微流控液滴技術及其應用的研究進展

劉趙淼　楊洋　杜宇　逄燕

摘要微液滴具有體積小、比表面積大，速度快、通量高，大小均勻、體系封閉，內部穩定等特性，在藥物控釋、病毒檢測、顆粒材料合成、催化劑等領域中均有重要應用。微流控技術的發展為微液滴生成中實現尺寸規格、結構形貌和功能特性等的可控設計和精確操控提供了全新平臺。本文概述了微流控液滴技術的基本原理、液滴生成方式及其基本操控，比較分析了微液滴的傳統制備法與微流控合成法的異同，介紹了近年來微流控液滴技術在功能材料合成、生物醫學和食品加工等領域中的研究新進展，探討并展望了微流控液滴技術的潛在價值和未來發展方向。

關鍵詞微流控技術； 微液滴； 液滴操控； 微通道； 評述

1引言

微流控液滴技術是近年來在微流控芯片上發展起來的一種研究幾微米至數百微米尺度范圍內微液滴的生成、操控及應用的新技術[1～4]。微流控法生成液滴過程中，互不相容的兩種液體分別作為連續相和離散相，在固定體積流率的注射泵的驅動下各自進入不同的微通道，當兩股流體在交叉點處相遇后，離散相流體繼續延伸形成“塞狀”或“噴射狀”的液柱后在連續相流體的剪切和擠壓作用下，由于自由界面不穩定性而破裂，“塞狀”或“噴射狀”的液柱被夾斷，以微小體積（10單元的形式分散于連續相中形成液滴[5，6]。微液滴常作為微反應器，實現生化反應、試劑快速混合以及微顆粒合成等，極大程度地強化了微流控芯片的低消耗、自動化和高通量等優點。隨著微機電系統（MEMS）的不斷發展，微流控液滴技術被廣泛應用于藥物傳輸、生物工程、疾病防護、化學分析、細胞研究和功能材料合成等諸多領域[7～13]，并起著至關重要的作用。

微液滴的傳統制備方法主要包括高速攪拌法[14]、逐層沉積法[15，16]、膜乳化法[17～19]和界面聚合法[20～22]等，這些方法通常需要多級處理和特定的乳液合成配方，并且無法實現對復雜結構微液滴的殼層厚度或內部腔室結構及組分等的精確調控，直接影響了后續借助一定手段固化而成的微顆粒的穩定性、機械性能以及不同物質之間滲透性的優劣。此外，由于傳統合成工藝所用的剪切力可變性高，致使合成微粒的尺寸和形態差異較大， 且單分散性有限。

微流控法作為一種新型、穩健的液滴合成方法，具有以下顯著優勢： （1）體系封閉，傳質傳熱效率高，反應條件穩定， 且試劑消耗量少，能有效避免交叉污染，后處理簡便； （2）鑒于微尺度流體優良的流型操控性能、特殊的層流效應和相界面特性（如界面聚合、界面萃取、多重乳液和液滴融合等）等，在合成具有獨特化學成分和可控形狀的微液滴方面表現出極大的靈活性。（3）能通過若干單級微通道的互相組合升級為具有復雜結構的微流控系統，在無需引入外加刺激源及進一步的提純操作的情況下，實現一步式合成粒徑分布很窄的目標尺寸的微液滴。這些優勢使微流控液滴技術不僅有效克服了傳統制備方法的不足，同時確保了對活性組分的有效封裝，為實現生物制藥、病毒檢測、化學分析以及食品/化妝品加工等提供了全新平臺[23～25]。

由于通道幾何結構、液相流量等物性參數決定了影響界面形變的局部流場的分布，而微通道中液滴的斷裂機理又關系到黏性力與兩相界面張力之間的平衡[4，26～30]。因此，前期的研究多集中于探討通道的幾何結構、兩相黏度、流速、浸潤性和界面張力等參數的影響， 以實現對微液滴尺寸、形貌、均一度等的精確調控。本文將綜述微流控液滴技術的基本原理、液滴生成方式及其基本操控，介紹近年來微流控液滴技術在功能材料合成、生物醫藥和食品加工領域應用的最新進展，并就其潛在價值和未來的發展趨勢進行展望。

2微流控液滴技術

2.1微液滴的生成方式

目前，基于微流控體系的液滴生成方法中，最常用的有主動式和被動式兩種[2，6]。在主動式中，主要采用諸如熱量、氣壓、壓電、微閥和磁場等外場驅動力實現液滴生成。相比主動式而言，被動生成方法無需施加外場作用，直接利用微通道幾何結構的限制促使流場交界面發生變形、界面不穩定性增加，從而生成離散相液滴。被動式液滴生成技術不僅可以生成大小均一、單分散度好、空間分布均勻（微液滴尺寸分布的標準偏差小至1%～3%）的連續液滴串，還能有效避免外界作用干擾，消除交叉污染。根據材料和通道結構的不同，在被動式中微流控裝置主要分為以下3類（見表1）。

2.1.1基于PDMS材料加工而成的微流控裝置[31～33]主要特征是成本較低、制作簡便，構建的通道結構靈活多變，對UV光的投射性好，擁有獨特的彈塑性，能與載玻片和曲面基板進行面接觸。主要用于合成球形顆粒、多相結構顆粒（Janus顆粒）和截面形狀可變的二維擠壓式非球形顆粒。但是，PDMS在非極性溶劑中的溶脹作用是妨礙其應用的主要因素。根據PDMS基微流控裝置幾何結構的差異以及液相流體流動方向的不同，微液滴的生成可分為以下5種基本形式： （1）二維擠壓結構[34，35]； （2）型微通道[36，37]； （3）流動聚焦型微通道[38～40]； （4）共聚焦型微通道[41]； （5）Y型微通道[42]（如表1（a）～（h）所示）。

2.1.2采用毛細玻璃管搭建的微流控裝置[43～45]根據嵌套結構的多樣性又可分為單乳液滴和復乳液滴兩種結構（如表1（i）～（k）所示）。當離散相通過玻璃管進入主通道時，兩相界面在被同向引入的連續相剪切力作用下出現由表面張力引發的PlateauRayleigh不穩定性，失穩后形成液滴。該結構主要用于生成核殼或多重乳液包裹的復合結構微粒。其主要缺點是對毛細管的制造技術要求較高，且不適于生成二維結構的擠壓顆粒。

2.1.3基于臺階式結構的液滴生成裝置[46]

離散相沿板塊中間的小孔流入微通道，在流經臺階處時迅速膨脹成橢圓形小液滴，到達臺階末端后與收集渠中的連續相接觸，在兩相界面張力的作用下，轉變為球形液滴（如表1（l）所示）。這種結構可控性差，且不適于生成復雜結構/功能的微乳液滴，故應用范圍的靈活性受到極大制約。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和玻璃片等也可用于構建微流控裝置，但其應用范圍沒有PDMS和毛細玻璃管普遍。此外，文獻[47～49]還研究了流量參數和溶劑組合的改變對生成微粒結構/功能的調控，以及在最優流量比下能形成穩定液滴的流型特征。

基于微流控液滴技術，并結合一定的固化手段[50，51]，已實現了可控制備球形、非球形、核殼結構、微膠囊和Janus微粒等不同形貌及功能化的微顆粒[1～7]。這些微顆粒因具有結構復雜、形貌特殊和功能多樣等特點， 被廣泛應用于功能材料合成、生物科學（如藥物傳輸、細胞封裝和微毒物篩選）、藥劑學、環境科學、電子技術和再生能源等領域 [4，6，7]。圖1所示為利用微流控法制備的球形顆粒以及不同結構復合微粒的體系圖。

2.2微液滴的基本操控

隨著微流控液滴技術的飛速發展，更多涉及微液滴后續操控、調節和功能化的技術也被同步發展。通常，一旦微液滴生成之后，可根據實際需求利用主動或被動方法對微液滴進行精確操控和調節。例如， 為了進行擴大平行反應需進行液滴分裂； 為了將液滴作為微反應器，進行復雜的化學反應和生物實驗，需進行不同試劑間的液滴融合和液滴內部混合； 為了對特定液滴進行內部分析，需根據不同屬性進行液滴捕獲和分揀等等。

常見微液滴的基本操控主要包括以下幾個方面[3～5，51～56]（圖2）： （1）液滴融合； （2）液滴分裂； （3）液滴內部混合； （4）液滴捕獲和存儲。此外，在這些基本操控過程中，微液滴的相態能通過溶劑蒸發、聚合作用等方式進行改變。隨著微流控技術的不斷發展，液滴基本操控為實現大量液滴的多路復用技術，確保微液滴在大規模復雜生化體系中的應用提供了技術支撐，并在病毒檢測、顆粒材料合成和高通量藥物篩選等領域中顯示出巨大的應用潛力。

3微流控液滴技術在不同領域的應用

3.1微流控液滴技術在材料合成領域的應用

隨著微流控液滴技術的發展，該技術被廣泛應用于微米尺度下水包油型（O/W）和油包水型（W/O）微乳液滴的生成。通過替換用于發生反應的化學試劑的種類便能實現無機物、水凝膠、Janus及不同形貌微顆粒材料的可控制備，而且通過微通道的串聯和并聯還能實現對微顆粒結構形貌和尺寸規格等的連續精確調控，實現多相多組分復雜結構微顆粒材料的合成。

3.1.1無機/固態聚合物微粒Wang等[58]通過共聚焦型微流控系統，以Si/Al溶膠為分散相，以質量分數分別為68%，2%和30%的液體石蠟， Span85和三辛胺混合溶液為連續相，一步式制得了具有表面孔洞，可控孔尺寸為40～150 μm，顆粒尺寸為450～600 μm的硅鋁復合空心球，用作催化劑載體。丁學強等[59]以聚丙烯酰胺丙烯酸和聚乙二醇/聚丙烯酸兩種水凝膠作為模板，以丙烯酸做抑制劑，采用類似結構合成了iO2微球。由于聚乙二醇/聚丙烯酸水凝膠的吸水膨脹率更小， 前驅體溶液的穩定性更高，故微球的球形度、單分度等均得到顯著提高。

Wacker等[60]將異硫氰酸熒光素（FIC）染料、乙醇和氨丙基三乙氧基硅烷（APES）的反應液與正硅酸乙酯（EOS）混合得到熒光硅醇鹽前體溶液，利用聚焦型微流控系統合成微乳液滴，再經固化獲得具有熒光標記功能的SiO2納米顆粒（50～350 nm），用于減少染料泄漏，提高染料穩定性。他們還通過精確控制反應物濃度和反應時間提高了合成微粒的粒徑均一度（350 nm微顆粒的相對標準偏差降至3%以下）。

Yang等[61]利用微流控技術在光聚合作用下合成了直徑約為3.3～3.7 mm的低密度海綿狀微殼，并研究了在光敏聚合作用中單體濃度和照明時間對PDVB（聚二乙烯基苯）微殼結構和性能的影響。發現PDVB微殼的孔隙體積和平均孔隙直徑隨著單體濃度和照明時間的增加而減少。該研究對實現毫米尺度PDVB微殼的最優化以及激光融合實驗或ICF靶目標芯軸的具體應用有重要指導意義。

eshima等[62]利用流動聚焦型微流控系統，以包含白色和黑色凝膠微粒（即： 亞微米尺度的白色SiO2和黑色磁鐵礦（Fe3O4）凝膠微粒）的懸濁液為離散相，以十六烷（包含質量分數為2%的Span80）為連續相，合成了在空氣中能呈現不同結構性色彩的單分散性球形裝配體（圖3）。通過改變懸浮液中SiO2凝膠微粒的數量、尺寸分別實現對微球裝配體平均尺度和顏色的調節，通過改變磁鐵礦凝膠顆粒的數量實現對顏色飽和度的調節，這為合成環保且無化學毒害特性的結構染色材料提供了理想選擇。

3.1.2水凝膠微粒

Zhao等[63]利用雙同軸毛細管裝置，以質量分數為2%的殼聚糖和乙酸混合液為內部相，硅溶膠為中間相，正辛醇溶液為外部相，合成了具有不同孔結構的殼聚糖/硅凝膠核殼型復合微球。該微球具有較高的機械強度和金屬離子吸附性能，可用于固定Cu（II），催化芐基疊氮和苯乙炔之間的點擊反應，當催化效率下降后，可用沉淀或者過濾的方法進行還原。Wang等[64]改進了上述裝置，將較小的毛細管插進另一毛細管，并與錐孔對齊以減少兩分散相之間的距離，消除流動條件的干擾。他們利用該裝置成功合成了不同結構的單分散性中空水凝膠微球，并通過調節三相流速和CO2含量分別實現對雙乳液滴結構及尺寸的精確調控。

Liu等[65]利用毛細管微流控系統合成了對Pb2+具有選擇性吸附和分隔功能的智能核殼微球（圖4A， B）。合成的PNB核殼型微球能選擇性吸附Pb2+并與其合并為穩定的B18C6Am / Pb2+主客體復合物微球。該種微球對Pb2+的吸附能力隨溫度的升高而降低，這是由B18C6Am/Pb2+復合物的成形常數減小引起的。內部獨立的磁性Fe3O4內核保證了對Pb2+有吸附功能的微球能通過外加磁場作用被迅速從處理液中分離出來，而且吸附Pb2+的磁性微球通過提高操作溫度和去離子水沖洗便可實現再生。

利用一種可移除的助溶劑（DEE）將合成的穩定親脂性碳氫化合物（NPs）直接混入脂性PFCs中，成功消除了耗時長和需對包含在PFCs中的NP表面進行特異性修飾等步驟。隨后以合成的NPDEE/PFC溶液為連續相，水為離散相通過微流控系統合成了混合DEE的單分散性NPPFC前驅體液滴，再通過溶解和蒸發移除DEE，最后獲得尺寸遠小于微流控系統所限制的最小尺寸，并用NPs標記的單分散性PFC微乳液滴（圖4C， D）。實現了微乳滴尺寸隨先驅體液滴中PFC濃度的縮放，且當DEE移除后液滴中量子點（QDs）仍保持原位，這為合成用于醫療成像、癌癥檢測和治療的新型NPPFC混合劑提供了重要平臺。

3.1.3Janus及不同形貌微粒Janus顆粒最早由Gennes等[67]提出，是指微顆粒中表面積大致相同的兩個區域擁有不同的化學性質、極性、穩定性等的多功能微粒，目前這一概念已擴展到不同區域包含不同組分的多種分段式非對稱結構材料[68]（圖5A），已有學者就微流控法合成Janus及雜化Janus微粒進行了廣泛研究[69～75]。

通常， 微顆粒的尺寸和形貌是影響其功能實現與否的關鍵因素，相較于傳統方法，微流控液滴技術在制備尺寸、形貌精確可控的微顆粒方面展現出較大優勢。Dendukuri等[76]將一股含光敏劑聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）的流體注入矩形PDMS基微通道，同時暴露在可控脈沖的紫外光下，通過巧妙地設計掩膜，制備了一系列不同形貌的功能化凝膠微粒（圖5B）。還有學者基于微流控液滴技術合成類球形[68]、棒狀[69]、面包圈形[77]等不同結構和形貌的微顆粒展開了深入研究。

以葵花籽油作為連續相，以包含Fe3+/Fe2+的殼聚糖混合液為分散相，通過自制的十字形微通道一步式合成了磁性殼聚糖液滴。再將其滴入NaO溶液中進行固化、離心，最終獲得尾狀氧化鐵殼聚糖復合顆粒。這種顆粒具有較高的包封率和較快的釋放率，廣泛應用于磁響應性藥物載體、磁共振成像（MRI）促進劑等生物醫學領域。Lin等[79] 利用類似結構，以海藻酸鈉水溶液作為分散相，葵花籽油為連續相合成了尾狀海藻酸鈣微粒，并發現當交聯劑氯化鈣的濃度減小和海藻酸鹽粘度增大時，顆粒的長度和直徑均增加。他們還對比了尾狀與球狀海藻鹽酸顆粒對于氨芐青霉素藥物釋放行為的影響，發現尾狀較球狀海藻鹽酸顆粒的釋放速度高，且隨時間增加這種效果更加明顯。

3.1.4核殼型及微膠囊顆粒

Goran等[80]采用玻璃毛細管微流控系統，探究了液相流率對合成微乳滴尺寸、單分散性和殼層厚度的影響，并通過控制流型轉變實現對合成復乳液滴形貌及內部腔室結構的精確調控，有效克服了PDMS基微流控裝置化學強度不高、易發生溶脹作用和不易實現表層屬性功能化調控等缺陷。合成的微乳滴再通過聚合作用，獲得球形、非球形、核殼型聚合物微粒，以及基于溶劑蒸發法自組裝為包含可溶性雙親分子/微粒的多腔室微膠囊，該技術在合成新一代功能性囊膜材料方面發揮了顯著作用。Polenz等[81]利用類似的微流控裝置，以含胺的水相和含異氰酸酯的油相合成的復乳液滴為模板合成了單分散性聚脲微膠囊（PUMCs），還發現PUMCs的殼層厚度主要依賴于胺在所用油相中的溶解度，這為合成殼層厚度的可調范圍在10m的PUMCs提供了一種便捷、高效的操作機制。

uang等[82]設計了一種堅固且易于組裝的毛細管微流控系統，實現了流動模式由滴狀流向噴射流轉變時合成不同尺寸和封裝組合的復乳液滴。他們還探究了相對液滴尺寸與無量綱數（如We， Ca等）、相對流速間的相互關系。該裝置的優點在于： ①使用堅固的UMWPE做支架，免除了粘合劑和昂貴連接件的使用； ②使用玻璃毛細管增強了微通道的耐腐性和耐漏性，且易于對破損或阻塞的毛細管進行快速替換； ③能快速高效地合成大量接近單分散性的聚合物囊泡，用于疾病治理、藥物傳輸、蛋白質存儲等方面。

Liu等[83]利用玻璃毛細管組成的微流控系統，以四重組分的（O1+O2）/W/O型復乳液滴為模板合成了一種新型的具有磁性和溫度雙重響應特性的單分散性微膠囊。其包含一個熱反應磁殼、一個偏心磁核和一個偏心油核，是實現疏水性物質特定位點的靶向傳輸和特定方向控制釋放的有效載體（圖6）。微膠囊的N異丙基丙烯酰胺微凝膠殼能在溫度低于最低臨界溶液溫度（LCS）時保護封裝的疏水性藥物，而在環境溫度高于LCS時突然釋放。偏心油核能為封裝的疏水性藥物微粒提供更大的內部空間，偏心磁核使微膠囊不僅能用磁性引導實現向特定位點靶目標的平移運動，而且能引導其旋轉運動實現在特定方向的控釋。

基于微流控液滴技術已實現了可控制備具有高度單分散性的核殼型微粒和多腔室結構微膠囊，并通過改變液相流率、流質物性參數和通道幾何構型等實現了對微粒尺寸、形貌、單分散度和殼層厚度等的精確調控。但目前基于該技術合成的微顆粒種類有限，主要集中于部分無機物、各類水凝膠和無機有機復合型微粒，極大地限制了其應用范圍，還需進一步拓展基于微流控液滴技術合成微顆粒的結構類型和應用領域。

3.2微流控液滴技術在生物醫學領域的應用

經過多年的發展，基于微尺度流體優異的流動操作特性以及微流控系統裝配結構的多樣性，微流控液滴技術在生命科學及醫藥分析領域的研究中也發揮了不可替代的作用。其中，在生物篩選和分段標記，特異性蛋白和組織重構以及細胞封裝與病毒檢測等方面均呈現出顯著的優越性。

3.2.1生物篩選和分段標記Visaveliya等[84]利用微流控技術，以聚苯乙烯和含熒光基團的乙酸乙酯或二氯甲烷的均勻混合液為油相，蒸餾水為聚焦水相，高通量、一步式合成了尺寸、顏色可調的具有熒光編碼功能的polyPGDA顆粒（圖7A）。并通過添加合適的表面活性劑和調節兩相流速比實現對微粒尺寸的精確調控。合成的聚合物微粒不僅具有較寬的尺寸調節范圍，且能對內嵌在微顆粒中多相熒光基團的種類和濃度進行精確調控。圖7B為將不同顏色的染料注入polyPGDA微顆粒獲得的熒光微粒。

由于染色示蹤熒光粒子為實現生物分子在調查和診斷中的高通量分析提供了一種有效途徑，故該種微粒被廣泛應用于生物篩選和分段標記等方面。

3.2.2特異性蛋白和組織重構akimoto等[85]利用微流控系統，結合反相懸浮交聯聚合技術和分子印痕法成功合成了對人血清蛋白具有特異性吸附功能的可調范圍在0.1～1.0 mm之間的單分散性凝膠微粒。該凝膠顆粒易于合成、穩定性高、較傳統親和性抗體的保質期長，且無需添加任何抗體。Wu等[86]基于毛細管微流控系統，使用兩步硅化過程合成了單分散性海藻酸鈉/魚精蛋白/二氧化硅（APSi）混合微膠囊。該膠囊具有較高的封裝效應、存儲穩定性和快速傳質特性，對牛血清白蛋白的封裝效率高達99%，且混合微殼的厚度超薄，僅為420 nm。

Yamada等[87]利用液滴在微流控系統中的不均衡性研發了一種合成單分散性高濃度膠原蛋白微顆粒的新方法（圖8A），以合成的固體微粒為支架，實現了微尺度下真實細胞培養環境中細胞外基質（ECM）組件的重構，并探究了影響微粒尺寸和單分散性的各項因素，發現當調節微顆粒和細胞的比例為1∶1時干細胞特異性較好，對肝功能有明顯改善作用。Griffin等[87]采用微流控裝配式的構建模塊合成了支架組織，用于實現創傷位置重塑和微創手術后的組織再生（圖8B），并通過調節微流控系統的幾何結構以及液相流速實現了利用構建模塊的尺寸對支架組織的微孔率和物理、化學性能的調控。

3.2.3細胞封裝與病毒檢測Akbari等[89]利用微流控系統結合改進的內部凝膠化方法制得封裝有細胞的海藻酸鈉液滴。再經過洗滌和固化后得到單分散微粒，該顆粒直徑小至26 μm，卻有高達1 kz的細胞生存率，且細胞在顆粒中能繼續生長。該裝置利用同向流動的微流體來消除細胞與凝膠化試劑碳酸鈣粒子接觸而產生的損傷，并通過化學平衡來減小暴露于低p環境下對細胞造成的損傷。u等[90]利用不同的熒光染料對不同類型的細胞進行染色，隨后將其封裝在微液滴中，再將所得微乳滴注入一個結構緊湊的分揀裝置用以實現高倍顯微鏡下的細胞分析和在靠近焦平面處的細胞固定，還可通過雙色分揀實現對兩種不同細胞進行特異性收集和分析。

ao等[91]研發了一種基于微液滴技術并結合空斑試驗和實時定量PCR技術的免培養型微流控系統，用于實現對病毒感染性的快速、低成本和高精度定向檢測（圖9）。病毒復制和檢測均在微液滴中進行，從而確保了單個感染事件的可靠性。他們將包含宿主細胞的單個病毒封裝在大量皮升尺度的微液滴中進行孵化，利用單個病毒的復制周期緊隨液滴內部基因特異性擴增完成感染性檢測。隨后將合成的微乳滴與具有基因特異性PCR的混合物結合，當目標病原出現時發出熒光，再通過專門的液滴閱讀器進行量化，確定病毒感染的數量。他們還與傳統空斑試驗結果做了對照，通過測定單個病毒中和抗體的有效性進一步證實了該技術的實用性。這種方法還適用于對細菌、真菌等其它病原體感染性的測定。

與傳統生物分析方法相比，微流控技術易于進行集成設計，除實現在體外模擬細胞所處的復雜微環境，完成定量檢測和分析之外，還為完成活細胞的定位、處理和觀察提供了一種新途徑。但現階段的研究工作多針對單一結構的微通道展開，微流控裝置的重復利用率不高，微液滴/微顆粒的生產速率較低。因此，未來如何降低制備成本、提高合成效率，實現批量化、可控式制備結構形貌和尺寸規格精確可控的微液滴/微顆粒，進而廣泛應用于生命科學和疾病治療等還有待于深入研究。

3.3微流控液滴技術在食品加工領域的應用

通過微流控液滴技術可獲得微乳滴、固態脂質微顆粒、自組裝體以及包含一個或多個內核的微膠囊等多種類型的食品結構。它們除了可用于制作低脂肪食品、修飾食品的質地和味道、避免化合物氧化，還可用作活性化合物或功能化合物等的有效封裝和控釋，防止生物酶和胃腸道內部其它不利條件（諸如離子濃度和p值等）的干擾[92]。因此，在食品行業中，微流控液滴技術是合成結構形貌和尺寸規格精確可調的微乳滴或微顆粒，進而用于食品結構設計和功能調控等的有效手段。

3.3.1微乳滴微乳滴在食品加工中扮演重要角色[93～95]，例如： O/W型微乳滴用于合成蛋黃醬和調味品，而W/O型微乳滴用于合成黃油、人造奶油、加工酸奶和乳酪或構建冰激凌底層結構等。目前，傳統的食品合成方法（如： 高速攪拌或快速混合等）無法實現對微乳滴粒徑分布的精確調控，且合成的微乳滴單分散度不高。此外，為了加速液滴破碎，系統中引入的強剪切力還會造成蛋白質變性、降解或者電熱/切應變敏感化合物的活性降低。而微流控技術能夠便捷、高效地獲得粒徑分布在幾十到數百微米之間具有高度單分散性的微乳滴或微顆粒，實現活性組分等的有效封裝，故在食品加工中得到重要應用。

Okushima等[96]通過包含兩個連續型結構的微通道，利用“兩步式”液滴生成法合成了單分散性W/O/W型雙重微乳滴（圖10A），并通過調節內/外部液滴的分裂速率實現對液滴內部包含微乳滴數目的精確調控。他們又將第一步合成中的型結構換為十字交叉型獲得了內部包含兩種液相的多重微乳滴。Abate等[97]在同一個微通道中設置多個連續的十字交叉結構，并在不同的交叉口處交替改變通道潤濕性合成了雙重、三重或更多重數的微乳滴（圖10B），還通過控制流型實現對微乳滴的調控。這種方法適用于一般不易發生分離的粘彈性流體的破碎，但對裝置的潤濕性進行精確控制以確保對親/疏水相的封裝會加大微流控系統的制造難度，所以，現階段玻璃毛細管微流控系統在合成殼層厚度可控的核殼結構或多腔室多組分的復乳液滴方面的應用更為普遍[98，99]。

3.3.2微顆粒基于微流控液滴技術合成的單/多重微乳滴再經過固化便能獲得幾微米至數百微米范圍內的單分散性微顆粒[100]，其具有更窄的粒徑分布和更均勻的力學性能[101]。微乳滴的固化增加了系統的穩定性，并保護其內部化合物免受外部媒介（如： 氧氣、光照和反應環境等）的干擾。另外，將微顆粒暴露在特定條件下（如： 溫度、P、活性酶等）能實現其內部化合物在特定位置的釋放。

Shintaku等[102]基于微流控液滴技術，使包含生物高聚物溶液的液滴與另一個包含交聯離子的液滴碰撞融合實現了凝膠化（圖11A）。這種方法無需向連續油相中添加表面活性劑即可達到較好的融合效果，缺點是對液滴碰撞概率的依賴性較高。另外，當凝膠化出現在兩相液滴融合之后，但在融合后的新液滴達到穩定之前時，將難以獲得界限清晰且均質的微球，造成微粒尺寸的單分散性不高，變形系數較大。Ren等[103]采用微流控法合成液滴后，在下游添加交聯劑水溶液使得生物高聚物和交聯離子在水、油流柱的交界面發生反應實現凝膠化（圖11B）。

在利用微流控液滴技術進行食品加工時，由于整個操作過程都是在嚴格的層流條件下進行的，故非常適于對其流動過程進行精確調控。但是目前的研究主要聚焦于對合成微粒尺寸、形貌、單分散度和內部腔室結構等的設計和調控，而對微乳滴/微顆粒生成過程中涉及的力學原理、液相流動規律以及液液相界面的反應機理和傳質過程等的研究還較缺乏。如何利用微流控技術實現食品結構設計、生物活性成分的可控封裝和控釋以及結構敏感型食品材料的加工等還需進一步的研究。

4結 論

本文概述了微流控液滴技術的基本原理、液滴生成方式及其基本操控，比較了傳統微液滴制備法與微流控合成法的異同，介紹了近年來微流控液滴技術在功能材料合成、生物醫藥和食品加工等領域中的最新研究進展，主要得出以下結論： （1）微流控液滴技術具有精確可控、操作簡便和易于擴展等優點，有效克服了傳統制備方法的不足，實現了對微顆粒尺寸、形貌、單分散性和內部腔室結構等的精確控制，為合成具有特殊結構形貌和功能特性的多組分復合結構微液滴/微顆粒提供了可能。（2）微流控液滴技術在功能材料合成、生物醫藥和食品加工等領域已展現出巨大的應用前景。為進一步促進該技術在藥物傳輸、細胞封裝、化學分析、疾病治療等領域的技術創新和產業化應用，還需要系統開展有關微液滴合成及其固化過程中力學原理和流動特性等方面的研究。（3）微流控液滴技術的研究目前尚處于起步階段，合成微液滴的尺寸形貌和結構功能等的調控范圍還不能完全滿足實際應用的需要。因此，如何降低制備成本，提高微乳滴的合成效率，以更經濟、更環保、更適用于實際生產的方法實現復雜結構微液滴/微顆粒的批量化制備還有待于進一步研究。

AbstractMicrodroplets are widely used in the fields of drug controlled release， virus detection， synthetic of particulate materials， catalysts and so on due to their small size， large surface area， high speed， high throughput， uniform size， closed system， internal stability and other characteristics. he emergence and development of microfluidics technology provide a new platform for the generation and precise manipulation of sizecontrolled microdroplets with different structures and functional characteristics. he fundamentals， generation and manipulation of dropletbased microfluidics technology are introduced. Similarities and differences of droplets' conventional preparation methods and dropletbased microfluidics technology are compared and analyzed. Finally， the applications of dropletbased microfluidics for the synthesis of functional materials， biomedicine and design of food structure etc. are comprehensively presented. In addition， the potential value and development direction of dropbased microfluidics are discussed and forecasted.

KeywordsMicrofluidics technology； Microdroplet； Droplet manipulation； Microchannel； Review