Nature重磅：微流体中溶解而不混合的新技术

90年代，化学和生物学领域出现了一种比通常条件下更快、更简单、更小的液体处理系统，即微流体装置，很快激起了人们对微流体的兴趣。微流体通道中的流体动力学具有很大优势，与较大尺度规模的液体流动不同，微流体通道中不同的液体流通常可以并排流动而没有湍流或混合现象。另外，微流体中的较大的表面积，灵活控制的液体流动，为研究化学反应和生物过程提供了强有效的平台，这直接导致了生命科学领域的快速发展。例如，这些技术使数字化验成为可能，它可以无需校准即可测量样品中特定基因的浓度。它们也是目前在“人类细胞图集”中使用的单细胞遗传测序技术的关键，该项目旨在表征人体中的每种细胞类型。此外，微流体技术正在推动一整套新型的即时医疗系统，这些系统可以将很多诊断检测方法直接带到病床旁边。

然而，微流体中却存在一个基本问题——在大多数应用中，微流体分析必须在同一液体样品上进行多个分析反应。每个反应都会需要使用不同的试剂，这些试剂通常会制成固体前预先存储在试剂盒中。在化验中，这些试剂不能相互混合，否则会影响化验结果。但是一旦早液体中加入多种样品，由于在液体中的分散对流作用，很难避免混合。而且微通道中试剂被液体溶解时，分散过程会导致试剂在液体前端集中，如图1所示。                       

图1 | 正常情形下，溶解的试剂的浓度分布

Gökçe 等人已经以更简单的方式解决了这个问题。他们通过对扩散、对流和毛细作用的综合考虑，设计了一种独特的微流体结构，来实现试剂可以溶解而不相互混合的功能，如图2所示。

图2 | a，微流体体系结构1中，一个微通道被浅层屏障（Shallow barrier）隔开，固体试剂散布在下侧。从入口进入的液体样品首先从一侧向下通过，然后填充包含试剂的一侧，这过程空气通过通风孔（Vent）逸出。b，固体试剂溶解，溶液溢出浅壁屏障，充满整个通道。系统中产生的毛细作用力阻止了试剂的混合。通道装满后，液体会通过导流屏障释放到出口。该系统可以将多种试剂溶解在液体样品中，同时可以避免混合在一起。

首先，他们引入了一种样品液体，以使其充满通道的一半，然后改变流体方向到达包含试剂的另一半通道。一旦整个通道都装满，所产生的试剂溶液就会通过阀门释放出来，从而可以进入微流体系统的下一个部分。这样产生的溶液在每个样品所在的体积中具有大致均匀的试剂浓度。

接下来，作者演示了如何将这种技术用于精确控制复杂生化反应中的试剂浓度和添加时间：一种测定人乳头瘤病毒的DNA序列，另一种定量测定酶的活性。在这两种情况下，都涉及几种试剂的使用（酶及其底物，辅因子，荧光报告分子等）。

值得一提的是，在论文的写作中，作者首先就通过Comsol Multiphysics的流体模块和数学模块以仿真计算的角度交代了自己的设计思路：即毛细作用力的调控来控制扩散和对流过程，如下图所示：

Comsol Multiphysics解析设计思路

作者利用Comsol仿真模拟以计算，给出了在所设计的微流体通道中，液体的流动形态，速度和压强分布。上图显示，在从左到右的微流体不同区域，有三种流体形态，第一种是纵向流，第二种是自合并流，第三种是静态。第纵向流使流动到达干燥样品位置，合并流动开始溶解固体试剂，静态为了给溶解以时间，同时避免不同试剂的液体相互混合。当溶解全部实现后，右侧阀门打开，所有流体以稳定的层流流向检测装置，从而可以了实现固体试剂的依次不混合溶解。

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