基于液滴的高速被动泵送微流控装置递送系统

摘要

一种新型的微流控系统已利用被动泵送现象和用户可控的流体输送系统开发而成。鉴于其成本低、操作简便、体积精确、速度快、可重复性和自动化等优点，该微流控系统有望广泛应用于多种生物学领域。

摘要

一种新型的微流控系统已被开发出来，该系统结合了被动泵送现象以及由用户控制的基于液滴的流体输送系统。被动泵送是指由表面张力引起的压差驱动封闭通道内流体运动的现象。自动流体输送系统由一组电压控制的阀门组成，这些阀门带有连接至流体储液池和控制系统微喷嘴。这些电压控制阀门能够以高频率、体积精确的方式将流体液滴输送至微流控装置的入口。根据本研究示例中展示的通道尺寸，该系统能够实现每分钟4毫升的流速（通过横截面为2.2 mm × 260 μm的通道）。在相同通道尺寸下，通道内某一点的流体交换可在低至8毫秒内完成。研究发现，系统动量（由阀门产生的液滴与通道内流体速度共同赋予）与液体表面张力之间存在相互作用。动量为流体流动提供速度（反之亦然），而入口处表面张力的平衡则可使流动突然停止。这种突然停止使用户能够控制通道内的流动特性，从而为多种生物学应用打开了可能性，范围涵盖试剂输送至药物-细胞相互作用研究。此外还观察到，当喷嘴以较小角度对准入口时，液滴动量可引发其他有趣的流体现象，例如在入口处多个液滴的混合。

方案

在本报告中，我们展示了一种流体输送方法，该方法利用微小液滴的表面张力将特定体积的液体泵入微流控通道，以实现多种不同的流体现象。例如，用户可能希望尽可能快速地驱动单一液体流动，或快速连续输送多种液体以形成特定的流体模式。为此，用户必须首先构建一个基于微流控装置的应用系统。该微流控装置无需封合，但应由亲水性材料制成。因此，该方法几乎适用于任何类型的微流控装置，其性能主要取决于微流控通道的几何限制。为了帮助理解该方法的几何约束条件，本文首先介绍了相关的数值分析基础。

1. 分析方法：根据拉普拉斯定律和沃尔什本定律[1]，可以将微流控通道内的流速与其尺寸及流体性质关联起来，如公式（1）所示，
   (1)
   其中ΔP为入口与出口之间的压差，γ为液体表面张力，R为入口液滴半径，Q为流速，K为流体阻力，其表达式见公式（2），
   (2)
   其中η为液体黏度，L₀为通道长度，h为通道高度，w为通道宽度，λ=w/h，且当λ >4.45时，g (λ) =1.5；
   
   当λ < 4.45时。将公式（2）代入公式（1），并始终假设h (3)
   通过已知Q=VA（其中V为流体平均流速，A为横截面积hw），可对通道内流体速度进行相同分析。将这些代入公式（3），可得公式（4），
   (4)
   微流控生物学中一个重要的力学概念是剪切应力，其与流速和流速的关系由公式（5）给出：
   (5)
   了解流速、流速与其物理效应之间如何依赖于通道尺寸和流体性质的关系，对于针对特定用途设计微流控装置至关重要。一旦装置构建完成，用户必须校准流体输送系统，以在装置内实现所需的流动特性。
2. 设置与校准输送系统的步骤：
   1. 采用软光刻技术，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS，Sylgard 184，Dow Corning）[2]制备微流控装置。JoVE已有若干文章详细介绍了PDMS微流控装置的制备方法[5]。本演示中选用一个简单的直通道，其尺寸如下：2.2 mm宽、10 mm长、260 µm高。入口和出口直径分别为1.8 mm和5.1 mm（图1）。通过将PDMS装置压在玻璃片（或其他合适基底）上并挤出气泡，实现PDMS装置与玻璃片的可逆粘附[5]。可逆粘附使装置可多次重复使用。该方法也可用于永久键合的装置，但非必需。
   2. 向装置中注入液体。PDMS的疏水性和玻璃的亲水性有助于将置于入口或出口的液滴引入通道。若液滴无法自行进入通道，或有气泡进入通道，用户可在入口或出口处放置液滴，并在另一端使用移液器将液体抽吸通过通道。另一种促进液体进入通道的方法是将PDMS装置从玻璃片上分离，用乙醇轻轻清洁PDMS装置和玻璃片。此操作可恢复PDMS和玻璃片分别的疏水性和亲水性，这些性质可能因时间和使用而减弱。
   3. 装置充满液体后，在入口处放置一小滴液体，在出口处放置一大滴液体。通过观察入口处小液滴的收缩及液体向出口方向的流动，确认被动泵送正在进行。再次确认通道内无气泡存在。
   4. 使用The Lee Company[3]的VHS微型分配起始套件，组装一个或多个阀门（阀门设置见图2），包括Lee VHS M/2 24伏电磁阀、孔径为0.0100英寸的0.062 MINSTAC喷嘴、Lee 0.062 Minstac至软管接头、Lee脉冲保持驱动器（用于用户控制，图中未示出）以及导线组件（连接阀门与脉冲保持驱动器，图中未示出）。
   5. 一种简便的阀门固定方法是使用Bioscience Tools的微型支架（图2）[4]。通过将阀门粘接到支架一端，并在另一侧使用磁性底座（图中未示出），可在实验过程中精确定位并固定阀门。
   6. 构建一个储液系统，将其置于PDMS微流控装置上方几英尺处（本实验中使用了开口暴露于环境的¾盎司注射器，见图2）。储液系统提供压力头以驱动喷嘴，压力大小与储液器高度成正比。也可通过其他多种方式（例如压缩气体）对喷嘴阀门加压。将注射器针头连接至注射器。典型注射器针头可轻松插入内径为1.14 mm的管路。1.14 mm管路又可轻松连接至内径为1.58 mm（1/16英寸）的管路，后者再连接至阀门的“软管接头”。为防止1.14 mm至1.58 mm管路连接处漏液，可使用PDMS作为密封剂。在注射器针头与Lee公司阀门之间建立通路后，向注射器储液器中注入液体。可额外使用一个注射器和阀门辅助排液过程（图2中显示但未标注）。将磁铁置于阀门侧面，即可完成阀门排液（这些阀门通常为常闭式电磁阀），观察液体从储液器经阀门流出至0.0100英寸喷嘴的过程。
   7. 通过选择阀门开启时间（开启时间为每次脉冲中阀门允许流体通过的时间）和频率（每秒脉冲数）来校准系统。启动一个阀门运行一段时间（约一分钟，记录总运行时间）。称量阀门输送的液体质量。根据总运行时间、频率和每次脉冲的开启时间，计算每次脉冲每毫秒喷出的克数（克/毫秒）。该“克/毫秒”数值可用于确定用户希望阀门输送任意目标体积时所需的开启时间。

示例：系统激活持续一分钟（60 秒）。频率为 15 Hz（每秒 15 次脉冲）。每次脉冲的开启时间为 20 毫秒（ms）。

(20毫秒)(15赫兹)(60秒)=18000毫秒。

这意味着在一分钟的60,000毫秒中，阀门实际开启时间为18,000毫秒。
假设输送的液体体积为5克，则

5 克 / 18000 毫秒 = 2.78e^-4 克/毫秒。

对于水而言，其密度为每毫升（mL）1克，

2.78e^-4 克/毫秒 = 2.78e^-4 毫升/毫秒。

校准后，液滴的体积取决于开启时间。例如，当开启时间为20毫秒，且所有其他参数均与前一个示例保持相同时，

(2.78e^-4 mL/ms)(20 ms) = 5.56e^-3 mL = 5.56 μL。

为确定产生体积为 x 微升（μL）液滴所需的开启时间 y，

(x μL) / [(2.78e^-4 mL/ms)(1000 μL/mL)] = y ms

8) 将一个或多个喷嘴对准PDMS装置的入口（图3）。在系统校准后，根据微流控装置的尺寸计算每个阀门流出的体积。对于高速被动泵送（以获得最大流速），需计算入口液滴的体积，使其在入口表面形成接触角为90度的液滴[2]。对于液滴生成，需计算阀门的频率、开启时间以及按顺序激活两个阀门所需的阀门时序。如图3所示，两个喷嘴均可对准入口。此方法可扩展至多个喷嘴，全部对准通道入口。

代表性结果：

在正确校准、精确计算阀门开启时间并准确将喷嘴对准入口后，用户应能观察到液体被动泵送（图4）。液体会以脉冲形式从阀门喷出并到达入口。当液体到达入口时，入口处的液滴会瞬间向出口方向塌陷进入通道。通道内的液体仅在入口液滴塌陷期间发生移动。液滴塌陷结束后，通道内的液体流动即刻停止，从而实现液体的瞬时停止以及清晰明确的流体边界（在用户输送多种液体的情况下尤为明显）。液滴塌陷的持续时间取决于入口端口的半径和入口液滴的体积[1]。在我们的实验装置与设计中，入口液滴的塌陷过程仅需几毫秒即可完成。

图1. 聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控装置，左侧为一个入口，右侧为一个出口。请点击此处查看图1的放大版本。

图 2. 储液系统与阀门装置。请点击此处查看图 2 的放大版本。

图 3. 两个阀门均对准微流控装置的单一入口。请点击此处查看图 3 的放大版本。

图4. 阀门喷射流体后，入口液滴塌陷过程的时间步序（33毫秒）。请点击此处查看图4的放大版本。

讨论

1. 对于高速被动泵送，如果选择了合适的频率和每脉冲体积（由正确的开启时间决定），用户应观察到入口处似乎存在一个静止的液滴或液壳，同时通道内具有非常快的流速。如果发生溢流，则说明开启时间和/或频率过高。
2. 为了检测动量与表面张力之间的相互作用，用户应逐个施加脉冲，并在脉冲发生期间（从开始到结束）观察通道内的环境。作者建议使用荧光微球，以准确呈现通道内流体的行为。当入口处单个液滴塌陷时，用户应在通道内观察到微球向出口方向移动。使用高速相机时，用户可注意到微球向前（朝向出口）移动一定距离后，在完全且突然停止之前会出现轻微的回流。如果同时观察入口液滴和通道内流体，用户应注意到微球的轻微回流与入口液滴的小幅但突然反弹相对应。这表明在被动泵送的流体中存在动量与表面张力之间的关系，主要体现在入口处输送的液滴中。该动量可能来源于阀门传递给入口液滴的动量，或由液滴塌陷所产生的动量。无论哪种情况，该动量都会转化为通道内流体的速度。动量及其影响是未来需要进一步研究的内容，可能具有多种潜在应用。
3. 如果喷嘴以非常浅的角度对准入口，液滴的动量可能导致液滴塌陷现象发生多种变化。例如，若在液体中使用染料，用户可能观察到入口处液体产生涡旋，从而看到染料混合而非单一颜色的...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Sylgard 184 有机硅弹性计底座	道康宁	MSDS 编号：01064291
Sylgard 184 有机硅弹性计固化剂	道康宁	MSDS 编号：01064291
VHS 微量分配入门套件	The Lee Company	IKTX0322000A
微型支架	生物科学工具	MH-2
LabVIEW	National仪器		控制系统
1.14mm 内径管	Scientific Commodities Inc.	BB31695-PE/7
1.57mm 内径管	Scientific Commodities， Inc.	BB31695-PE/10
20 mL BD™Luer-Lok 针尖注射器，非无菌	Biosciences	301032
http://www.theleeco.com. http://www.biosciencetools.com/Catalog/mHolders.htm.