基于毛细管的离心微流控装置用于可控尺寸的单分散微液滴生成

本实验的总体目标是利用基于毛细管的离心轴对称同向流动微流控装置，生成单分散的水相和油相微滴，用于生物学研究。该方法有助于在生物化学领域制备单分散微滴，推动合成反应、单分子PCR、单细胞包封以及活细胞简化建模等方面的研究。该技术的主要优势在于操作简便且可调节。

所需样品溶液不足一微升，即可生成所需尺寸的单分散微液滴。演示该实验步骤的是我实验室的博士后 Morita。基于毛细管的微流控装置组装首先需准备毛细管支架。

首先使用铣床从厚度为 2 毫米的聚乙酰塑料板上铣出四个圆盘。这些圆盘用于构成由杆和螺钉支撑的柱状结构。使用 M.2 螺钉将圆盘组装起来。

首先，从圆盘一和圆盘二组装支架的底部。然后，通过在螺纹部分切割来缩短螺丝。连接四个孔中的三个，以固定两个圆盘，形成一个0.9厘米高的堆叠结构。

同样，使用第三和第四片圆盘组装支架的上半部分。利用每片板上的两个孔将板连接在一起。使堆叠高度为 0.7 厘米。

现在，使用一根长螺丝将支架上部的两个空孔与支架下部的两个空孔连接起来。长螺丝应在支架之间留出约两到三毫米的间隙，且螺丝头部应超出组装完成的支架约2.2厘米。每次实验均需使用一组由两根毛细管新制作的毛细管组件。

使用玻璃切割器从一根90毫米的毛细管制作两根内毛细管，切成两个等长的片段；从一根150毫米的毛细管制作三段内毛细管片段。

接下来，使用玻璃拉制仪将每根毛细管段进行拉尖。将拉制仪的重量设置为最大值，外层毛细管的加热温度设为60–70度，内层毛细管则设为70–80度。然后，小心地对玻璃进行拉尖处理。

将毛细管收缩部分的长度保持在建议范围内。如果尖端过长或过短，需调节加热元件，直至达到合适的长度。现在，准备切割尖端。

首先，使用透明胶带将毛细管固定在显微镜载物台上，使毛细管尖端悬垂于物镜下方。其次，利用包有玻璃珠的铂金丝，分三步切断毛细管尖端。

首先，将毛细管需要折断的位置接触冷珠。其次，加热铂丝一到两秒钟。然后，通过冷却铂丝将尖端切断。

此操作应使用脚踏板控制来加热金属丝。现在，使用微电极拉制仪调整毛细管开口的直径。对于两侧的玻璃毛细管，将其开口直径调整为 60 微米。

对于三个内层毛细管，分别制作直径为5、10和20微米的孔口。为了生成微滴，首先将含有表面活性剂的油（例如含2%（重量比）司盘80的十六烷）注入外层玻璃毛细管中。然后向毛细管中加入10微升该溶液。

然后，将装有样品的毛细管固定在支架的下部。接着，利用毛细作用，将约 0.1 µL 的水溶液吸入内层玻璃毛细管中。将装有样品的内层毛细管放置于支架的上部。

现在，将内层毛细管穿过固定装置并插入外层毛细管中。在显微镜下观察尖端的同时，旋转固定装置上的长螺钉，缓慢而小心地将内层毛细管推进外层毛细管中。推进内层毛细管，直至外层毛细管的直径处于100至150微米之间。

现在，将100微升含有表面活性剂的相同油样加入一个1.5毫升微量离心管底部。该离心管将用作微液滴收集管。小心地将支架和毛细管放入已加入样品的微量离心管中。

确保外层毛细管不与微量离心管中的溶液接触。然后将试管放入台式摆动转子离心机中。为生成微滴，以1,600 ×g离心力运行离心机一到两秒。

然后，从管中取出毛细管和支架，并吸取管内收集的水-油微滴样品。将微滴排出至载玻片上，进行成像分析。采用本方案，使用含2%司盘-80的十六烷制备了多种水-油微滴。

使用孔径直径为5微米的内移液管制备的液滴，其平均直径为8.3微米。使用孔径直径为10微米的内移液管制备的液滴，其平均直径为12.7微米。使用孔径为20微米的内移液管制备的液滴，其直径约为17.9微米。

因此，该方法可生成单分散的微液滴，其直径接近内层毛细管孔口的尺寸。观看本视频后，您应能够充分掌握如何制备并调控单分散水相和油相微液滴的尺寸，以用于定量化学实验。一旦熟练掌握，若操作得当，该技术可在5至10分钟内完成。