液相樣品離散化是進(jìn)行生物、化學(xué)分析或者微納米材料合成、藥物顆粒制備等應(yīng)用的關(guān)鍵步驟，可通過離散化技術(shù)將液相樣本離散成為大量均勻并獨(dú)立的微液滴（pL-fL）。這些微液滴通常可以被視為一個(gè)獨(dú)立的“虛擬試管”用來進(jìn)行微型化的生化反應(yīng)。因此它可以利用有限的樣本做大規(guī)模的平行實(shí)驗(yàn)，并增加單個(gè)靶標(biāo)分子在每個(gè)分區(qū)中的相對(duì)濃度，減少背景信號(hào)的影響。由于微液滴的大比表面積，可以使得生化反應(yīng)更加迅速，有利于快速檢測(cè)樣本中罕見的生物靶標(biāo)分子，使得數(shù)字PCR和細(xì)菌定量等生物分析技術(shù)更加快速。同時(shí)，在反應(yīng)過程中，由于每個(gè)微液滴獨(dú)立存在，均可形成封閉體系，可避免外來污染對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，在微粒合成、藥物制備方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。目前，生成微液滴的主要技術(shù)分為液滴式和微腔式。其中微腔式離散化技術(shù)克服了液滴不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，同時(shí)基于其生成微液滴的空間固定性，使得該技術(shù)具有長(zhǎng)期定位追蹤單個(gè)液滴演變過程的優(yōu)勢(shì)。但是現(xiàn)有基于微腔式的液體離散化技術(shù)仍存在樣本利用率低、操作復(fù)雜、依賴外部設(shè)備輔助、耗時(shí)較長(zhǎng)等一系列缺點(diǎn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，重慶大學(xué)光電工程學(xué)院李剛教授團(tuán)隊(duì)為了克服現(xiàn)有微腔式液體離散化技術(shù)的缺點(diǎn)，開發(fā)了一種基于模板化去潤(rùn)濕誘導(dǎo)的液體樣本離散化技術(shù)，并設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)格化微腔陣列（networked microwell array，NMA）芯片實(shí)現(xiàn)快速、均一地離散液相樣本。該方法通過油相觸發(fā)和結(jié)構(gòu)限制的去潤(rùn)濕現(xiàn)象可將微量液相樣品在兩分鐘內(nèi)自發(fā)地離散成數(shù)以萬計(jì)的可尋址液滴，樣品使用率接近98%，且不需要各種昂貴或笨重的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)樣本快速、簡(jiǎn)便、低損耗的“數(shù)字化”。為了證明這種自數(shù)字化方法的實(shí)用性和普遍性，研究團(tuán)隊(duì)利用它將樣品離散化成40233個(gè)微液滴，用于數(shù)字PCR測(cè)定，細(xì)菌的數(shù)字定量，球形膠體光子晶體的自組裝以及合成藥物的球形晶體。相關(guān)研究成果以“Oil-Triggered and Template-Confined Dewetting for Facile and Low-Loss Sample Digitization”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，文章第一作者為重慶大學(xué)光電工程學(xué)院2019級(jí)碩士熊楠錕，通訊作者是重慶大學(xué)光電工程學(xué)院李剛教授和趙強(qiáng)博士。

液體在固體表面的去潤(rùn)濕現(xiàn)象是一種自發(fā)的、由液體表面張力形成的物理現(xiàn)象，它是由液相界面能量總是趨向于最小化演變得來的，它會(huì)誘導(dǎo)大的連續(xù)液體破裂并形成小液滴。在該研究中，李剛教授團(tuán)隊(duì)使用了網(wǎng)格化的微通道-腔室陣列結(jié)構(gòu)，通過利用芯片表面的結(jié)構(gòu)差異或圖案化來控制特定點(diǎn)位的液體發(fā)生破裂。也就是說，這里的去潤(rùn)濕現(xiàn)象是由特定的基材表面形貌驅(qū)動(dòng)的，而不是由液體隨機(jī)的內(nèi)在不均勻性驅(qū)動(dòng)的，從而形成有序的液滴陣列。與常規(guī)通過熱處理觸發(fā)的固態(tài)去潤(rùn)濕現(xiàn)象不同的是，這種網(wǎng)格化微通道-腔室是通過油相的添加來觸發(fā)的，這不僅最大限度地減少了液相樣本的蒸發(fā)，而且與生物測(cè)定更加兼容。

為了更深入地了解樣品離散化化過程中的液體動(dòng)力學(xué)，團(tuán)隊(duì)使用了有限元方法對(duì)油觸發(fā)模板約束的去潤(rùn)濕現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬（COMSOL Multiphysics 5.6）。如圖1（a）所示，在剝離蓋片層之前，腔室中水樣的頂部幾乎是平坦的。一旦去除蓋片層使油相覆蓋在水相樣品上方時(shí)，在液體表面張力作用下，水相液體頂部的形狀將變得向外凸出，呈現(xiàn)凸面形狀。如圖1（b）所示，在連接微通道處的水/油界面曲率較大，而微腔中的水/油界面曲率較小。這種曲率差異會(huì)使水相內(nèi)部產(chǎn)生拉普拉斯壓力梯度，將水性液體從連接微通道推向相鄰微腔。因此，微通道處水相的局部質(zhì)量將會(huì)減少，水相變得更加稀薄并在連接微通道的中心形成細(xì)頸狀液體。這個(gè)細(xì)頸的形成進(jìn)一步增加了拉普拉斯壓力梯度，這是由于通過減少局部液體韌帶半徑而導(dǎo)致曲率的增加，從而進(jìn)一步加速液體韌帶變稀薄并導(dǎo)致其最終夾斷形成水相液體的局部去潤(rùn)濕現(xiàn)象。通過利用這種局部去潤(rùn)濕效應(yīng)，NMA芯片將管道中的水性液體推送到微腔中，實(shí)現(xiàn)自數(shù)字化。圖1（c）顯示了從記錄油相觸發(fā)水相去潤(rùn)濕過程的視頻中獲得的一系列幀。這些圖像說明了油相觸發(fā)、結(jié)構(gòu)差異化去潤(rùn)濕過程的定性特征，并且與數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果非常吻合。

圖1 油相觸發(fā)的NMA芯片去潤(rùn)濕機(jī)制示意圖

圖2 NMA芯片樣品數(shù)字化操作流程示意圖

將NMA芯片用于液相樣品快速離散化的一般操作過程如圖2所示。首先，用膠帶密封芯片的進(jìn)樣口，然后將密封的芯片置于真空環(huán)境（-1kPa）中進(jìn)行脫氣處理1小時(shí)，使芯片在封閉的微通道/微腔系統(tǒng)中形成負(fù)壓，如圖2（a）。從真空環(huán)境中取出芯片后，立即將裝有水相樣品的移液器吸頭插入芯片的入口，同時(shí)在芯片儲(chǔ)油池添加適量油相（~250μL），如圖2（b）。在芯片中產(chǎn)生的負(fù)壓驅(qū)動(dòng)下，樣品溶液會(huì)被自動(dòng)吸入微通道并迅速填充封閉系統(tǒng)中的所有可用空間，包括微通道和微腔，如圖2（c）。大約40s，樣品完成填充。接著，如圖2（e）所示，將蓋片層從儲(chǔ)油池方向朝著進(jìn)樣口方向慢慢掀起，儲(chǔ)油池中油相在蓋片層和結(jié)構(gòu)層之間的毛細(xì)力作用下，自動(dòng)覆蓋到結(jié)構(gòu)層上表面，基于油相和水相液體對(duì)微結(jié)構(gòu)層疏水表面不同的浸潤(rùn)性和芯片結(jié)構(gòu)差異性，油相在微通道和微腔中產(chǎn)生了不同的壓力，這種壓力差使微通道中水相液體自動(dòng)斷裂，并被推入相連微腔，導(dǎo)致液樣分散至各微腔中，實(shí)現(xiàn)水相樣品液的離散化，如圖2（f）。

該技術(shù)無需依賴精密的泵閥驅(qū)動(dòng)和復(fù)雜的表面親疏水圖形化制作，也無需復(fù)雜的宏-微接口，避免了液樣離散化操作對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的依賴，可簡(jiǎn)便、快速實(shí)現(xiàn)液樣的均一、低成本的離散化處理；同時(shí)，基于NMA芯片的樣品離散化方法可以實(shí)現(xiàn)芯片中填充水相液樣的近乎完全離散化，相比現(xiàn)有的液體離散化系統(tǒng)，大大降低了樣品的損耗率；另外，該方法基于網(wǎng)格化微腔陣列幾何結(jié)構(gòu)結(jié)合液體去潤(rùn)濕效應(yīng)作用實(shí)現(xiàn)自發(fā)離散化的方式，既避免了傳統(tǒng)液滴乳化方法離散化效果易受流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)波動(dòng)性影響的問題，也無需添加表面活性劑來維持離散化液滴的穩(wěn)定性，避免了外加試劑對(duì)反應(yīng)體系的影響。研究團(tuán)隊(duì)已將其成功應(yīng)用于數(shù)字PCR、數(shù)字單菌落分析、球形光子晶體合成和阿魏酸球形晶體制備。

圖3 基于模板化去潤(rùn)濕誘導(dǎo)的樣品離散化技術(shù)的幾個(gè)典型應(yīng)用

（a）數(shù)字PCR分析；（b）數(shù)字化單菌落計(jì)數(shù)；（c）光子晶體自組裝；（d）球形結(jié)晶。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c04728

審核編輯 ：李倩