压力驱动的微流控T型微通道按需液滴生成
2025-06-18 21:42:58   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

液滴可以提供隔离的微环境，能够在不同条件下进行大量实验，例如细胞培养和分选、生物测定和微反应器等，因此，液滴微流控技术在许多领域的应用日益广泛。液滴通常通过被动和主动两种方法产生。被动方法是利用远程压力源将两股不相溶的流体输送到微流体连接处（例如流动聚焦或T型微通道连接处），从而产生液滴流。这些方法通量高，但对液滴形成和单个液滴含量的控制有限。相比之下，主动方法可以通过主动施加外力来产生液滴，从而更好地控制液滴大小和产生频率。虽然电、磁、机械、光学和声学力已被用于驱动液滴形成，但在液滴微流控平台中集成外部驱动力，不可避免地会增加器件制造及系统设计的复杂性。

T型连接通道的几何形状，作为一种非常适合被动和按需连续生成液滴的方法得到了广泛应用。通常情况下，水相从侧通道进入连续油相，在特定流动条件下形成分散液滴。在大多数此类系统中，液滴的形成都是被动的，依赖于剪切力和界面力之间的相互作用。改变两种不相溶流体的流速比可以调节剪切力和液滴尺寸。然而，由于微流控系统中的流动阻力和元件的可压缩性，上游流速的调整并不能在T型微通道即时反映出来，因此这种方法不适合需要按需“开关”液滴形成的应用。

在一种按需形成液滴的方法中，对水相施加一个压力脉冲以在T型微通道连接处生成液滴，有可能在单个液滴水平上控制液滴的生成。然而，要做到这一点，需要预设“关闭”液滴生成的阈值压力（即在T型微通道完全平衡两相流体之间力的入口压力），这是一个反复试验的过程，而且容易受到液滴形成变化（例如表面改性引起的变化）的影响。最近，一种双压力脉冲驱动液滴生成方法，结合基于实时定量相位成像的反馈控制，显示出良好的系统响应和较低的稳态误差。然而，这种复杂性阻碍了将按需液滴生成与生物检测中其它模块（例如细胞分选）的整合。目前，易于使用且实用性强的按需液滴生成技术尚未实现。

据麦姆斯咨询介绍，英国格拉斯哥大学的研究人员提出了一种简单有效的压力驱动方法，用于在T型微通道生成液滴，实现按需稳健运行。与水相在侧通道中的现有方法相比，研究人员提出的新方法在侧通道中引入了油相。由此，油相在压力的驱动下前进，在液滴通过T型微通道的“直线”部分达到所需的体积后，“切割”沿“直线”部分通过的流体形成所需要的液滴。

论文摘要附图

微流控T型微通道的压力驱动液滴生成：（a）用于生生液滴的T型微通道微流控器件示意图；（b）微流控器件照片；（c）实验装置示意图。

在实验观察的基础上，研究人员利用经典Laplace–Young毛细管压力方程建立了一个近似的简单物理模型来描述液滴生成过程的基本机制，为微流控器件设计和按需液滴生成的预测压力阈值提供了指导。与更复杂的数值模拟相比，研究人员研究了这种简化方法是否能有效地解释T型连接微通道在一系列油水压力和装置尺寸下的液滴生成性能。此外，研究人员还介绍了一种基于图像的简单方法，用于现场快速优化工作条件，以实现有针对性的按需液滴生成。

油相和水相在不同压力下生成的液滴

液滴生成的临界条件示意图

按需生成液滴的图像时间序列

结论

总结来说，研究人员开发了一种简单的方法，利用压力驱动在T型微通道按需生成液滴，并能对单个液滴的形成进行精确的时间控制。根据实验观察结果，研究人员提出并验证了一个物理模型，该模型描述了液滴形成的关键阶段，并预测了开关液滴生成的压力阈值。该模型有效地将器件几何形状、表面性质、界面张力和工作压力与液滴生成联系起来，为微流控器件及液滴生成的系统设计提供了宝贵指导。

为了解决与表面张力等标称参数相关的不确定性，研究人员引入了一种基于液滴生成频率的简单原位优化方法，以确定阈值条件。研究人员的研究结果为稳健的按需液滴微流控系统的设计和自动化提供了有价值的指导，这些系统可在传统实验室中轻松实现，应用范围广泛，例如操纵单个液滴进行细胞封装和细胞分选等。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00950-2

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》