微流控和基于液滴的检测是众多高通量实验的基础，包括仿生微反应器和用于定向进化的选择平台。虽然精细的技术可用于生产皮升大小的液滴，但目前日益增加的需求是对液滴内部进行后续操作和控制。
据麦姆斯咨询报道，近期，德国拜罗伊特大学（University of Bayreuth）的研究人员提出了一种简单的方法——通过改变载液的盐浓度来快速调整微流控筛中单个到数百个双乳液滴的大小。他们发现，液滴内部伴随的浓度的变化可以驱动仿生二元流体中的可逆分层转变。作为另一项应用，研究人员展示了利用捕获液滴的膨胀和收缩来实现双链DNA可逆解链为单链，即在恒温下通过可逆地改变液滴大小，就可以实现类似于聚合酶链式反应（PCR）循环的可逆DNA杂交循环。相关论文以“Controlling phase separations and reactions in trapped microfluidic droplets”为题发表在在《科学报告》（Scientific Reports）期刊上。
微流控器件的出现推动了学术界和工业界大量实验的开展以及各项技术的应用。然而，在利用微流控器件完成液滴的产生之后，人们更加期望改变液滴的大小，但这极具挑战性。研究人员在上述发表的论文中介绍了一种替代的方法——依赖于对多达数百个双乳液滴的可控捕获进行液滴大小的调控。研究人员将水包油包水（water-in-oil-in-water）液滴固定在微流控通道内的聚二甲基硅氧烷（PDMS）障碍物阵列中，可以实现渗透压的快速可逆变化，从而使液滴内部产生膨胀和收缩循环（“渗透按摩（osmotic massage）”）。以前的方法侧重于将液滴不可逆地暴露于静态渗透压下，以监测其随后向新平衡的松弛过程，但该新方法允许随着时间的推移，动态地调整和逆转渗透压。研究人员表明，该方法可以驱动液滴内仿生二元流体的可逆分层相变。使用“渗透按摩”也可帮助研究人员将DNA双链可逆地解链成单链，该过程类似于聚合酶链式反应（PCR）循环。这些示例突出了该新方法的多功能性，将来可能会在更多领域中应用。
在完成双乳液滴（见图1）制备之后，研究人员在简单的批量测定中，检查了双乳液滴的大小分布，以及它们在渗透压下的反应。在150 mM的氯化钠（NaCl）溶液中，双乳液滴的大小非常均匀，内核平均直径为55 μm（见图2a、b）。将双乳液滴转移到1 M氯化钠溶液中时，它们处于强渗透不平衡环境，内部液滴显著减小（图2c），导致在稳定状态时平均直径大幅减小至约17 μm。相比之下，将双乳液滴浸泡在纯水中会导致液滴膨胀（图2d），在稳定状态时内部液滴平均直径略大（58μm）。两种观察结果都证实，将内部水相与周围介质分隔开的油相的作用类似于半渗透屏障，即它允许小水分子通过，因此降低了渗透压，而较大和带电的分子由于其在油相中的分配系数明显较低而被截留在内部水相中。
图1 （a）通过流动聚焦生产单乳液滴和双乳液滴的微流控器件示意图；（b、c）单乳液滴（油包水）和双乳液滴（水包油包水）产生过程的代表性明场图像，比例尺为50 μm；（d）双乳液滴被截留在障碍区域中的微流控筛示意图；（e）被截留在一排障碍物处的双乳液滴的代表性明场图像，比例尺为200 μm。
图2 （a）双乳液滴在150 mM氯化钠溶液中的代表性明场图像，比例尺为50 μm；（b）在这些条件下，液滴的单分散性相当好（黑色柱形），大致呈现出平均直径d≈55μm的高斯分布（红色线条）；（c）当双乳液滴暴露于1 M 氯化钠中时，内部水相的平均直径减小到d≈17μm；（d）在纯水中，液滴的平均直径增加到d≈58μm，比例尺为50μm。
基于上述观察，研究人员推断，该方法不仅可以调整液滴的体积，而且由于水量的变化，液滴内部溶质的浓度也可以被调整，从而驱动内部水相中Flory-Huggins型快速且可逆的相分离。
与研究人员的预期一致，他们观察到在相应的介质交换后，内部水液滴的直径会增大或缩小（图4b）。在液滴膨胀和收缩的过程中，内部液滴的逐像素平均荧光也显示出明显的变化：转入到纯水中后，平均像素荧光突然增加，随后缓慢下降（图4c）。
图3 （a、b）单个双乳液滴的代表性明场图像，其内部水核为二元聚乙二醇-葡聚糖（PEG-dextran）流体，该液滴被截留在微流控筛中；（c）单个液滴直径d随着时间的变化而变化；（d）逐像素荧光值的标准偏差。
图4 （a）含有添加了DNA条带（DNA ladder）和SYBR Green I（一种具有绿色激发波长的染料，进行荧光绿色叠加）的碱性水溶液的双乳液滴的代表性明场图像；（b）定期用纯水或1M氯化钠溶液冲洗通道（用蓝色虚线和红色点虚线表示），可以看到液滴直径的缩小和增大；（c）内部液滴中每像素的平均荧光；（d）内部液滴的总荧光。
总而言之，研究人员介绍了一种简单而通用的方法，用于在微流控筛中快速改变皮升大小的液滴尺寸。该方法还可以驱动二元流体中的可逆相变，即跨越双节线时可逆的分层转变。作为原理验证的应用，研究人员还证明了通过改变液滴的内部pH值来实现DNA的可逆解链是可能的。研究人员期望该方法在更广泛的微流控应用环境中具有通用性，有望更多用于生物和仿生系统领域。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41598-024-71586-x
延伸阅读：
《DNA测序技术及市场-2022版》
《自扩增RNA（saRNA）疫苗专利全景分析-2023版》
《mRNA癌症治疗专利全景分析-2022版》
