微流体芯片技术作为单分子分析、药物筛选的核心载体，其微笼阵列芯片通过创新的 “微柱 – 微笼” 设计，结合 PDMS 制备工艺，突破传统平台局限。依托流动聚焦芯片生成均匀液滴，该技术可快速完成液滴阵列构建，凭借高效液滴操控能力，在高通量筛选中展现显著优势，且兼容 MEMS 加工，为细菌筛选、器官芯片等应用提供低成本解决方案。
在基因组学、蛋白质组学与细胞学快速发展的背景下，大规模单细胞分析、药物筛选等需求日益迫切，传统高通量筛选平台（如 384 孔板、1536 孔板）因设备成本高、样本试剂消耗大（微升级别）、操作复杂等局限，难以满足精准化、低成本的实验需求。而微流体芯片技术凭借对纳升至皮升级流体的精准操控能力，显著降低样本消耗与检测成本，成为单分子分析、定向进化及药物筛选的核心技术载体。其中，液滴式微流体芯片以水包油乳液液滴为独立微反应器，可有效避免样本交叉污染与芯片表面试剂吸附问题，进一步推动高通量筛选技术的革新。浙江大学团队在《Analytical Chemistry》发表的研究，基于微笼阵列结构的微流体芯片，实现了大规模液滴阵列的快速构建与精准操控，为行业提供了高效、低成本的技术方案。
1. 微笼阵列微流体芯片：设计原理与 PDMS 制备工艺
1) 芯片结构设计：微柱与微笼的协同创新
该研究的核心载体为微笼阵列微流体芯片，采用 PDMS（聚二甲基硅氧烷）为核心材料，通过标准软光刻工艺制备。芯片关键结构为 “微柱 – 微笼” 体系：4 根相邻微柱围合形成一个微笼，微柱高度 45μm，相邻微柱间隙 12μm，微笼对角线距离 50μm。这种设计突破了传统微孔阵列芯片的局限 —— 传统微孔仅单一开口，导致液滴沉降时油相排出受阻，而微柱间隙为油相提供快速扩散通道，显著提升液滴捕获效率。
(b5). (a) 自上而下，形成液滴阵列（b1 – b4）并拾取液滴的整个微笼阵列过程的图像。图1. 微笼阵列芯片的照片（a）和示意芯片、芯片一部分的放大图像以及芯片上微笼的显微图像，\(d=12 \mu m\)，\(\Phi=50 \mu m\)。比例尺：50μm。(b) 表示液体流动方向。绿色液滴表示目标液滴。黑色箭头
2) PDMS 芯片加工：从实验室制备到产业化兼容
PDMS 芯片的制备过程需依托专业加工设备，包括 PDMS 浇筑器、PDMS 烘箱、PDMS 打孔器等，确保芯片结构的微米级精度。首先通过光刻胶模具（如 SU8 光刻胶模具）制作母模，再将 PDMS 预聚体与固化剂按比例混合后倒入母模，经 PDMS 烘箱加热固化后脱模，最后使用 PDMS 打孔器加工流体进出口。该工艺与 MEMS 加工平台高度兼容，可依托 MEMS 加工企业、微纳加工实验室实现批量生产，同时支持微流控芯片定制服务，根据实验需求调整微笼尺寸、微柱形状（菱形、圆形、三角形均可，不影响捕获效率），满足不同液滴体积（33pL 为主，直径 40μm）的适配需求。
2. 大规模液滴阵列构建：效率与性能的双重突破
1) 液滴生成：流动聚焦芯片的精准控制
液滴的生成依赖流动聚焦微流体芯片，以含 3% ABIL EM 90 的矿物油为连续相，细菌悬液或反应试剂为分散相，通过调节水相（600nL/min）与油相（2500nL/min）的流速，生成直径 40μm、体积 33pL 的均匀液滴，液滴存储于离心管中备用。该过程可与微流控液滴制备仪器联动，实现液滴的连续、稳定生成。
(a) 微井芯片（a1）和微笼阵列芯片（a2）上液滴沉降过程中覆盖油和液滴运动的示意图。箭头表示覆盖油的方向。(b) 在同一微笼阵列芯片中形成的液滴阵列的显微图像，该芯片由菱形微柱包围，液滴直径分别为34μm（b1）、42μm（b2）和50μm（b3）。(c) 使用具有不同微柱形状（菱形（c1）、圆形（c2）和三角形（c3））的微笼阵列芯片得到的液滴阵列显微图像。比例尺：50μm。
2) 阵列构建：90 秒实现百万级液滴排布
液滴阵列的构建过程简单高效，仅需三步：①将液滴悬液转移至微笼阵列芯片；②用玻璃片沿芯片表面滑动，推动液滴悬液覆盖所有微柱，同时移除未捕获液滴；③添加矿物油覆盖液滴，防止蒸发。在 5.5cm×5.5cm 的 PDMS 芯片上，可在 90 秒内形成约 100 万个液滴的二维单层阵列，液滴捕获率达 80%-99%，远超传统微流控划线板（MSP）4 分钟 1800 个液滴、网格集成微阵列 900 孔的容量，大幅提升高通量筛选的规模与效率。
3. 精准液滴操控系统：从监测到拾取的全流程优化
1) 实时荧光监测：与微流体芯片检测仪器的适配
液滴阵列的生化反应监测依托倒置荧光显微镜（如 Nikon Eclipse TE-2000-S）与 CCD 相机，可实时采集液滴荧光信号，支持 272 个液滴的同时监测。例如在细菌筛选实验中，通过监测液滴内荧光素二丁酸酯（FDB）水解产生的荧光强度，精准识别表达酯酶 AFEST 的阳性细菌液滴，信号噪声比超 10 即可判定为阳性，为后续拾取提供精准定位。
约100万个液滴阵列在不同放大倍数下的图像。图像a和b由尼康D800相机拍摄。图像c和d由体视显微镜拍摄。
2) 手动与自动拾取：高成功率与细胞活性保障
液滴拾取系统分为手动与自动两种模式：
- 手动模式：由锥形毛细管（尖端内径 50μm）、手动 X-Y-Z 平移台与注射泵组成，操作简单但单液滴拾取耗时 1.5 分钟，适合小批量实验；
- 自动模式：基于微流体液滴操作机器人（如 SODA 系统），采用 44μm 内径毛细管、10nL/s 抽吸速率与 1.0nL 抽吸体积，配合自动 X-Y-Z 平移台，单液滴拾取时间仅 2 秒，成功率达 100%。
关键优化点在于微柱高度（45μm，略高于液滴直径）与毛细管参数的匹配，避免拾取时吸入相邻液滴，同时低抽吸速率（<2μL/min）可有效保持液滴内细菌活性，为后续细胞培养与实验验证奠定基础。
液滴拾取实验。(a) 抽吸流速和体积对液滴拾取的影响。红点表示没有拾取到液滴。蓝点表示拾取到一个液滴。(b) 目标液滴拾取前（b1）和拾取后（b2）的液滴阵列显微图像。条件：流速10.0纳升/秒；抽吸体积1.0纳升。比例尺：50微米。
4. 应用验证：从细菌筛选到多领域拓展
1) 细菌筛选实验：精准识别与活性保持
研究以表达酯酶 AFEST 与磷酸三酯酶（PTE）的大肠杆菌为模型，将两种细菌按 1:10 比例混合（浓度 7.5×10⁵ cells/mL），包裹于 33pL 液滴中构建阵列，添加含 0.5mM FDB 的矿物油后 37℃孵育 30 分钟。通过荧光监测筛选阳性液滴，拾取后转移至含 LB 培养基的离心管中，37℃、220rpm 振荡培养过夜，细菌增殖率达 100%，且酶活性验证无误，证明该系统在微生物筛选中的可靠性。
(a) 液滴筛选实验示意图。(a1) 培养两种大肠杆菌菌株，并使用流动聚焦芯片生成包含单个细菌细胞的液滴。带有灰色圆圈的杆状代表表达PTE的大肠杆菌细胞，圆圈内嵌入黄色的杆状代表表达AFEST的大肠杆菌细胞。(a2) 使用微笼阵列芯片形成液滴阵列，并添加含有FDB的覆盖油。(a3) 在37°C下孵育30分钟后，用毛细管探针依次拾取目标荧光液滴。(a4) 将目标荧光液滴分别转移到离心管中，并将离心管置于37°C、220转/分钟的摇床上过夜，使细菌复苏。(b) 微笼阵列芯片上单个细菌酶反应的实时荧光检测。(c) 拾取目标液滴之前 (c1, c2) 和之后 (c3, c4) 液滴阵列的荧光图像及相应的明场图像。含有阳性细菌的目标液滴用红色圆圈表示。比例尺：50μm。
2) 行业应用延伸：细胞培养芯片与器官芯片的适配
该技术可直接拓展至细胞培养芯片、3D 细胞培养芯片及器官芯片领域。例如，在类器官微流控芯片中，可将单类器官包裹于液滴内，结合器官芯片加工平台的控温、控流功能，实现类器官的长期培养与药物毒性实时监测；在肝器官芯片、肾器官芯片的高通量药物筛选中，依托微笼阵列的精准定位能力，可快速筛选出对特定器官细胞有活性的药物分子，大幅缩短研发周期。
5. 微流体芯片技术的产业化潜力：从工艺到服务
1) 核心工艺兼容：MEMS 加工与表面修饰的协同
该微笼阵列芯片的制备可依托成熟的 MEMS 加工体系，MEMS 代工企业可通过电子束光刻、深硅刻蚀等工艺实现芯片批量生产；芯片表面可通过亲水修饰或疏水修饰优化液滴与芯片的相互作用，减少试剂吸附，提升实验重复性，常用修饰包括 PEG 修饰、氨基修饰等，适配不同实验需求。
2) 定制化服务：满足多样化实验场景
针对不同液滴尺寸与实验需求，可提供微流控芯片定制服务，调整微笼尺寸（如适配更大直径液滴时，需同步调整微柱高度与间隙）、微柱形状（菱形、圆形、三角形均可）及芯片尺寸（从 1cm×1cm 到 5.5cm×5.5cm）；同时提供配套的微流控芯片模具（如 SU8 光刻胶模具、PDMS 模具），支持科研机构与企业自主制备芯片，降低应用门槛。
参考文献：DOI: 10.1021/acs.analchem.9b02288
顶旭微控产品
| 产品编号 | 大流道尺寸 | 小结构尺寸 | 厚度 （mm） | 芯片材质 | 价格 （CNY） | ||||
| 高 （um） | 宽 （um） | 延申 （um） | 梯度 （um） | 宽度 （um） | 高度 （um） | ||||
| G0001 | 10 | 50 | 30&60 | 0.2 | 0.9-1.5 | 1.2 | 4+0.17 | PDMS+Glass | 600 |
| G0002 | 100 | 200 | 25 | 0.1 | 1.0-1.4 | 1.5 | 4+0.17 | PDMS+Glass | 800 |
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