液滴微流控技术用于各种分析和生物分析应用

据麦姆斯咨询介绍，近年来，液滴微流控技术已在分析和生物分析领域得到广泛应用。在基于液滴微流控的分析过程中，装置内离散成液滴的样本主要通过管道加载，但这种基于管道的样品加载具有处理多样本的可扩展性有限、自动化困难和样本浪费等缺点。虽然自动进样器的进步已经缓解了其中一些缺点，但可以替代基于管道的样品加载技术，提供了一种潜在的有希望的替代方案，但尚未得到充分探索。

为了填补这一空白，来自约翰斯·霍普金斯大学的研究人员开发了一种液滴生成装置，该装置具有新颖的无需管道的样品加载接口（TESLI）。TESLI集成了一个可调节真空和压力源的可编程气动微阀网络，因此可以将连续的亚微升样品直接点样到与大气互通的TESLI入口，然后利用真空注入到装置中，并在最小程度的浪费下，在装置内将样品加压成纳升液滴。此外，相同的真空和压力调节还赋予TESLI清洁和样品切换能力，从而能够具备连续处理多个样品的可扩展性。

无管样品加载和集成液滴装置

TESLI和集成液滴装置的开发有助于简化样品点样、基于TESLI的样品注入和液滴生成以及在线液滴孵化和检测的工作流程。无需将样品预加载到管道中，然后将管道插入入口，而是可以通过移液机器人或移液枪将样本直接点样到与大气互通的TESLI入口上，然后再将其注入装置。此外，一对TESLI被合并在同一装置中，以交替操作并最大限度地减少空闲时间。当一个新样品（Sn）利用真空通过一个TESLI的入口注入到装置中时，另一个TELSI中先前加载的样品（Sn-1）同时被加压到充满油的液滴集成通道中，与此同时，试剂（R）从试剂通道加压进入液滴集成通道，并在此和样品混合以形成纳升液滴。然后，每个生成的液滴都被加压油相向下游推进，以相对于相邻液滴的固定位置进行在线孵育，从而使液滴位置起到独特的条形码作用。最后，随着每个液滴顺序流过装置中的检测区域，定制的激光诱导荧光（LIF）检测器测量来自每个液滴的荧光信号，从而产生用于分析的荧光迹线。

图1 通过TESLI（无需管道的样品加载接口）和集成液滴装置实现了简化的工作流程

图2 具有双TESLI的集成液滴装置。集成液滴装置由两个PDMS层组成：产生、孵育和检测液滴的顶部流体层（填充绿色染料以进行可视化）和底部阀层，其中微阀被驱动以调节液滴的产生和流动（填充用于可视化的红色染料）。

TESLI如何运行

TESLI以4步循环运行：在入口处点样样品，在装置中注入和储存样品，从注入的样品中产生液滴，以及清洁装置中未使用的样品。对于每个新样本，TESLI只需重复循环，从而实现可扩展操作。

图3 TESLI如何运行

清洁效率和死体积的表征

由于每个TESLI在使用过程中需依次注入多个样品，因此必须通过有效清洁将交叉污染的风险降至最低。为此，研究人员评估了3种清洁方案——直接连续去离子（DI）水清洗（图4a）、排气后连续去离子水清洗（图4b）、循环排气和短暂去离子水清洗（图4c）。在启动所有3种清洁方案后，观察到荧光强度立即降低，所有这些都逐渐接近基线，表明有效清洁。然而，为了尽量减少交叉污染，有必要比较荧光强度的微小增加。评估结果表明，后两者的荧光强度恢复到基线强度，而第一个清洗方案的荧光强度保持在基线强度以上，这表明样品存储通道中仍有未清洗的荧光素（FAM）残留物。在清洁有效性相当的后两个方案之间，研究人员选择了第二个清洁方案用于这项工作的其余部分，因为在该方案的循环清洁计划中只需要点DI水1次而不是8次。

图4 清洁效率和死体积的表征

尽管初步结果比较理想，但研究人员开发的该TESLI和集成液滴装置仍有局限性，因此需要进一步的改进。首先，目前该装置需要手动移取样品和去离子水，因此，研究人员设想利用TESLI独特的开放式样品点样能力，并结合移液机器人技术，如OpenLH和其他开源移液系统，以实现完全自动化。此外，研究人员还计划设计一种新的TESLI，通过移液机器人即可在不重复点DI水的情况下进行清洁。另外，研究人员计划将TESLI与基于气动微阀的液滴发生器，尤其是该研究团队之前开发的集成可编程微滴汇编器（iPPA）相结合，该装置可以通过集成基于气动微阀的液滴发生器和基于流动聚焦接头的液滴发生器来生成成千上万个独特的液滴组。这种组合装置可以实现液滴微流控技术前所未有的可扩展性。随着这些未来的改进，TESLI有可能成为液滴微流控中强大的样品加载方法，用于各种分析和生物分析应用。