液滴微流控技术的创新进展

1.研究背景

随着生物医学研究不断向高通量、精细化和个性化发展，传统实验方法在反应体积、试剂消耗及单细胞分辨率等方面显现出明显局限。如何在极微小体积中实现精准操作，同时提升检测效率，已成为推动生命科学发展的核心需求。在这一背景下，液滴微流控技术迅速崛起。该技术可在皮升至纳升级别的微小体积中生成高度均一的液滴，并实现每秒上万次的高效操控，显著降低实验成本并提升检测灵敏度。凭借这些优势，液滴微流控正逐步成为单细胞分析、药物筛选、疾病早期检测以及复杂细胞行为研究的重要工具，同时为未来个性化医疗和临床应用开辟了新的技术路径。

2.研究内容

本综述全面回顾了液滴微流控技术的最新进展，重点聚焦其在药物发现、疾病诊断和个性化医疗中的应用。文章系统探讨了液滴的生成、操控与检测技术，比较了各类方法的优势与局限。综述内容主要分为四个部分：液滴生成技术、液滴操控策略、液滴检测方法以及生物医学应用。通过本综述，我们旨在凸显液滴微流控在推动生物医学研究与临床转化方面的巨大潜力（图1）。

（1）液滴生成技术

液滴生成是液滴微流控系统的核心环节，从根本上决定液滴的尺寸、均匀性、生成频率，以及液滴在后续操作、检测和特定应用中的兼容性。液滴生成方法可分为被动和主动两类：被动方法主要依赖微通道几何结构和流体物理参数（如黏度、界面张力及流速比等）来形成液滴，操作简单且易于实现连续生成；主动方法则借助外部物理场（如电场、磁场、热场或机械力）对液滴生成过程进行精确调控，实现可编程、按需的高精度液滴产生，从而更好地适应复杂实验需求和特定应用场景。

（2）液滴操控策略

精准的液滴操控对于液滴微流控的广泛应用至关重要。无论是基于微通道的传统方法，还是数字微流控技术，都提供了多样化的液滴操控策略，包括分选、分裂、混合、捕获和聚合等操作。这些操作能够满足从基础生物实验到高通量药物筛选等多种应用需求。被动技术主要依赖微通道的几何结构和流体力学特性，通过设计不同的通道宽度、分叉结构或流速比，实现液滴的自然分离与组合，操作简单且易于实现连续生成；然而，其灵活性和可调性相对有限。相比之下，主动方法则通过施加外部物理场——如电力、声学力、磁力或其他机械力——对液滴的形成与运动进行精确调控，使操控过程可按需编程，响应速度快，精度高，能够适应更复杂的实验要求和多变的应用场景。近年来，摩擦电纳发电机（TENGs）、光电润湿技术以及三维微结构等新兴技术的整合，进一步拓展了液滴操控平台的功能，不仅提高了液滴操控的灵活性和可重复性，还为实现多模态、高通量和智能化微流控系统提供了新的技术路径。

（3）液滴检测

液滴检测在提升液滴微流控系统功能和拓展其应用范围方面起着关键作用。不同检测方法各具特色：光学技术能够提供高分辨率的实时成像，使液滴内部和液滴间的动态过程可视化；质谱（MS）技术则可实现精确的分子水平分析，便于对生物分子或化学成分进行定量和鉴定；电学检测方法支持无标记、易于集成且高灵敏的监测，适合连续检测和微型化系统应用；基于摩擦电纳发电机（TENG）的检测技术则引入了一种创新的自供能、非侵入式检测方案，为微流控系统提供了更高的能效和操作便利性。多种检测技术的融合不仅提升了检测的准确性、通量和可靠性，还显著拓展了液滴微流控在生物医学诊断、环境监测、药物开发以及单细胞分析等领域的应用潜力。

（4）液滴微流控的应用

液滴微流控技术在多个领域展现出巨大的应用潜力，尤其是在单细胞分析、三维细胞培养、药物开发和疾病预防等方面。通过对液滴的生成、移动与分布进行精确控制，该技术能够实现高效的单细胞水平分析，揭示细胞异质性及基因表达等关键生物过程。在三维细胞培养中，液滴微流控为模拟体内微环境提供了理想平台，推动了更具生理相关性的细胞模型开发。在药物开发中，它不仅加速了高通量筛选，还实现了快速反应检测，从而加快新药发现进程。此外，在疾病防治领域，液滴微流控在快速诊断、个性化治疗策略定制中发挥着重要作用。

3.未来展望

随着科技进步和应用需求增加，液滴微流控技术正成为生物医学、环境监测和材料科学等领域的重要工具。未来发展将聚焦于多功能集成、自供能系统、智能化与自动化，以及应用拓展。

多功能集成旨在将液滴生成、操控、检测和反应整合于一体，提升实验效率、灵活性，并降低样品污染和设备成本。

自供能系统则通过摩擦电纳发电机（TENGs）等技术，使微流控设备在电力有限的户外环境中也能高效运行。

智能化与自动化利用机器学习和数据分析，实现液滴流动与反应的实时监控与优化，提高精度、减少人为误差。

多功能应用拓展则推动微流控在生物标志物检测、药物筛选、单细胞分析及环境样品快速检测中的应用，为精准医疗和环境管理提供支持。

总体来看，液滴微流控技术通过功能集成、自供能和智能化，将显著提升实验效率与精度，并拓展其在科研、工业和环境监测中的应用潜力，满足快速、实时和个性化需求。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0856