10 条实现可靠液滴生成的技巧
基于液滴的微流控在药物发现、诊断与材料合成等应用中需要精确的液体控制。本指南给出 10 条最佳实践，帮助在实验中提升液滴/颗粒的稳定性与单分散性。
引言：掌握基于液滴的微流控
基于液滴的微流控是一个多功能应用领域，利用不可混溶的两相流来生成和操控小体积、离散的液体单元。[1] 自 Thorsen 等人在近二十年前首次探索起、并由 H. Stone、D. Weitz、P. Tabeling 等人进一步发展以来，该技术已能稳定地形成尺寸与形状均一的液滴，相较于传统方法（喷雾干燥、离心成滴、超声雾化或体相混合）具有显著优势。[2]
能够批量制备高度均一的液滴，并在其中包封细胞、生物分子和其他材料，使液滴微流控成为药物发现、酶动力学、单细胞测序与组合合成等领域的重要工具。它同样支撑芯片实验室技术，推动个性化医疗、诊断、细胞培养、组织工程与药物递送等方向的发展。[3-7]
尽管潜力巨大，但在稳定性、单分散性以及操作过程中的样品完整性方面仍会遇到挑战。本文提供 10 条核心建议，帮助你更高效地生成液滴、减少排障、并改进成滴表现。
1- 为液滴生成选择合适的微流控芯片设计
微流控芯片的结构设计是控制液滴尺寸与顺利成滴的基础。以下为常见结构（图 1）：[8]
- 同轴结构：连续相在三维通道中包围分散相，便于获得均一液滴并更好地控制成滴，但加工工艺更复杂。[9]
- 并流（Co-flow）结构：分散相在内毛细管内流动，尺寸可控，制造难度低于同轴结构。[10]
- 流体聚焦结构：对向流在狭窄收缩处实现液滴“捏断”，成滴稳定，但制造相对更复杂。[11-12]
- 交叉流结构：两相在 T 形结处相遇，适合低流速与获得较均一液滴，但精细度不及部分其他结构。[2]
- 台阶乳化结构：分散相通过通道突宽处成滴，适合高通量与单分散生成。[13]
几何结构的选择取决于所需的液滴均一性、通量与制造复杂度。并流与交叉流等简单结构易于加工；同轴与台阶乳化虽更复杂，但通常提供更好的控制与精度。
了解 Secoya Technologies 的 RayDrop：将并流与流体聚焦相结合，并配备可更换喷嘴，便于在单重与双重乳液间灵活切换。
2- 为微流控芯片选择合适材料
材料选择会影响器件性能、加工复杂度与可扩展性。主要材料分三类：[14]
- 无机材料（玻璃与硅）：化学相容性、机械刚性与光学透明度优异；但成本高、加工难（通常需光刻与湿法刻蚀）。玻璃器件可清洗复用。[9]
- 弹性体（PDMS）：成本低、制备便捷、柔性好。通常用软光刻成型，并可与玻璃或 PDMS 层键合。但其耐溶剂性较差，限制了某些应用；且易吸附小分子疏水物，可能降低待测物浓度或引入干扰
- 热塑性材料（PMMA、PC、PS、PVC、COC）：可通过注塑或热压实现规模化生产。小批量制作常靠微加工，分辨率不及光刻。部分热塑性材料与弹性体也可 3D 打印，但分辨率有差异。[14,16]
最佳材料取决于应用：玻璃/硅精度高但昂贵；PDMS 灵活易制备；热塑性材料便于量产，但小特征尺寸分辨率较低。
表 1：无机材料、弹性体与热塑性材料特性 [14]（改编自 Elvira, K.S. 等；Lab. Chip 22, 859–875 (2022)）
| 属性 | 无机材料 （玻璃、硅） | 弹性体(PDMS) | 热塑性材料(PMMA, PTFE) |
|---|---|---|---|
| 化学相容性 | 高 | 中 | 中上 |
| 热稳定性 | 高 | 中 | 变化不易 |
| 表面亲水性 | 亲水 | 通常疏水 | 通常疏水 |
| 物理成形 | 激光刻蚀、微加工 | 化学刻蚀 模塑 | 微加工、模塑、激光刻蚀、3D 打印 |
| 制备时间 | 长（流程复杂） | 中（取决于模塑或 3D 打印） | 中（取决于工艺复杂度） |
| 成本 | 高（专用设备与流程） | 中（材料相对便宜，但模塑与 3D 打印成本不一） | 中（取决于材料与工艺复杂度 |
进一步了解如何选择合适的微流控芯片，并深入探索微加工流程的细节。
3- 控制润湿与表面处理
流体与通道表面的相互作用决定哪一相为连续相、哪一相为分散相。通道微小且比表面积高时，界面效应主导流动行为。可通过材料选择或表面改性加以调控：
- 材料选择：选用合适表面性质的材料以获得期望润湿（见表 1）。亲水表面优先润湿水相，利于形成油包水；疏水表面适合水包油。接触角是决定成滴类型的重要因素；超过临界接触角会倾向形成某一类液滴。[14, 16-20]
- 表面改性：当本征表面性质不理想时，可采用等离子体、氧化、硅烷化等方法调节。玻璃经处理后可同时适配油包水与水包油；PDMS 常需处理以维持长期成滴所需的表面性质。[21-23]
合理的材料选择与表面处理（如等离子体、氧化、硅烷化）是实现稳定、可控成滴的关键。
4- 使用表面活性剂稳定液滴
表面活性剂（乳化剂）是两亲分子，可稳定流体-流体界面并短暂改变通道表面。通过更换活性剂，无需额外表面改性即可在同一装置中生成水包油或油包水液滴。[24]
- 作用：常见活性剂包括阴离子类（如 SDS）与非离子类（如 Span 80、Tween 20、PEG）。它们通过短暂改变表面化学来稳定液滴（见表 2）。[25]
- 加入位置：可加入分散相或连续相。加入连续相时，活性剂会迁移至通道/流体界面并形成涂层。常见做法是在引入分散相前先用连续相对装置进行预润。[25,26]
表面活性剂既可稳定液滴、又能暂时改性通道表面，从而实现对成滴过程的精确控制。
表 2：表面活性剂类型及其特性概述。[27,28]
| 类型 | 特性 | 例子 |
|---|---|---|
| 阴离子型 | 亲水基带强负电荷 刺激性与急性毒性潜力较高 | 月桂基硫酸钠（SLS） 十二烷基硫酸钠（SDS） |
| 阳离子型 | 亲水基带强正电荷 常用于化妆品 | 硬脂铵盐类 苯扎铵 季铵盐，如十六烷基三甲基溴化铵（CTAB） |
| 两性型 | 兼具负电与正电 最终电荷取决于 pH 较温和、刺激性低 | 羟基内盐类 椰油基甜菜碱 月桂基甜菜碱 |
| 非离子型 | 亲水基不带电荷 常用于药物递送、生物检测与食品乳化 聚乙二醇 | PEGs 山梨坦类 聚山梨醇酯 吐温与司盘 |
5- 通过压力控制器提升稳定性
精确流量控制对可靠的成滴至关重要。液滴的尺寸与单分散性直接取决于流量精度，因而选择合适的流控方式会显著影响微滴结果质量：
- 注射泵：机械驱动，易产生脉动误差，流量控制精度受限，导致液滴尺寸不一致，反应器体积难以重复
- 基于压力的流量控制器：提供高精度流控、快速响应与连续监测，可消除注射泵常见的脉动误差并保持液滴尺寸一致性。
在微流控成滴中，压力控制器相较注射泵更可靠一致；其精确、无脉动的输送有助于获得更高重复性。
了解压力控制器与注射泵在成滴方面差异的更多信息。
6- 通过流量比优化单分散性
在微流控成滴中，惯性与黏性力的平衡影响液滴尺寸与一致性。相性质与流量等关键参数直接决定液滴的尺寸、形状与结构。毛细数（Ca）尤为重要，可描述流量调整对成滴的影响。[29,30]
- 各相流量与囊体尺寸：分散相（Qd）与连续相（Qc）流量直接关联囊体尺寸。在 Qd 不变时增加 Qc 可减小囊体；Qd/Qc 比是优化尺寸与单分散性的关键。
- 双重乳液与壳层厚度控制：在双乳系统中，通过调节流量可同时控制囊体尺寸与壳层厚度。例如，提高 Qd（壳层相流量）可增厚壳层而不改变囊体尺寸。
优化分散相与连续相的流量比是获得一致尺寸与单分散性的关键。精细调节这些比值可提升成滴的重复性与精度。
7- 实时监测与排障
实时监测有助于及时发现并解决问题，确保结果一致准确。借助流量实时控制软件与高速相机等工具，可持续跟踪关键参数并即时调整。
- 高速相机：与显微镜集成的高速相机可实时观察成滴过程，便于检查液滴尺寸、均一性及潜在的堵塞或不稳定。
- Fluigent Oxygen 软件：支持对流量进行精确的实时控制与监测，可快速调整以维持最佳成滴条件，并提供压力、流量与系统性能等关键数据。
使用上述工具进行实时监控对顺畅成滴至关重要。通过即时发现与排障，可在整个实验过程中保持一致结果并优化性能。
8- 避免气泡以保持系统稳定
微流控系统中的气泡会扰乱流动稳定性、影响响应时间，甚至引起堵塞，导致结果不可靠。气泡来源包括溶解气体、泄漏或 PDMS 等材料的气体渗透性（空气可透过器件壁扩散）。为保持实验顺畅可重复，必须尽量避免产气泡。[31]
- 理解气泡成因：液体中的溶解气体、多孔材料或系统加样不当均可致气泡。PDMS 等材料具有气体可渗性，空气可逐渐在微通道中累积。
- 预防策略：使用前对溶液脱气、选择低渗透材料并采用亲水处理可降低产泡；配置捕泡器或在线脱气器可进一步确保系统无气泡。
在微流控系统中防止气泡是维持稳定可靠流动的关键。通过脱气、选材与捕泡等手段，可显著减少干扰并提升实验准确性。
9- 通过集成配套工具优化微流控系统
配备实用工具可提升系统效率、精度与操作便捷性。集成流体控制阀实现精准进样、根据交联方式优化系统、并使用紫外交联模块，有助于获得更好的包封与稳定性。
- 阀控便捷操作：如 Fluigent L-Switch 等工具可实现微小体积的精准注入，尤其适合稀有或敏感细胞（如干细胞或患者来源样本），既能高效管理有限样品、减少浪费，又能提升实验可控性。
- 针对交联方式优化系统：微囊壳层对保护与功能至关重要。应根据包封工艺匹配相应交联方式：
- 物理固化：明胶、海藻酸盐、壳聚糖等天然高分子可在 pH、温度或离子强度变化下固化。[29,30,32]
- 紫外交联：聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）等合成聚合物可通过紫外或加热交联。PEGDA 具有可调特性，适合生物医学应用。[33-35]
例如，可考虑使用紫外交联模块，通过紫外照射实现聚合物交联；可调节的管路倾角便于收集、减少并滴，从而获得更佳包封效果。
通过阀控进样、针对不同交联方法优化系统并使用紫外交联模块，可提升微流控实验的精度、重复性与效率。这些工具可改进样品处理、稳定包封并获得高质量微囊。
了解我们的液滴生成平台。
10- 保持系统清洁并采用合适清洗流程
洁净的系统对防止堵塞与污染、并在实验中保持一致流动至关重要。合理过滤、规范清洗与维护是确保顺畅运行与可重复结果的关键
- 预过滤与在线过滤：将溶液引入系统前务必过滤以去除可能堵塞通道的颗粒；在回路中加入在线过滤器可实时拦截进入系统的杂质，避免在实验过程中造成阻塞。
- 遵循清洗流程并高效疏堵：根据所用化学品制定清洗方案，定期清洁防止积垢与污染。若发生堵塞（特别是玻璃器件），可通过反向冲洗来清除阻塞，恢复通道功能且不损伤装置。
作为清洁配件的示例，可参见本方案中清洗流量计单元的方法。
结论
在微流控实验中，实现可靠、可重复且顺畅的成滴有赖于精确控制。通过优化流量、防止污染并集成合适工具，可提升结果并简化流程。请大胆尝试并微调系统，以获得最佳性能。
如需更进一步的控制，请关注 Fluigent 的精确流量管理方案与 Secoya Technologies 的 RayDrop 高级成滴技术。我们的方案可助你将实验提升到新水平。
👉 准备好升级您的液滴生成系统了吗？请联系我们的专家或探索我们的微流体压力控制系统。
相关专业领域
1. Shi, N., Mohibullah, M. & Easley, C. J. Active Flow Control and Dynamic Analysis in Droplet Microfluidics. Annu. Rev. Anal. Chem. 14, 133–153 (2021).
2. Thorsen, T., Roberts, R. W., Arnold, F. H. & Quake, S. R. Dynamic Pattern Formation in a Vesicle-Generating Microfluidic Device. Phys. Rev. Lett. 86, 4163–4166 (2001).
3. Chiu, D. T. & Lorenz, R. M. Chemistry and Biology in Femtoliter and Picoliter Volume Droplets. Acc. Chem. Res. 42, 649–658 (2009).
4. Kim, S. C., Clark, I. C., Shahi, P. & Abate, A. R. Single-Cell RT-PCR in Microfluidic Droplets with Integrated Chemical Lysis. Anal. Chem. 90, 1273–1279 (2018).
5. Price, A. K., MacConnell, A. B. & Paegel, B. M. h ν SABR: Photochemical Dose–Response Bead Screening in Droplets. Anal. Chem. 88, 2904–2911 (2016).
6. Teh, S.-Y., Lin, R., Hung, L.-H. & Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab. Chip 8, 198 (2008).
7. Sjostrom, S. L., Joensson, H. N. & Svahn, H. A. Multiplex analysis of enzyme kinetics and inhibition by droplet microfluidics using picoinjectors. Lab. Chip 13, 1754 (2013).
8. Nan, L., Zhang, H., Weitz, D. A. & Shum, H. C. Development and future of droplet microfluidics. Lab. Chip 24, 1135–1153 (2024).
9. Utada, A. S. et al. Monodisperse Double Emulsions Generated from a Microcapillary Device. Science 308, 537–541 (2005).
10. Cramer, C., Fischer, P. & Windhab, E. J. Drop formation in a co-flowing ambient fluid. Chem. Eng. Sci. 59, 3045–3058 (2004).
11. Gañán-Calvo, A. M. & Gordillo, J. M. Perfectly Monodisperse Microbubbling by Capillary Flow Focusing. Phys. Rev. Lett. 87, 274501 (2001).
12. Anna, S. L., Bontoux, N. & Stone, H. A. Formation of dispersions using “flow focusing” in microchannels. Appl. Phys. Lett. 82, 364–366 (2003).
13. Li, Z., Leshansky, A. M., Pismen, L. M. & Tabeling, P. Step-emulsification in a microfluidic device. Lab. Chip 15, 1023–1031 (2015).
14. Elvira, K. S., Gielen, F., Tsai, S. S. H. & Nightingale, A. M. Materials and methods for droplet microfluidic device fabrication. Lab. Chip 22, 859–875 (2022).
15. Xia, Y. & Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew. Chem. Int. Ed. 37, 550–575 (1998).
16. Aghvami, S. A. et al. Rapid prototyping of cyclic olefin copolymer (COC) microfluidic devices. Sens. Actuators B Chem. 247, 940–949 (2017).
17. Wegrzyn, J. et al. Microfluidic architectures for efficient generation of chemistry gradations in droplets. Microfluid. Nanofluidics 14, 235–245 (2013).
18. Ren, K., Dai, W., Zhou, J., Su, J. & Wu, H. Whole-Teflon microfluidic chips. Proc. Natl. Acad. Sci. 108, 8162–8166 (2011).
19. Durán, I. R. & Laroche, G. Current trends, challenges, and perspectives of anti-fogging technology: Surface and material design, fabrication strategies, and beyond. Prog. Mater. Sci. 99, 106–186 (2019).
20. Arunachalam, S. & Mishra, H. Collective wetting transitions of submerged gas-entrapping microtextured surfaces. Droplet n/a, e135 (2024).
21. Salami, T. O. et al. Toward a better understanding of synthesis and processing of ceramic/self-assembled monolayer bilayer coatings. J. Electron. Mater. 34, 534–540 (2005).
22. Owen, M. J. & Smith, P. J. Plasma treatment of polydimethylsiloxane. J. Adhes. Sci. Technol. 8, 1063–1075 (1994).
23. Makamba, H., Kim, J. H., Lim, K., Park, N. & Hahn, J. H. Surface modification of poly(dimethylsiloxane) microchannels. ELECTROPHORESIS 24, 3607–3619 (2003).
24. Xu, J. H., Li, S. W., Tan, J., Wang, Y. J. & Luo, G. S. Controllable Preparation of Monodisperse O/W and W/O Emulsions in the Same Microfluidic Device. Langmuir 22, 7943–7946 (2006).
25. Baret, J.-C. Surfactants in droplet-based microfluidics. Lab Chip 12, 422–433 (2012).
26. Dinh, H.-H.-Q., Santanach-Carreras, E., Schmitt, V. & Lequeux, F. Coalescence in concentrated emulsions: theoretical predictions and comparison with experimental bottle test behaviour. Soft Matter 16, 10301–10309 (2020).
27. Bezerra, M. D. A., Arruda, M. A. Z. & Ferreira, S. L. C. Cloud Point Extraction as a Procedure of Separation and Pre‐Concentration for Metal Determination Using Spectroanalytical Techniques: A Review. Appl. Spectrosc. Rev. 40, 269–299 (2005).
28. Perelomov, L. et al. Organoclays Based on Bentonite and Various Types of Surfactants as Heavy Metal Remediants. Sustainability 16, 4804 (2024).
29. Duran, M. et al. Microcapsule production by droplet microfluidics: A review from the material science approach. Mater. Des. 223, 111230 (2022).
30. Chachanidze, R., Xie, K., Lyu, J., Jaeger, M. & Leonetti, M. Breakups of Chitosan microcapsules in extensional flow. J. Colloid Interface Sci. 629, 445–454 (2023).
31. Pereiro, I., Fomitcheva Khartchenko, A., Petrini, L. & Kaigala, G. V. Nip the bubble in the bud: a guide to avoid gas nucleation in microfluidics. Lab. Chip 19, 2296–2314 (2019).
32. Ghasemzaie, N., Jeyhani, M., Joshi, K., Lee, W. L. & Tsai, S. S. H. ATPSpin: A Single Microfluidic Platform that Produces Diversified ATPS-Alginate Microfibers. ACS Biomater. Sci. Eng. (2024) doi:10.1021/acsbiomaterials.4c00110.
33. Hakim Khalili, M. et al. Additive Manufacturing and Physicomechanical Characteristics of PEGDA Hydrogels: Recent Advances and Perspective for Tissue Engineering. Polymers 15, 2341 (2023).
34. Sun, X. et al. Facile fabrication of drug-loaded PEGDA microcapsules for drug evaluation using droplet-based microchip. Chin. Chem. Lett. 33, 2697–2700 (2022).
35. Polymers | Free Full-Text | Additive Manufacturing and Physicomechanical Characteristics of PEGDA Hydrogels: Recent Advances and Perspective for Tissue Engineering. https://www.mdpi.com/2073-4360/15/10/2341 (2024).