【引言】

近幾十年來，微型化的概念在生物及化學(xué)分析領(lǐng)域發(fā)展迅速。液滴能夠?qū)⒎磻?yīng)物分離，用于模擬與宏觀反應(yīng)體系類似的各種過程，因而在微型化生物/化學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。液滴微陣列具有高通量、體積精確可控以及高兼容性等很多優(yōu)點(diǎn)，因此在微型化高通量應(yīng)用領(lǐng)域中具有光明的發(fā)展前景。

近日，卡爾斯魯厄理工（KIT）的Pavel Levkin（通訊作者）等人在Adv. Mater.上發(fā)表題為“Droplet Microarrays: From Surface Patterning to High-Throughput Applications”的綜述文章。文中系統(tǒng)闡述了最近幾年發(fā)表的二維液滴微陣列的制備及潛在的應(yīng)用，包括細(xì)胞篩選、粒子組裝、傳感器制備以及化學(xué)合成等等。此外，他們對該領(lǐng)域目前存在的問題及其他潛在應(yīng)用等進(jìn)行了展望。

【簡介】

微流控技術(shù)為生化研究提供了多種可能性。但由于小分子具有較強(qiáng)的擴(kuò)散性，因此無法完全隔絕連續(xù)相與非連續(xù)相間的物質(zhì)交換，從而具有潛在的污染問題。孔板結(jié)構(gòu)中的物理間隔能夠阻礙化學(xué)及光學(xué)交叉，從而為解決平行反應(yīng)間的污染問題提供了解決方案。只需對孔板進(jìn)行簡單的標(biāo)記，就能夠平行進(jìn)行多種化學(xué)反應(yīng)。但對于大規(guī)模的孔板檢測來說，需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備進(jìn)行反應(yīng)物的添加。此外，隨著高通量需求的加強(qiáng)，孔板的微型化面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在圖案化浸潤性表面構(gòu)筑二維液滴微陣列能夠阻止液滴間的物質(zhì)遷移及融合，為高通量檢測等應(yīng)用提供了新的研究思路。液滴微陣列的形狀可任意設(shè)計(jì)，尺寸可降至微米/納米級別，并且整個(gè)過程不需要引入表面活性劑。此外，該體系屬于開放體系，能夠直接借助各種表征手段進(jìn)行化學(xué)分析。

圖1不同高通量篩選方法：A，微流控技術(shù)；B，孔板技術(shù)；C，液滴微陣列技術(shù)。D，液滴微陣列技術(shù)的優(yōu)勢。

2 細(xì)胞篩選及培養(yǎng)

細(xì)胞篩選在諸如制藥等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著對篩選通量要求的提高，人們提出了細(xì)胞微陣列的概念。對于常規(guī)的細(xì)胞微陣列方法，交叉感染是一個(gè)非常嚴(yán)重的問題，并且細(xì)胞陣列的密度以及通量受到限制。液滴微陣列為細(xì)胞的高通量陣列化提供了完美的解決手段。每個(gè)微液滴可看做獨(dú)立的細(xì)胞培養(yǎng)基，從而能夠保證高通量的情況下完全避免交叉感染。利用液滴微陣列技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的高通量篩選、單細(xì)胞陣列的制備及培養(yǎng)、以及三維細(xì)胞培養(yǎng)等。

圖2 液滴微陣列在細(xì)胞方面的應(yīng)用。A，細(xì)胞高通量篩選；B，單細(xì)胞分離；C，三維細(xì)胞培養(yǎng)。

3 水凝膠陣列化制備及應(yīng)用

水凝膠是一種以水為分散介質(zhì)的網(wǎng)狀交聯(lián)聚合物，可以為細(xì)胞生長提供適宜的微環(huán)境。與在二維平面細(xì)胞培養(yǎng)相比，水凝膠更能模擬體內(nèi)細(xì)胞生長的真實(shí)環(huán)境。利用液滴微陣列，可以實(shí)現(xiàn)微型化水凝膠基質(zhì)的高通量陣列化制備，從而可用于細(xì)胞培養(yǎng)及復(fù)雜微環(huán)境的篩選。水凝膠的尺寸取決于親水點(diǎn)的大小，并且可形成自支撐微團(tuán)，比塑料孔板更加靈活及實(shí)用。

圖3 基于液滴微陣列的水凝膠陣列用于細(xì)胞培養(yǎng)

4 納米粒子自組裝

由于納米粒子具有獨(dú)特的尺寸依賴效應(yīng)，制備具有特定維度的納米粒子陣列對于基礎(chǔ)研究及工業(yè)生產(chǎn)都具有十分重要的意義。目前來說，復(fù)雜形貌的大面積二維粒子圖案化制備仍是極大的挑戰(zhàn)。結(jié)合液滴微陣列技術(shù)，利用納米粒子分散液在圖案化浸潤性基底表面的不連續(xù)去浸潤過程可以制備分散液的微陣列。待溶劑蒸發(fā)完成后，可實(shí)現(xiàn)大面積、形貌規(guī)則可控的納米粒子組裝體制備。此外，結(jié)合噴墨打印技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)三維納米微結(jié)構(gòu)的制備。

圖4 親疏水圖案化基底用于納米粒子自組裝

5 液液界面在化學(xué)反應(yīng)及檢測中的應(yīng)用

液液界面對于萃取、催化及膠體化學(xué)等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用。然而對于液液界面的面積及形狀的控制仍十分困難，且僅限于完全不互溶的兩相界面。利用圖案化浸潤性基底形成的液滴微陣列能夠形成各種復(fù)雜形狀的兩相界面，為該問題提供了很好的解決辦法。例如，首先利用醋酸銅水溶液在圖案化浸潤性表面上的各向異性去浸潤過程制備水相液滴微陣列，然后將該基底浸入苯三酸的辛醇溶液中。此時(shí)，MOFs的成核和生長過程僅發(fā)生在水/油相界面處，從而可以通過相界面形狀控制MOFs納米束的宏觀形貌。此外，由于微液滴陣列具有樣品消耗量小、擴(kuò)散速度快、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，因而能夠容易實(shí)現(xiàn)大量平行分析及檢測過程的實(shí)施。

圖5 液滴微陣列制備的可控液液相界面用于化學(xué)合成反應(yīng)

6 結(jié)論及展望

實(shí)驗(yàn)過程的平行化和微型化是生物、化學(xué)、制藥、生物工程等領(lǐng)域發(fā)展的主流方向。其中，微型化過程能夠顯著加速分析過程，減少實(shí)驗(yàn)樣品的消耗。目前主流的篩選方法是利用96或384微孔板，而這會(huì)導(dǎo)致化學(xué)試劑、細(xì)胞及實(shí)驗(yàn)耗材的巨大浪費(fèi)。微孔板技術(shù)需要昂貴的自動(dòng)化系統(tǒng)，這也限制了其廣泛應(yīng)用。此外，通過縮小孔的體積使孔板進(jìn)一步微型化也不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)楫?dāng)體系尺寸足夠小時(shí)，毛細(xì)力及表面張力發(fā)揮的作用越來越顯著。反過來想，利用表面張力及毛細(xì)力能夠控制液滴在圖案化表面的形貌及位置，這為液滴的微型化提供了新思路。液體在浸潤性圖案化表面能夠發(fā)生非連續(xù)去浸潤行為，形成大量的體積及形貌可控的微液滴陣列。該過程不需要昂貴設(shè)備，并且操作簡便易行，必將在多種應(yīng)用領(lǐng)域具有十分光明的應(yīng)用前景。

液滴微陣列技術(shù)也存在著不少問題，未來發(fā)展方向主要包括基底表面的化學(xué)性質(zhì)及表面形貌精確可控，所制備微液滴體積的重復(fù)性。此外，當(dāng)制備的微液滴體積足夠小時(shí)，蒸發(fā)效應(yīng)會(huì)變得十分顯著，這也是需要考慮及解決的重要問題。

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