近幾十年來，微型化的概念在生物及化學分析領域發展迅速。液滴能夠將反應物分離，用于模擬與宏觀反應體系類似的各種過程，因而在微型化生物/化學實驗中具有廣泛的應用前景。液滴微陣列具有高通量、體積精確可控以及高兼容性等很多優點，因此在微型化高通量應用領域中具有光明的發展前景。
近日，卡爾斯魯厄理工（KIT）的Pavel Levkin（通訊作者）等人在Adv. Mater.上發表題為“Droplet Microarrays: From Surface Patterning to High-Throughput Applications”的綜述文章。文中系統闡述了最近幾年發表的二維液滴微陣列的制備及潛在的應用，包括細胞篩選、粒子組裝、傳感器制備以及化學合成等等。此外，他們對該領域目前存在的問題及其他潛在應用等進行了展望。
【簡介】
微流控技術為生化研究提供了多種可能性。但由于小分子具有較強的擴散性，因此無法完全隔絕連續相與非連續相間的物質交換，從而具有潛在的污染問題。孔板結構中的物理間隔能夠阻礙化學及光學交叉，從而為解決平行反應間的污染問題提供了解決方案。只需對孔板進行簡單的標記，就能夠平行進行多種化學反應。但對于大規模的孔板檢測來說，需要復雜昂貴的設備進行反應物的添加。此外，隨著高通量需求的加強，孔板的微型化面臨著巨大的挑戰。在圖案化浸潤性表面構筑二維液滴微陣列能夠阻止液滴間的物質遷移及融合，為高通量檢測等應用提供了新的研究思路。液滴微陣列的形狀可任意設計，尺寸可降至微米/納米級別，并且整個過程不需要引入表面活性劑。此外，該體系屬于開放體系，能夠直接借助各種表征手段進行化學分析。
圖1不同高通量篩選方法：A，微流控技術；B，孔板技術；C，液滴微陣列技術。D，液滴微陣列技術的優勢。
2 細胞篩選及培養
細胞篩選在諸如制藥等領域發揮著越來越重要的作用。隨著對篩選通量要求的提高，人們提出了細胞微陣列的概念。對于常規的細胞微陣列方法，交叉感染是一個非常嚴重的問題，并且細胞陣列的密度以及通量受到限制。液滴微陣列為細胞的高通量陣列化提供了完美的解決手段。每個微液滴可看做獨立的細胞培養基，從而能夠保證高通量的情況下完全避免交叉感染。利用液滴微陣列技術，可實現細胞的高通量篩選、單細胞陣列的制備及培養、以及三維細胞培養等。
圖2 液滴微陣列在細胞方面的應用。A，細胞高通量篩選；B，單細胞分離；C，三維細胞培養。
3 水凝膠陣列化制備及應用
水凝膠是一種以水為分散介質的網狀交聯聚合物，可以為細胞生長提供適宜的微環境。與在二維平面細胞培養相比，水凝膠更能模擬體內細胞生長的真實環境。利用液滴微陣列，可以實現微型化水凝膠基質的高通量陣列化制備，從而可用于細胞培養及復雜微環境的篩選。水凝膠的尺寸取決于親水點的大小，并且可形成自支撐微團，比塑料孔板更加靈活及實用。
圖3 基于液滴微陣列的水凝膠陣列用于細胞培養
4 納米粒子自組裝
由于納米粒子具有獨特的尺寸依賴效應，制備具有特定維度的納米粒子陣列對于基礎研究及工業生產都具有十分重要的意義。目前來說，復雜形貌的大面積二維粒子圖案化制備仍是極大的挑戰。結合液滴微陣列技術，利用納米粒子分散液在圖案化浸潤性基底表面的不連續去浸潤過程可以制備分散液的微陣列。待溶劑蒸發完成后，可實現大面積、形貌規則可控的納米粒子組裝體制備。此外，結合噴墨打印技術，可實現三維納米微結構的制備。
圖4 親疏水圖案化基底用于納米粒子自組裝
5 液液界面在化學反應及檢測中的應用
液液界面對于萃取、催化及膠體化學等領域具有非常重要的應用。然而對于液液界面的面積及形狀的控制仍十分困難，且僅限于完全不互溶的兩相界面。利用圖案化浸潤性基底形成的液滴微陣列能夠形成各種復雜形狀的兩相界面，為該問題提供了很好的解決辦法。例如，首先利用醋酸銅水溶液在圖案化浸潤性表面上的各向異性去浸潤過程制備水相液滴微陣列，然后將該基底浸入苯三酸的辛醇溶液中。此時，MOFs的成核和生長過程僅發生在水/油相界面處，從而可以通過相界面形狀控制MOFs納米束的宏觀形貌。此外，由于微液滴陣列具有樣品消耗量小、擴散速度快、比表面積大等優點，因而能夠容易實現大量平行分析及檢測過程的實施。
圖5 液滴微陣列制備的可控液液相界面用于化學合成反應
6 結論及展望
實驗過程的平行化和微型化是生物、化學、制藥、生物工程等領域發展的主流方向。其中，微型化過程能夠顯著加速分析過程，減少實驗樣品的消耗。目前主流的篩選方法是利用96或384微孔板，而這會導致化學試劑、細胞及實驗耗材的巨大浪費。微孔板技術需要昂貴的自動化系統，這也限制了其廣泛應用。此外，通過縮小孔的體積使孔板進一步微型化也不現實，因為當體系尺寸足夠小時，毛細力及表面張力發揮的作用越來越顯著。反過來想，利用表面張力及毛細力能夠控制液滴在圖案化表面的形貌及位置，這為液滴的微型化提供了新思路。液體在浸潤性圖案化表面能夠發生非連續去浸潤行為，形成大量的體積及形貌可控的微液滴陣列。該過程不需要昂貴設備，并且操作簡便易行，必將在多種應用領域具有十分光明的應用前景。
液滴微陣列技術也存在著不少問題，未來發展方向主要包括基底表面的化學性質及表面形貌精確可控，所制備微液滴體積的重復性。此外，當制備的微液滴體積足夠小時，蒸發效應會變得十分顯著，這也是需要考慮及解決的重要問題。
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