无金属电极的微流控液滴皮升注射

本实验的总体目标是设计、制备并利用微流控芯片，实现将试剂精确且可控地注入油包水液滴中，该过程称为皮升注射（pico injection）。首先，设计一种具有乳液通道的装置，该通道逐渐变窄，其直径小于球形液滴的直径，从而使液滴在惰性载油中均匀分布。第二步，将水相和油相液滴引入装置，并流向注射位点。

一个垂直通道，用于注入待注射的试剂。随后，当液滴通过注射位点时，向注射流体施加高电压，以促使液滴与注射流体融合。实验结果表明，通过调节所加电压的大小，可实现对皮升级体积试剂的精确控制。该技术源于简化器件制备过程的需求，其优势在于无需使用金属电极。

与现有技术相比，本方法的优势在于装置设计、制造和使用的简便性。先前方法中使用的金属电极在制造过程中容易断裂，并且对通道内的灰尘和碎屑较为敏感。通过消除电极，我们使装置更加耐用，并提高了制造效率。第一步是根据实验需求设计一款微流控芯片。

使用计算机辅助设计软件进行此步骤，以便后续采用光刻技术。该芯片设计中的乳化通道小于将要使用的球形液滴，以实现更有效的皮升级注射。皮升级注射位点基于文献中报道的设计，但去除了金属电极。

附加通道可作为法拉第护城河，使上游液滴免受电场干扰。设计完成后，采用软光刻技术制备器件，随后将器件键合至玻璃载玻片上，即可投入使用。准备一个空气压力控制泵，用于对含有液体的储液池加压。

通过调节泵的输出，使加压空气经由一段内径为2.7毫米的聚乙烯管排出。将管子末端套在注射器针头后端的乳头状接口上。用环氧树脂密封注射器与管子之间的间隙后，使用适合实验的试剂安装一根27.5号针头。

制备均匀的乳液，其中水相液滴悬浮于载油中。将乳液装入配备27.5号针头的1毫升注射器中。然后将注射器固定在注射泵上，并使针头朝上放置。

下一步是准备引入微流控装置及其储液池的试剂。取一个15毫升离心管及管盖，使用皮肤组织打孔器或其他合适的工具，在管盖上打三个直径为0.5毫米的孔。

准备一根直径为0.5毫米、长度比离心管长出几厘米的金属丝电极。将该电极插入管盖的一个孔中，确保其到达管底，并在顶部伸出几厘米。

接下来，准备一段长约20厘米的聚乙烯管。将其插入第二个孔中。同样，应使其延伸至剩余孔中试管的底部。

取一段长约2.5厘米的聚乙烯管。该管将位于液面之上。在瓶盖顶部涂抹紫外光固化环氧树脂，以密封缝隙。

当固化完成后，用所需的皮升注射液（此处为 100 毫摩尔氯化钠）填充毛细管，并拧紧盖子。将气压控制泵的输出端连接到盖子中较短的一段管路上。通过将针头插入管腔，针头应能紧密贴合。

将离心管放入其支架中。取一支1毫升注射器，吸入1摩尔氯化钠溶液。连接一根27.5号针头作为法拉第护沟液的导流装置，并将注射器固定在注射泵上。

用另一支1毫升注射器吸取载流间隔油。连接27.5号针头，并将其固定在注射泵上。此时可将注射器与微流控芯片连接。

首先，确保芯片固定在平坦的表面上。接着，将注射流体容器的长管开口端引至芯片处。将此管连接到微流控芯片上的皮升注射流体入口端口。

然后将聚乙烯管连接到装有氯化钠的注射器，并将其延伸至芯片。将管路连接到法拉第护沟的进样口。同时，使用管路将装有载液油的注射器连接到装置上的相应进样口。

将来自乳液出口端口的管路终止于收集容器中。最后，使用管路将法拉第槽的出口端口连接至一个不导电且电学隔离的容器。最终，微流控芯片的连接状态如下图所示。

现在取一根导线，将其一端连接至高压放大器的接地端，另一端延伸至盛有氯化钠溶液的注射器针头处。使用鳄鱼夹将导线固定在针头上。再取另一根导线，将其一端连接至放大器的高压输出端，另一端延伸至浸没在皮升注射液中的电极。

使用鳄鱼夹将连接作为放大器的输入。使用由软件控制的波形发生器的计算机输出。通过以每小时100微升的速度向装置引入1摩尔氯化钠法拉第微粒流体，开始系统的灌注。

随后，启动液滴、乳液和载油，使液滴以载油间隙分隔，定期通过皮升级注射器。调节施加于皮升级注射流体的压力，使流体在皮升级注射孔口处凸入液滴通道，但不脱离形成独立液滴。使用波形发生器产生频率为10千赫兹、振幅为0至10伏的交流信号，并通过高压放大器将其放大一千倍。

为了实现皮升级注射，当液滴通过注射孔时，将此信号施加于液滴，并以振幅作为参数。本视频展示了根据荧光染料的存在与否对液滴进行选择性注射的过程。

在此情况下，每秒有 200 个液滴通过注入器，但若采用合适的液滴检测机制，每秒最多可达 10,000 个液滴。这些图表显示了不同摩尔浓度注入液在不同施加电压下的注入体积分数。据认为，较高的电压会导致聚并现象更早发生，从而延长注入持续时间并增加注入体积。

该二维热图展示了离子溶液摩尔浓度与实现特定注射体积所需电压之间的关系。由于低摩尔浓度溶液更容易降低注射位点的电场强度，因此需要更高的电压。观看本视频后，您应能够充分理解如何快速、稳定地设计和制备微流控装置，以实现向液滴中精确且可控地注入试剂。

请务必注意，操作高电压可能极其危险，应始终采取适当的预防措施，例如正确接地、佩戴个人防护装备以及使用内置的故障保护装置。