微流控芯片技术：液滴微流控的成功案例

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：使用微液滴芯片可能胜任的挑战不仅在于分析单细胞，还包括高通量实现数千个独立单细胞的并行分析，这也是液滴微流控芯片非常适合的一项工作。液滴微流控系统也为核酸扩增提供了一个良好的技术平台。此外，液滴微流控芯片平台也应用于功能性生物材料的合成，特别值得关注的是，使用液滴模板的水凝胶被用于包裹细胞、酶、DNA，甚至微生物。

随着液滴生成和操控技术的发展，包括使用微流控结构进行液滴的合并、拆分或注入，以及越来越多检测技术的引入，液滴微流控系统将拥有更加多样化、集成化和自动化的功能，并得到更多应用。

使用微液滴芯片可能胜任的挑战不仅在于分析单细胞，还包括高通量实现数千个独立单细胞的并行分析，这也是液滴微流控芯片非常适合的一项工作。微流控芯片技术可以加工与细胞同样大小的液体，这意味着可以大规模、直接和快速地大规模安置、探测、操纵和分选细胞。早期的研究主要集中于在芯片上实现细胞培养、冷冻、解冻、溶解、电穿孔，以及在液态和凝胶液滴中的培养和基因传递。但是，基于液滴的单细胞实验的真正威力在于能够以高度并行的方式进行极其详细和快速的实验。亮点的进展包括：基于液滴开展单细胞RNA测序；单细胞基因组、蛋白表达；代谢物分析。在分化、信号传导和疾病的分子差异研究中，单细胞差异已引起关注，并伴随着借助液滴条形码实现测序以及对多细胞生物的细胞图谱构建。另外，液滴介导的单细胞实验也在酶的定向进化方面取得了成效。例如，基于液滴方法有助于大规模筛选辣根过氧化物酶，结果显示，可以筛选到催化效率提高10倍以上的新的突变体。

液滴微流控系统也为核酸扩增提供了一个良好的技术平台。在这个方面，最引人注目的应用是数字液滴PCR(ddPCR)，它能够基于对大量单液滴腔室内PCR反应的统计分析，对特定的核酸序列进行低至单一复制水平的高灵敏检测。简而言之，ddPCR涉及将一个样本分离成数百万个更小的体积，从统计上讲，这些体积要么是空的，要么包含目标核酸的单一复制。对这些液滴的热循环处理将在每个液滴中只产生最初所包含单一核酸序列的大量副本。相应的，序列识别和定量都是一个简单的计数过程。目前，基于这种方法已经在分子生物学实验室中得到广泛应用。ddPCR还包括一系列复杂的芯片以外操作过程，包括液滴赋予和液滴重新注入。如果采用环介导等温扩增(LAMP)、滚环扩增(RCA)、重组聚合酶扩增(RPA)或者指数扩增(EXPAR)这样的等温扩增技术就可在适当的温度下运行，无须热循环，从而简化上述过程。其中，LAMP以其高灵敏度、高DNA产物以及反应时间短而最受关注。此外，使用液滴LAMP(dLAMP)显示出来比常规LAMP具有更好的抑制剂抵抗能力，以及更适于进行POCT(即时检验)分析的优势。(https://www.chuimin.cn)

与连续流以及在烧瓶中进行合成反应比较，在微液滴进行合成反应的优势在于有组织性，其特点是快速混合、可控制内核颗粒的形成和生长，以及均一的热传导，进而可以合成高质量、可定制的特性材料；同时，可以通过改变单个液滴的化学有效载荷，使一系列复杂的合成过程能在高通量下进行，包括合成金属纳米颗粒(如Au、Ag、Pd)单分散纳米晶体材料、陶瓷纳米材料、纳米复合材料等。研究工作者不仅致力于建立一些高温和包含腐蚀性实际的极端反应条件，还在纳米颗粒成核和生长模型的构建和验证方面开展工作。此外，液滴微流控芯片平台也应用于功能性生物材料的合成，特别值得关注的是，使用液滴模板的水凝胶被用于包裹细胞、酶、DNA，甚至微生物。此外，可以利用液滴来合成蛋白质体，即中空自组装蛋白质结合体，与传统方法比较，这样合成的蛋白质体的大小分布显著降低。

微流控芯片技术：液滴微流控的成功案例

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