液滴微流控芯片是近年来迅速发展起来的一种全新的操控纳升至皮升(10-9-10-12 L)体积液体的技术,它具有消耗样品和试剂量少、混合速度快、样品间无交叉污染以及重复性好等优点,目前已广泛应用于化学和生物学等研究领域。发展简单高效的液滴操控技术是液滴成功应用研究的前提和关键。微流控芯片内液滴具有体积小、流速快和易变形等基本特征,因此往往需要借助外部力量才能有效操控它们。本论文将磁学与微流控学有机结合起来,成功发展了多维多功能磁控纳升/皮升级液滴技术。与其它方法相比,具有造价低廉、制作简单、易于操控、兼容性强且受外界干扰小等优点。具体阐述如下：一.微流控芯片皮升级超顺磁液滴磁引力操控技术。在T型微结构内,水基磁流体流被硅油流剪切为皮升级超顺磁液滴。无外磁场时,超顺磁液滴在主微通道内沿着层流运动,并始终流入下游分微通道1；有外磁场时,超顺磁液滴受到磁引力作用,在主微通道内发生顺时针方向偏转。理论和实验证明,超顺磁液滴偏转程度正比于磁纳米颗粒浓度和磁场梯度。通过简单控制有效磁场梯度范围,可以精确操控超顺磁液滴流入指定分微通道。此外,还实现了单个超顺磁液滴从非磁性液滴中的分选和分配。二.微流控芯片无磁标记液滴磁斥力操控技术。在T型微结构内,去离子水流被油基磁流体流剪切为皮升级无磁标记水液滴。无外磁场时,液滴在主微通道内沿着层流运动；有外磁场时,液滴受到磁斥力作用,在主微通道内发生逆时针方向偏转。通过控制磁场大小和范围,在梳形和分叉形微结构内实现了多种重要液滴操控单元,包括变形、分裂、分配、油相交换、捕获、释放以及破乳。三.微流控芯片无磁标记液滴磁控局部油相层流操控技术。无外磁场时,磁流体和矿物油在微通道内形成稳定层流；有外磁场时,磁引力致使局部磁流体层凸起。控制局部层流界面在逆时针方向上的变化,实现了流动液滴在微柱阵列上的固定；控制局部油相压强增加,实现了流动液滴在分微通道内的捕获。这两种液滴操控可分别用两种方式完成,即在操作过程中,磁流体与液滴接触和磁流体不与液滴接触。液滴的固定和捕获有利于荧光检测。四.微流控芯片无磁标记液滴全二维操控技术。首先发展了一个平台搭建简单且容易操控的重力压强操控液滴技术。其优点是能从纳升体积样品/试剂中取样,并实现液滴大小和数量的同时控制,样本/试剂利用率可达100%。一维横向上的重力操控液滴技术和一维纵向上的磁斥力操控液滴技术,在操作方式上兼容以及灵敏度上相当,将两者有机结合起来,成功实现了皮升级液滴在梳形微结构内的全二维操控,并利用该技术完成了基于多步液滴操控的荧光分析实验。五.微流控芯片无磁标记液滴三维操控技术。水液滴和无定形磁液滴在水/油两界面力作用下连接在一起,利用磁引力对磁液滴的引力作用,能够操控水液滴在二维和三维开放平台自由移动。将无定形磁液滴固定在磁铁末端形成定形磁液滴,可用来吸附水液滴,并将之完全解吸到水相、油相和固相中,且没有交叉污染。利用该系统完成了十组同步化学反应以及胚胎干细胞的刺激。
