于液滴的微流体的技术特征的癌症筛查、微毒理学、诊断和传感。146与生物和医疗保健问题相关的基于液滴的微流体商业产品包括通过Bio-Rad 的 Droplet Digital™ PCR 系统进行的10x Genomics、Drop-seq 和核酸定量126 10x Genomics 和 Bio-Rad QX200 针对基因组测序。146白云石的滴滴合并芯片147旨在融合不同成分的液滴。Fujifilm Dimatrix (DMP-2800) 打印机和 Cluster Technology DeskViewer™ 是两种商业压电按需点播，专为研究细胞间通信的细菌细胞和由肝细胞 (HepG2) 和 HUVEC 组成的人类肝组织芯片而开发， 分别。RegenHU Ltd BioFactoryR 是一种商业微型阀（电磁阀），专为包含 A549 细胞、A.hy926 细胞和 Matrigel™ 的 3D 肺组织而设计。114
10. 液滴微流体的现在和未来
通过新的制造方法，微流体已经能够利用在大通道中移动的流体与通过微米级通道的流体的物理特性之间的某些基本差异。特别强调芯片实验室设备，科学家们将其称为缩放关系，它关联或区分宏观和微流体系统。在被改编为未来的主要技术之前，微流体具有一些必要条件。但它将不辜负其构想时所经历的希望。作为一个领域，它所面临的问题是大多数领域在发展过程中所面临的问题。微流体尚未达到其早期广告的效果这一事实不足为奇，其发展速度的原因都是新技术的特征，并提出未来重点工作的领域。微流体既是一门科学又是一门技术，为未来提供了巨大甚至革命性的新功能。它也处于起步阶段，需要做大量工作才能声称它不仅仅是一个活跃的学术研究领域。然而，该领域的基础非常强大：世界上的大部分技术都需要对流体进行操作，并将这些应用扩展到小体积，对浓度进行精确的动态控制，同时发现和利用在微尺度水平上发生在流体中的新现象，一定很重要。它也处于起步阶段，需要做大量工作才能声称它不仅仅是一个活跃的学术研究领域。然而，该领域的基础非常强大：世界上的大部分技术都需要对流体进行操作，并将这些应用扩展到小体积，对浓度进行精确的动态控制，同时发现和利用在微尺度水平上发生在流体中的新现象，一定很重要。它也处于起步阶段，需要做大量工作才能声称它不仅仅是一个活跃的学术研究领域。然而，该领域的基础非常强大：世界上的大部分技术都需要对流体进行操作，并将这些应用扩展到小体积，对浓度进行精确的动态控制，同时发现和利用在微尺度水平上发生在流体中的新现象，一定很重要。
出于放大考虑，在单个芯片中使用并行发生器是实现大规模生产以满足工业和商业要求的一种方式。可以在 4 cm × 4 cm 芯片中制造超过 12o 的液滴发生器，以产生 0.3 kg h -1的吞吐量单分散丙烯酸微球。在微流控芯片中加入水凝胶广泛地促进了新的生物医学、制药和生物技术系统的发展。芯片上的微流控细胞培养系统和血管模拟物可以为具有医疗功能的分子机器人提供测试场地，以研究药物转运到细胞的功效。生物医学成像的未来研究可以评估测量由流动聚焦形成的单一尺寸气泡的声学均匀性的方法。分步乳化在未来的诊断应用中具有潜力，例如 ddPCR 或等温和液滴生成方法，可用于大规模筛选/选择应用。拉曼光谱是一种很有前途的单细胞分析技术。因此，拉曼光谱与基于液滴的微流体相结合，为选择细胞进行下游单细胞操作提供了独特的机会，例如培养细胞和提取 DNA/RNA。此外，电化学检测、拉曼光谱和质谱等分析检测技术可以结合使用，以扩展其在基于液滴的微流体中的应用。
11. 结论
本文全面回顾了“液滴”微流体领域及其应用。首先研究了流动特性和影响液滴尺寸的参数。随后，研究了微细加工中的材料选择。此外，还提出了微滴操作的策略，包括液滴生成、分选、裂变、融合、混合和聚合。这一新兴领域吸引了众多研究人员来研究微通道中两相动力学的基础知识，并为生物和化学应用开发优于传统技术的新解决方案。本文重点介绍了许多示例。微机电系统 (MEMS) 的研究人员一直在开发新型微加工和表面处理技术，以优化微器件平台中的液滴生成和操作。微流体研究人员一直专注于液滴生成、液滴裂变/融合、混合和分选的控制，以实现大量飞到纳升体积液滴的高通量分析和合成条件。化学家们对能够以精确的浓度和动力学条件控制反应并同时大量研究它们很感兴趣。生物学家看到了在类细胞环境中研究生物分子和细胞事件的难得机会，而通过液滴微流体提供的控制，构建“人造细胞”的概念更加现实。生物医学工程师热衷于开发具有更好稳健性和可重复性的“微系统”，以便在生物医学和工程设备/仪器的界面上实现新的应用和行业。解决了一些与生物和保健问题相关的商业产品。已经有公司正在为生物医学和生物制药行业开发基于液滴的微流体产品。
在基于液滴的系统的应用中，其中一些是突出的。诊断芯片有着非常辉煌的未来。微泡已被用作超声成像中的超声造影剂。由于更短的扩散和传热传质距离，基于液滴的微流体系统有助于更快地进行化学反应。明场显微镜、荧光显微镜、吸收光谱法和电喷雾电离质谱法已应用于液滴表征。作者认为，该领域在短短几年内的快速发展以及正在产生的大量文献表明，芯片实验室领域的一场革命将在未来 5-10 年内持续下去年。
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