山东大学程永强团队：弯曲毛细管离心驱动单分散液滴发生器及其在数字LAMP检测中的应用-北京永康乐业科技发展有限公司

导读：

近期，山东大学程永强团队开发了一种基于弯曲毛细管的新型单分散液滴发生器，无需外部泵和复杂的微制造，即可实现对分散相的驱动和分割的完美结合。相关研究以“Bent-Capillary-Centrifugal-Driven Monodisperse Droplet Generator with Its Application for Digital LAMP Assay”为题目，发表在期刊《Analytical Chemistry》上。

本文要点：

1、本研究开发了一种新型的弯曲毛细管离心驱动（BCCD）单分散液滴生成器，仅需将旋转的弯曲毛细管浸入连续相（矿物油）中，即可实现分散相的驱动和分割。

2、样品可以连续流向弯曲的毛细管出口，形成液滴前体，在连续相中被分割成均匀的液滴。

3、通过调节弯曲毛细管的旋转速度，可以方便地控制液滴尺寸，液滴体积可以在34pL到1μL的范围内进行调整，变异系数（CV）小于3%。

4、BCCD液滴发生器可以实现可控的液滴输出，样品利用率高达99.75±1.15%，在减少液滴生成过程中珍贵样品的浪费方面具有显著优势。

5、该系统通过数字环介导等温扩增（dLAMP）检测，验证了其在结核分枝杆菌复合群核酸绝对定量分析中的适用性。

6、结果表明，BCCD液滴生成器构建简单、成本低、操作方便，并通过与96孔板结合，避免了样品损失和交叉污染，为基于液滴的生化应用提供了有价值的液滴生成解决方案。

与传统的微流控芯片和外部泵驱动的方法相比，基于弯曲毛细管的离心驱动单分散微滴生成器（BCCD）具有以下优势：

1、结构简单，操作便捷。BCCD系统只需要一个旋转电机和一根弯曲毛细管，无需复杂的微流控芯片和外部泵，大大简化了微滴生成的过程。

2、可控性强。通过调节弯曲毛细管的结构参数和旋转速度，可以方便地控制微滴尺寸，范围从34pL到1μL，且变异系数小于3%，实现了高度均一的微滴生成。

3、样品利用率高。BCCD系统可以将样品完全喷出成微滴，避免了样品在连接管道中的浪费，样品利用率高达99.75%，大大减少了宝贵样品的损失。

4、交叉污染低。在微滴生成过程中，矿物油始终覆盖在样品上，有效地避免了样品之间的交叉污染。

5、成本低廉。BCCD系统只需要简单的旋转电机和弯曲毛细管，制造成本较低，更加适合实验室应用。

总之，BCCD系统作为一种简单高效的微滴生成平台，为基于微滴的生化分析提供了一种理想的解决方案，具有广泛的应用前景。

在BCCD微滴生成系统中，影响微滴生成稳定性的关键因素包括：

1、连续相的粘度

随着连续相（矿物油和正十四烷的混合液）粘度的增加，微滴尺寸会减小，但过高的粘度会导致微滴难以从弯曲毛细管尖端分离。因此需要选择合适的粘度范围。

2、表面活性剂浓度

适量的表面活性剂（5%EM 90）可以稳定微滴，避免微滴之间的融合。过高浓度可能会影响微滴的生成。

3、连续相液位高度

随着连续相液位高度的增加，微滴尺寸会略有增大，但变化幅度较小。合理控制连续相液位可以保证微滴生成的稳定性。

4、弯曲毛细管的结构参数

弯曲毛细管的出口直径和旋转半径是影响微滴尺寸的关键因素。通过调节这些参数，可以实现微滴尺寸的可控调节。

5、旋转速度

旋转速度是影响微滴尺寸的一个非常关键的参数。随着旋转速度的增加，微滴尺寸呈线性下降趋势。这是因为更高的旋转速度会增加作用在微滴前端的拖曳力，从而使微滴更容易从弯曲毛细管尖端分离，形成更小的微滴。
对于同一根弯曲毛细管，通过调节旋转速度，可以在34pL到1μL的范围内精准控制微滴尺寸，并保持良好的单分散性。

图1.（a）BCCD液滴发生器的结构示意图。（b）IDBCP制造工艺示意图（插图显示了IDBCP的照片）。（c）在充油试管中产生红色染料液滴的照片（转速，400r/min）。（d）单分散液滴在微孔底部沉降的照片（比例尺，200μm）。（e）图（d）的液滴尺寸分布分析。

图2.BCCD系统的液滴生成原理。

图3.（a）不同转速下液滴尺寸随出口直径的变化趋势。（b）液滴尺寸随弯曲毛细管旋转半径的变化趋势。（c）油粘度对液滴尺寸和液滴沉降速度的影响。（d）液滴尺寸随预充入IDBCP的油量的变化趋势。结果重复了三次。

图4.（a）不同出口直径下液滴直径与转速之间的线性关系。（b-f）BCCD系统在不同转速（b）400r/min、（c）800r/min、（d）1000r/min、（e）1200r/min和（f）1600r/min下产生的液滴尺寸分布分析。插图显示了单分散液滴的典型图像（出口直径，95μm；旋转半径，2mm；比例尺，200μm）。结果重复了三次。