北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院劉趙淼教授課題組在英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)期刊《RSC Advances》上發(fā)表最新綜述成果——基于微流控系統(tǒng)的分子濃度梯度生成方法（Concentration gradient generation methods based on microfluidic systems）。該文章的主旨聚焦于微流控技術(shù)的重要應(yīng)用——分子濃度梯度，歸類總結(jié)了利用微流控系統(tǒng)生成分子濃度梯度的不同方法。總體上，根據(jù)濃度生成通道中有無流動(dòng)液體的剪切作用將生成方法分成兩種，每一種方法又可以依照多種不同原理或結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，文中針對(duì)每種方法的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、濃度形成機(jī)理、理論計(jì)算公式、適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行了詳細(xì)闡述與比較。

近年來，微流控技術(shù)已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，其中很重要的一部分就是分子濃度梯度的生成，事實(shí)上，大部分涉及到活性、效率和毒性檢測的生化反應(yīng)都需要試劑的不同濃度梯度，包括細(xì)胞在培養(yǎng)液中的生長、遷移和應(yīng)激抵抗，重金屬毒性檢測，粒子或纖維等材料制備，生物酶活性檢測，蛋白質(zhì)在線表達(dá)等。此外，通過精確復(fù)制生物體內(nèi)液體的各種濃度變化曲線，可以在體外環(huán)境下模擬不同細(xì)胞的活動(dòng)狀況，有助于更加方便且深入地了解人體工作機(jī)制，以及探究炎癥、傷口和癌癥等病癥下的藥物傳遞效果和生物修復(fù)機(jī)理，這也是濃度梯度最重要的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)宏觀尺度的濃度生成方法難以達(dá)到細(xì)胞尺度的精度控制，試劑消耗量大，且無法按需生成不同變化規(guī)律的濃度梯度，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在生化檢測等應(yīng)用需求。微流控技術(shù)的精準(zhǔn)流動(dòng)控制正好可以解決這些問題，因此在分子濃度梯度生成方面發(fā)揮出越來越重要的作用。

論文主體部分沿著時(shí)間軸線逐一回顧了幾種用于生成分子濃度梯度的微流控方法。最早被提出的是“圣誕樹形”的流動(dòng)結(jié)構(gòu)（如圖1所示），該方法生成效果穩(wěn)定，使用范圍廣，但是生成中伴隨的剪切作用會(huì)對(duì)一些生化檢測產(chǎn)生干擾，同時(shí)該結(jié)構(gòu)占用芯片的空間較大。一些研究對(duì)這些缺陷進(jìn)行改進(jìn)，通過在液體流動(dòng)通道和濃度生成腔之間加入阻擋結(jié)構(gòu)，極大地減弱了流動(dòng)剪切產(chǎn)生的影響，而通過重新設(shè)計(jì)分流通道的交匯結(jié)構(gòu)可以減少通道的分裂級(jí)數(shù)，芯片的占用面積得到減少。

圖1 “圣誕樹形”流動(dòng)結(jié)構(gòu)

“薄膜”結(jié)構(gòu)（如圖2所示）的加入可以完全阻隔流動(dòng)液體的通過，只允許高低濃度液體中分子的擴(kuò)散，從根本上去除了流動(dòng)剪切作用的存在。這種結(jié)構(gòu)要注意流動(dòng)速度的控制以及源頭液體的更換，否則，長期分子交換的積累會(huì)改變初始液體濃度，導(dǎo)致分子濃度梯度的變化。“壓力平衡”結(jié)構(gòu)包含液體流動(dòng)部分和分子擴(kuò)散部分，液體流動(dòng)部分的壓力調(diào)節(jié)平衡之后可以保證濃度生成腔中只存在分子擴(kuò)散作用，而流動(dòng)剪切作用只會(huì)停留在液體流動(dòng)通道中，該方法集合流動(dòng)通道的快速傳遞和濃度生成腔的無剪切作用兩者優(yōu)點(diǎn)，為未來微流控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種新的思路。

圖2 “薄膜”結(jié)構(gòu)

文中最后總結(jié)了近幾年興起的“液滴”兩相流技術(shù)（如圖3所示），也是之前文章中較少進(jìn)行全面總結(jié)的研究內(nèi)容。液滴兩相界面的包裹特性天然屏蔽了外部流動(dòng)液體的干擾，保證內(nèi)部環(huán)境的相對(duì)獨(dú)立，雖然內(nèi)部流場的研究表明，離散相在液膜的作用下存在旋轉(zhuǎn)渦，但是由此帶來的剪切作用非常微弱，與前述的流動(dòng)剪切作用不在一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)液滴的離散體積也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)結(jié)果的定量檢測，這也是液滴兩相流技術(shù)的顯著優(yōu)勢。

圖3 “液滴”兩相流結(jié)構(gòu)

得到的主要結(jié)論為，流動(dòng)液體在通道中生成濃度梯度的速度較快，該方法適用于生成動(dòng)態(tài)濃度梯度，但會(huì)伴隨較大的剪切力；濃度梯度生成腔內(nèi)無流動(dòng)液體的生成方法可以避免剪切作用的影響，但是更適合靜態(tài)濃度梯度的生成；利用液滴的多相流系統(tǒng)可以提供封閉的微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)液滴內(nèi)部較小的剪切作用，但是同時(shí)要求精確的液滴生成和控制技術(shù)。具體應(yīng)用中針對(duì)不同培養(yǎng)或檢測方面的需求來選取適用的濃度梯度生成方法，并將多種生成方式進(jìn)行結(jié)合，以規(guī)避單一結(jié)構(gòu)的缺陷，提高濃度梯度生成系統(tǒng)的精度和適用效果。

本文相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金的資助，論文第一作者為2015級(jí)博士生王翔，劉趙淼教授為論文的唯一通訊作者，課題組逄燕老師為論文的共同作者。劉趙淼教授課題組在液滴生成、液滴融合、粒子分選等方面已開展系列研究，相關(guān)成果發(fā)表在Lab on a Chip，Soft Matter，Microfluidics and Nanofluidics，RSC Advances，Experiments in Fluids等國際期刊，表明該課題組在國內(nèi)外同行中影響力的逐步提升，以及北京工業(yè)大學(xué)流體力學(xué)學(xué)科的穩(wěn)步發(fā)展。

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http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/ra/c7ra04494a