导读：

近期，有研究人员设计了一种创新的分离技术，该技术通过利用温敏性微凝胶在加热时的体积相变行为，并结合微流控技术，以一种简单而有效的方式分离具有不同电荷特性的微凝胶。相关研究以“Selective Segregation of Thermo‐Responsive Microgels via Microfluidic Technology”为题目发表于期刊《Small Methods》。

本文要点：

1、本文提出了一种创新的分离技术，利用压力驱动的微流控技术和精确的温度控制，实现了尺寸相同但电荷密度不同的热响应性微凝胶的有效分离。

2、分离原理基于热响应微凝胶在加热过程中发生体积相变，从而改变其尺寸和在剪切流中的漂移速度。

3、由于不同类型的热响应微凝胶，例如聚合物基质内含有不同等级的可电离基团的微凝胶，具有不同的体积相变温度（VPTT），因此可以通过精确控制温度，选择性地操纵微凝胶的塌陷与膨胀状态。

4、这一物理原理提供了一种简单的方法，可以通过调节洗脱时间（类似于色谱分离）来分离至少含有一种热响应粒子的二元混合物。

5、该方法旨在改善具有广泛电荷分布的微凝胶的纯化策略，将其分离成以微小电荷差异区分的更窄分布的微凝胶。

如何优化微流控通道的设计以提高微凝胶的分离效率？

1、通道尺寸调整：根据微凝胶的尺寸和预期的分离效果，精确设计通道的宽度和高度，以减少堵塞并优化流体流动。

2、表面改性：通过化学处理或涂层技术改变通道表面的亲疏水性，减少微凝胶与通道壁的非特异性吸附，提高分离纯度。

3、温度控制优化：在通道设计中集成均匀且精确的温度控制系统，确保整个通道内温度分布的一致性，对微凝胶的热响应行为进行精确控制。

4、流体动力学优化：设计通道形状以促进稳定的层流，避免湍流，从而减少微凝胶的不均匀分布和提高分离效率。

5、利用Dean力：在通道设计中引入曲折或转弯部分，利用Dean力对微凝胶进行侧向迁移，实现基于尺寸或电荷的分离。

6、多级分离结构：设计包含多个分离段的通道，每个阶段对微凝胶进行不同程度的分离，逐步提高分离精度。

7、实时监测与反馈：集成光学传感器和成像系统，实现对微凝胶运动的实时监测，并根据反馈调整流体流速或温度，优化分离过程。

微流控技术在分离具有不同体积相变温度（VPTT）的微凝胶时，如何确保分离过程的重复性和准确性？

1、精确的温度控制：通过精确控制微流控通道内的温度，确保每次实验中微凝胶在相同的VPTT下发生相变。

2、标准化操作流程：建立标准化的实验操作流程，包括微凝胶的制备、装载和微流控系统的设置，以减少操作误差。

3、使用自动化系统：利用自动化控制系统来调节流速、温度等关键参数，减少人为因素对实验结果的影响。

4、实时监测与反馈：通过光学显微镜和图像分析技术实时监测微凝胶的行为，并将数据反馈至控制系统进行调整。

5、统计数据分析：收集并分析多次实验的数据，评估系统性能和分离效率，不断优化实验条件。

在微流控通道中实现微凝胶的有效分离，需要考虑哪些关键的流体动力学因素？

1、流体流速：控制流体的流速，以确保微凝胶在通道中有足够的时间进行相变并实现分离。

2、流体粘度：考虑流体的粘度对微凝胶运动的影响，粘度的变化可能会影响微凝胶的漂移速度和分离效率。

3、剪切应力：评估剪切应力对微凝胶形态和稳定性的影响，避免因剪切应力过大而导致微凝胶的破裂或变形。

4、流体流动模式：优化微流控通道设计，以维持稳定的层流状态，避免湍流对微凝胶分离的干扰。

这些关键因素的考虑和优化有助于提高微流控系统中微凝胶分离的效率和准确性。

图1：展示了在不同温度下，由纯pNIPAM（红色，较小直径）和带电的pNIPAM-PAA（绿色，较大直径）组成的混合微凝胶的光学显微照片。a）25℃时，所有微凝胶都处于膨胀状态；b）35℃时，pNIPAM微凝胶开始塌陷，而pNIPAM-PAA微凝胶仍处于膨胀状态；c）45℃时，pNIPAM-PAA微凝胶也开始塌陷。d）显示了不同带电微凝胶的归一化直径D/D0随温度变化的函数关系。e）和f）分别在25℃和41℃下，pNIPAM和pNIPAM-PAA微凝胶的光学显微照片，其中pNIPAM用红色叠加，pNIPAM-PAA用绿色叠加。g）微凝胶的平均直径随时间和温度的变化。

图2：a）微凝胶分离过程的示意图。b）通过加热和流体流动对不同带电微凝胶进行分离的机制。c）实验观察到的微凝胶分离效果：记录了微凝胶在2秒内的轨迹。d）微凝胶的平均速度随时间和温度的变化，透明数据显示了微凝胶速度的标准偏差。

图3：a）展示了微流控通道的横截面和流动剖面图。b）展示了塌陷的pNIPAM和膨胀的pNIPAM-PAA微凝胶所经历的“准线性”剪切应力的示意图。c）展示了微凝胶在剪切力作用下沿流动方向的角速度ω，以及由此产生的平移粒子速度U的计算。

图4：展示了在25℃、35℃和45℃不同温度下，pNIPAM和pNIPAM-PAA微凝胶的平均速度与流速的关系。当两种微凝胶尺寸接近时，无论是完全膨胀还是完全塌陷，它们的速度差异可以忽略不计，难以实现有效分离。但是当尺寸明显不同时，速度差异显著，能够实现有效分离。

图5：展示了在25℃和35℃下，尺寸相同的pNIPAM（膨胀状态下，低于VPTT）和聚苯乙烯（PS）微粒的平均速度随流速的变化。尽管pNIPAM和PS的尺寸相同，但由于它们的密度不同，这两者的分离是可能实现的。

图6：展示了在矩形通道内流动的二元胶体混合物的分离过程示意图。

图7：a）展示了包含四个子任务的一个分离周期的概述图。b）展示了每个分离周期在通道位置处的粒子数量。c）展示了每个分离周期的分离效率。d）和e）分别展示了初始分离前和所有分离周期后的光学显微照片。

图8：展示了嵌入不同含量PAA的热响应微凝胶（微米范围，1-100微米）纯化的指导原则。首先通过油滴形成的方法合成微凝胶，并通过后续步骤从未反应的单体和不需要的分子杂质中纯化微凝胶。采用惯性微流控策略对分散在PAA分布较广的水表面活性剂溶液中的纯化微凝胶进行进一步纯化。在不同溶剂温度的其他双重迭代中实现纯化：低于和高于不需要的PAA分布的VPTT。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202400226