微流控液滴技术在生命科学研究中的应用
随着生物学家对细胞和分子生物学的深入研究，越来越清楚地认识到，在传统的大型仪器及大体积的批量分析实验中，各种细胞群和分子中有许多复杂的异质性一直被我们忽略。而微流控技术可以在拥有传统大型分析技术的分析速度和准确性的情况下，探索这些细微之处，微液滴封装技术更是优选方案之一[1]。
微液滴
是在微流控芯片内形成的微米级大小的胶乳液滴。液滴技术已经广泛应用于科学研究，但是将液滴进行微型化，使其达到微米级别后，其具有极大的比表面积。这种特性提高了混合速度和传热效果，从而极大缩短了反应时间，在分析科学研究中具有巨大的优势。此外，微流控液滴技术还具有高通量的优势[2]，因为每一个液滴都是孤立的单分散的腔室，都是一个独立的、可复制的微反应器。这里我们集中介绍了样品的液滴封装技术和这些微反应器在生物学上的潜在应用。
1. 常用的微液滴封装技术
液滴的封装技术取决于不同因素，包括单个液滴内包埋样品的类型和数量，以及化学反应所需的混合顺序和时间。最常见的封装形式是将样品稀释成分散相，换言之，即将溶液转变成微液滴[3]。
1.1 液滴形成过程中的封装
在单细胞液滴封装中，最常用的方法是在液滴形成之前将细胞稀释到分散相。其基本原理是将细胞悬浮液稀释到足够的程度，最后达到一个液滴中只包含一个细胞的效果。这种方法虽然简单但比较浪费细胞，因为在一个液滴中有一个细胞的概率相当低（约36.8%），因此会产生大量的空液滴。此外，如果有需要封装两个不同类型的细胞在相同的液滴中,或一个细胞和一个微球，那么，一个液滴里含有两种不同单体时的概率降低为13.5%，同时还会因为高度稀释的分散相而产生更大的浪费。
如上所述，在两种细胞共包裹过程中，芯片共流设计中有两个不同的样品入口作为分散相，一旦它们变成液滴就会发生融合[4]。同时，我们也可以通过电耦合技术改变液滴表面的表面张力[5]，将两个含有不同试剂的液滴在接触时相互融合，或通过声镊固定液滴在流道内，因此流动态的液滴可以通过碰撞与其融合[6]。
1.2 液滴形成后的封装技术
我们可以将试剂注入现有液滴中，使液滴形成后的操作更加灵活。大概有两种方法：液滴塞子技术和微注射技术。基于液滴塞子的微流体设计是采用垂直于液滴流动的通道，通过注入新微液滴与其融合，将新试剂注入已形成的液滴中[7]。微注射技术的操作基本类似，但需要一个驱动电场来提供亚皮升液体的注射控制技术（如下图所示）[8]。
2. 液滴封装在生命科学研究中的应用
2.1 基于微流控液滴封装技术的高通量筛选
高通量筛选是一种在短时间内分析大量化合物库的方法，例如，每天进行104到105次测试[9]。通过借助机器人和多孔板，高通量筛选已被广泛应用于发现药物、测试毒性和分析抗体的亲和力。微流控液滴技术可以产生大量，反应条件均一的单分散液滴，特别适合于提高高通量筛选。同时，由于微液滴的反应体积在纳升和皮升级，极大减少了试剂消耗。液滴的产生频率可高达10kHz，满足每天高达1亿反应条件的高通量筛选[10]。
对比传统方式，微流控液滴技术在高通量筛选中的优势
2.2微流控液滴封装技术在单细胞分析的应用
随着微流控液滴技术的发展，生物学家能够通过液滴技术来分析单细胞的蛋白质组学和基因组学，从而研究细胞群体中的异质性。
在单细胞蛋白质组学研究中，细胞被限制在一个非常小的体积内，这使得大多数生物标记物几乎都可以被检测到。在微液滴内无论是通过细胞分泌还是细胞裂解，目标检测分子通常是通过荧光标记抗体来完成检测的，结果一般记录为“0或1”，这种分析技术我们称之为数字微流控分析技术。数字微流控分析可以使许多检测结果进行定量，使微液滴技术具有更广阔的应用前景。
单细胞基因组学可以通过单细胞微液滴技术，利用引物功能化的微球来靶向DNA。因此，可以通过微流控液滴技术来绘制整个细胞亚群的基因组图谱。在这一应用中，有一个常用的RNA测序技术，称为Drop-seq（液滴测序技术），是目前在这个领域少数几个商业开发的应用之一[11]。
2.3 基于液滴封装技术的高通量蛋白质定向演化
定向演化是一种通过体外模拟自然选择来限制和加速蛋白质进化的过程。主要应用于工业用酶的筛选和微调。微流控液滴技术具有的微型化、控制改进、同质性和分选等优势，使研究人员能够开发出超高通量的蛋白质定向演化（每天超过106种化合物）。这些系统能够在一天内筛选出108种蛋白质，明显超过传统方法（在常规的平板实验中，需要两周才能筛选出2000种蛋白）[12]。
2.4 基于微流控液滴封装技术的药物输送系统
除了作为微反应器外，液滴还可以转化为药物输送系统(DDS)。液滴封装技术与上述的方法类似，即将稀释的药物作为分散相，可以通过控制液滴形成的流速来控制液滴内的药物浓度。然而，根据给药途径的不同，液滴可能需要通过固化步骤变成微米颗粒/纳米颗粒。此外，一些基于液滴的药物传递系统可能需要使其溶液功能化，以响应特定的pH值或温度，作为输送控制系统[12]。
2.5 液滴可以作为人造细胞的模板
液滴可以作为人工细胞的模板。根据不同的研究目的，它们可以通过无膜隔离的生化反应模拟特定细胞功能，或者可以用作脂质双分子层的模板。更复杂的设计允许将液滴封装在更大的液滴中，以模拟真实细胞中的组成，并提供更好的反应时间控制，因为在液滴形成之前，试剂并不都在分散相中混合。2019，Majumder等人回顾了液滴用于产生人工细胞的所有方式[13]。
3. 小结
液滴封装技术能够以高度受控，单分散液滴的形式，大量制造微反应器，在生物研究的应用中具有明显的优势。此外，微流体的设置是灵活的，可以调整，以适应多种应用。对于没有微流体背景的研究人员来说，建立第一个微流控实验的任务似乎是艰巨的。 介观生科 将通过标准化芯片，简易化接口，自动化设备，将微流控技术转变为一种易于使用的工具，为用户提供各种微流控技术方案。
