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2026年5月28日
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【虹科乾貨】微流體液滴生成技術指南：原理、實驗設備、應用與常見問題解決方案
近年來，液滴生成技術的研究呈現顯著增長，這主要歸功於其在高通量單細胞分析等領域的突出優勢。該技術的應用範圍極為廣泛，不僅涵蓋藥物研發與臨床診斷，還延伸至食品、化妝品生產以及油漆等工業領域。與傳統的生產技術相比，微流體液滴生成能實現大幅度的成本節約，是一個備受業界關注且持續發展的前沿方向。
一、液滴生成原理
液滴是在具有精確幾何結構的微流體晶片中，透過微流體泵的精準控制，由兩種互不相溶的液體（通常為水相與油相）相互作用而形成。這種方式屬於「被動式」液滴生成；而「主動式」方式則需要利用電場、磁場或離心力等外力。常見的被動式生成幾何結構主要分為以下三種：
01 交叉流（T型結或Y型結）
原理：連續相（如油）沿著主通道流動，分散相（如水）則從側通道匯入。兩相在T型或Y型交匯處相遇，連續相產生的剪切力會將分散相「剪斷」，從而形成液滴。
液滴尺寸影響因素：兩相流速比、連續相黏度、流速以及界面張力。通常情況下，連續相的流速會高於分散相。
02 流體聚焦（「+」型或X型結）
原理：兩相在交叉點匯聚，且通道通常會在該處縮窄。連續相從兩側夾擊並擠壓分散相，使其在聚焦點處斷裂並形成液滴。
液滴調控：可透過降低連續相的流速來增大液滴的尺寸。
03 共流聚焦
原理：分散相通道被連續相通道完全包圍。當分散相流入連續相時受到剪切作用，最終以滴落（Dripping）或射流（Jetting）的方式形成液滴。
二、實驗設備
一般而言，開展液滴生成實驗至少需要配備：2台微流體泵（或1台多通道泵），用於分別精確控制連續相（油）和分散相（水）的流速。
推薦設備：
1. 虹科 Cellix 4U 多通道壓力泵
透過對儲液罐進行加壓，推動流體進入晶片。
技術參數：體積流率介於 1 µL/min 至 1 mL/min 之間，擁有四個獨立的壓力控制通道，響應時間小於 50ms。
核心優勢：能有效提升高通量實驗效率，非常適合用於流體動力學流體聚焦以及液滴生成實驗。
2. 虹科 Cellix ExiGo 單通道微流體注射泵（需配備2台）
使用注射器裝載樣品，亦可搭配自動進樣歧管連接儲液罐。
技術參數：流速範圍為 10 nL/min 至 13 mL/min，精度高達 ±0.5%，響應時間小於 50 ms。
核心優勢：支持標準注射器，允許用戶自定義各項參數，並支持自動化系統集成。
3. 2個流量感測器
為油相與水相提供即時的流量反饋控制，確保流速穩定，從而生成尺寸、體積與頻率高度均一的液滴。
推薦設備：虹科 Elveflow 流量感測器
技術特點：採用熱飛行時間（Thermal Time-of-Flight）技術，可精準測量微細通道中的流速。提供 6 種感測器型號，涵蓋 0.007 至 40000 µL/min 的水流速範圍，精確度可達 5%，具備極高的性價比。
4. 具備合適幾何結構的微流體晶片
交匯處的幾何形狀是決定液滴大小的關鍵因素，其次則受到界面活性劑濃度和兩相流量比的影響。
穩定的通道表面化學處理：
油包水（W/O）液滴：通道表面需具備疏水性，可使用虹科 Cellix 的 DropCoat 進行預處理。
水包油（O/W）液滴：通道表面需具備親水性，虹科 Cellix 的 DropChip 晶片已預先進行了親水處理。
界面活性劑：用於穩定油-水界面，提高液滴的穩定性（通常添加於油相中）。
連續相油
連接管路
示例實驗裝置：流體聚焦法生成油包水液滴
泵：虹科 Cellix 4U 壓力泵（使用其中 2 個通道）
樣品容器：1 個儲液罐（適用於 4U 泵）或 2 支注射器（適用於 ExiGo 泵）
流量感測器：2 個
晶片：經疏水處理的微流體晶片（含流體分配器與液滴生成結）
其他物料：界面活性劑、油、連接管路
三、液滴生成實驗中的常見問題及解決方案
01 常見問題一：實驗開始時，直接將兩個泵（油相和水相）同時連接到晶片上！
微流體通道中注入不同溶液/液體的順序至關重要，因為流量感測器是針對特定的液體類型（如油基或水基溶液）進行校準的。如果您嘗試用溶液塗覆晶片以確保通道的疏水性，或者在晶片連接到裝有水相的泵時預先填充油相，油液極有可能會倒流至連接水相泵的感測器中。由於水相流量感測器僅針對水性溶液進行校準，若非水溶液（如油）流入該感測器，在實驗開始時便會導致水相流量偵測出錯。
解決建議：
先斷開裝有水相的泵與晶片的連接。
運用溶液預塗晶片的微流體通道以確保其疏水性。虹科 Cellix 推薦使用 DropCoat 進行液滴生成的預處理。
預先用油相注滿晶片的微流體通道，此時切記保持水相泵處於斷開狀態！
將水相微流體泵連接至流量感測器，預先加滿水相，直到管路末端有水滴流出。此時方可將該管路連接到您的微流體晶片上。
02 常見問題二：影響液滴穩定性的關鍵因素是什麼？
影響液滴穩定性的兩個主要因素是通道表面化學性質（水中油滴時為疏水性，油中水液滴為親水性），以及在油相中添加的界面活性劑。隨後，關鍵在於調整油相與水相的流量比例。
解決建議：
油包水體系需確保通道疏水：使用 DropCoat 處理通道，靜置 10 分鐘後用空氣或油相進行沖洗。
預處理晶片通道：先用連續相（油）填充通道。
可嘗試提高油相中界面活性劑的濃度。
03 常見問題三：液滴生成在實驗中途停止，油基和水基相均變為層流（流動不穩定）。
解決建議：
檢查是否已完成通道的疏水處理（針對油包水體系）。
檢查整個系統是否存在洩漏或堵塞（例如氣泡影響）。
保持油相流速恆定，緩慢提高水相流速，並注意避免油相回流至水相感測器。
04 常見問題四：影響液滴大小的最重要因素是什麼？
影響液滴大小最關鍵的因素是微流體晶片的幾何結構，特別是油相與水相交匯處的結點（Junction）。
解決建議：
幾何形狀：挑選微流體晶片的通道幾何形狀（特別是油水交匯處）時，應確保其能輕鬆生成您預期的液滴尺寸。
界面活性劑：界面活性劑的濃度（通常添加於油相中）對液滴大小的影響程度相對較小。透過改變界面活性劑的濃度，可以微調不同相的流動比例，從而實現極其細微的尺寸差異；也就是說，您可以讓液滴中包含更多水分，使其體積略微增大。虹科推薦使用 DropSurf 界面活性劑用於液滴生成研究。
油相與水相的流量比：在微流體晶片幾何形狀固定的情況下，改變兩相的流速比對液滴大小的影響要小得多。儘管它仍能帶來細微的變化，但通常只有非常窄的流量範圍適用於特定的固定幾何結構，因此這種方式提供的靈活性較為有限。
05 常見問題五：如何選擇具備生物相容性的液滴生成油和界面活性劑？
這是對細胞相關應用感興趣的研究者常遇到的問題。
解決建議：礦物油作為連續相的效果良好且廣泛易得，但具備生物相容性的界面活性劑種類較少且價格較高。虹科推薦使用 DropOil 用於液滴生成研究。
06 常見問題六：如何精準測量液滴的穩定性（尺寸、分布）與單分散性？
需要注意的是，常規的軟體程序大多基於二維（2D）維度工作，因此精度往往會受到限制。即使是液滴直徑極其微小的變化，也會顯著影響液滴的整體體積。
解決建議：在開發液滴並對其進行表徵（Characterization）時，我們運用了散射（3D）技術——這使我們能夠準確測量液滴的大小、體積和頻率。液滴的表徵工作量相當龐大，但如果您希望獲得絕對可靠的數據，我們強烈建議採用散射等三維方法。
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