上世纪80年代，微流控技术横空出世，人们对小规模操纵流体的兴趣稳步增长，各种平台技术也应运而生。作为传统微流控系统的进化方案，液滴微流控技术利用微小通道来精确控制液滴生成、操控和分析，具备低样品量、多功能集成、高灵敏度以及对传质传热控制精度高等特点。凭借精细的液滴操纵能力，科学家能够如剥丝抽茧般层层解析复杂系统，深入探索微观世界，目前该技术已在多个行业中展现出广泛的应用前景，如合成生物学、医学与诊断学、药物开发筛选、生化分析检测等。
1. 合成生物学
合成生物学是一项新兴热门研究学科，其主要通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统，帮助人类解决在能源、环保、材料、健康等方向遇到的问题。以微生物为底盘，构建一系列的生物工厂，可以实现大量生物基产品的可持续生产。液滴微流体技术作为一种多功能且强大的技术，可以高通量生成和操纵纳皮升体积的液滴，为各种微生物学研究开辟了新的途径。从解决单细胞异质性到研究微生物群落的时空动力学，从微生物群的精确定量到微生物相互作用的系统破译，从分离稀有和未培养的微生物到改进遗传工程菌株。液滴微流控技术通过将微生物封装在微滴中，可以观察少量细胞甚至单个细胞在孤立环境中的异质性，消除了由于生长速率差异引起的物种间竞争和研究偏差，代谢物在液滴中的快速积累使浓度依赖性过程易于激活。液滴微流体技术允许以高达每秒成千上万个液滴生成速度进行样本的处理和分析，通过不同模块的配置实现对液滴的精确操作，包括液滴生成、孵育、融合、分裂和分选等，这为微生物的超高通量鉴定、筛选和菌株改造和进化开辟了可能性。
图1 基于液滴微流控的筛选平台开发，用于差向异构酶定向进化筛选（Angewandte Chemie,2023,62(10):）
2. 医学与诊断学
随着科学的发展，精准医疗正逐渐成为医疗行业的前沿领域。精准医疗基于基因组信息、个体特征、环境因素和大数据分析等技术手段，制定个性化预防和诊疗方案，提供更为有效的医疗服务。在传统的医疗诊断中，细胞分析方法通常依赖于细胞群体的检测，虽然这可以保证检测物质的足够含量，但它会掩盖少量异常细胞产生的数据信号，导致重要信息的丢失。液滴微流控的单细胞分析不仅克服了细胞群分析中小样本异常细胞数据丢失的问题，而且可以更准确地揭示细胞之间的差异，有助于了解细胞行为和代谢活动，从而能够对组织、器官甚至整个生物体的行为进行全面分析。这项技术为疾病的诊断提供更为全面的信息，能使研究人员在更加细微的维度中进行各类复杂疾病现象的分析和研究，相关结果将为精准医疗提供更为完善的数据积累。
图2 基于液滴微流控系统的细胞共培养系统用于分析细胞中赤藓糖醇产量（Biochemical Engineering Journal,2023,198）
3. 药物开发与筛选
药物帮助人类抵抗感染、治疗疾病和减轻痛苦，一定程度上提高了生活质量并延长了人类的寿命。日益增长的耐药性推动了新药的持续研发需求，然而，开发新的有效药物是一个漫长而乏味的过程，可能需要数年，开发成本高达数百万美元，而成功率不足5%。微流控设备为各种细胞（如癌症、肝脏和细菌）的细胞培养和药物测试提供了理想的受控环境。这种受控环境允许对细胞培养物进行长时间监测。此外，微流控设备能够分离单个细胞以进行进一步培养。通常，当对特定药物反应时，同类型细胞之间存在广泛的异质反应。然而，这种异质性在传统的药物筛选方法中无法观察到，因为反应信息是所有细胞的平均值。
图3 超高通量双通道微流控液滴筛选系统，用于筛选筛选设计酯酶的对映体选择性，以优先产生所需的抗炎药物profens对映体。（Nature Communicatio | (2018) 9:1030 ）
微流控芯片可用于分析具有不同表型的癌细胞系对药物反应，显示出特定表型细胞在药物反应方面的显著差异，这种识别同一细胞系对相同组分的不同反应的能力为新药的开发提供了有价值的信息。基于液滴的药物筛选分析的优点包括试剂消耗量低、可重复性好、响应时间快、混合快、细胞浓度精确控制以及带有活力指标的可量化读数，这些优点有助于测量靶点对药物的敏感性。4. 生化分析与检测传统生化分析检测方法，如ELISA（酶联免疫吸附实验）、PCR（聚合酶链反应）以及质谱分析等，已经被广泛应用于医学诊断、食品安全和环境监测等领域。尽管这些技术成熟且精确，在实际应用中仍然存在一定的限制，如检测所需样品用量大、成本高昂、检测时效性弱、数据精确度和重复性不够理想等。液滴微流控技术能够实现在微观尺度上的液滴精细操控，通过将样品生成微小液滴，每个液滴作为独立的反应单元，突破传统生化检测的瓶颈。液滴微流控系统可以将样本消耗降低至微升甚至纳升级别，使得检测样本的需求量极小，对于珍稀样本的检测和应用有帮助。液滴微流控技术往往伴随样本的高通量与自动化处理，提升工作效率的同时一并将检测速度和数据精度提高。新技术的出现有助于推动生物化学分析检测领域进入一个新时代。
图4 基于全细胞生物传感器和液滴微流控技术测定梭菌GABA产量（ACS Synthetic Biology 2024, 13 (10) , 3069-3092. ）
液滴微流控技术通过其精确性、灵活性和高通量的特点，在各个领域中发挥了革命性作用。从合成生物学、医学与诊断学、药物开发与筛选、化学合成与材料科学以及生化分析检测等，每个领域的突破都彰显了这项技术对前沿科学的巨大推动力。未来，液滴微流控技术必将继续深耕微观世界，为人类带来更多的科学发现和创新应用。
天木生物
液滴微流控技术通过精确控制微小液滴的流动和反应将复杂的生物化学实验浓缩到一个微小的芯片上，为合成生物学、医学与诊断学、药物开发与筛选、化学合成与材料科学以及生化分析检测等提供强大助力。
天木生物深耕于液滴微流控领域多年，具有成熟的研发团队，将液滴微流控技术与微管式反应器技术完美结合，其自主研发单细胞高通量分选设备（DREM cell及MISS cell），全自动化完成液滴生成、液滴培养和液滴检测及筛选的全工作流程，广泛应用于医药研发、酶的筛选及进化、合成生物学等多领域。设备自动化程度高，操作简单，大幅提高筛选效率，为医药、工业及科学研发提供强有力的高精尖设备和技术支持。
上世纪80年代，微流控技术横空出世，人们对小规模操纵流体的兴趣稳步增长，各种平台技术也应运而生。作为传统微流控系统的进化方案，液滴微流控技术利用微小通道来精确控制液滴生成、操控和分析，具备低样品量、多功能集成、高灵敏度以及对传质传热控制精度高等特点。凭借精细的液滴操纵能力，科学家能够如剥丝抽茧般层层解析复杂系统，深入探索微观世界，目前该技术已在多个行业中展现出广泛的应用前景，如合成生物学、医学与诊断学、药物开发筛选、生化分析检测等。
1. 合成生物学
合成生物学是一项新兴热门研究学科，其主要通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统，帮助人类解决在能源、环保、材料、健康等方向遇到的问题。以微生物为底盘，构建一系列的生物工厂，可以实现大量生物基产品的可持续生产。液滴微流体技术作为一种多功能且强大的技术，可以高通量生成和操纵纳皮升体积的液滴，为各种微生物学研究开辟了新的途径。从解决单细胞异质性到研究微生物群落的时空动力学，从微生物群的精确定量到微生物相互作用的系统破译，从分离稀有和未培养的微生物到改进遗传工程菌株。液滴微流控技术通过将微生物封装在微滴中，可以观察少量细胞甚至单个细胞在孤立环境中的异质性，消除了由于生长速率差异引起的物种间竞争和研究偏差，代谢物在液滴中的快速积累使浓度依赖性过程易于激活。液滴微流体技术允许以高达每秒成千上万个液滴生成速度进行样本的处理和分析，通过不同模块的配置实现对液滴的精确操作，包括液滴生成、孵育、融合、分裂和分选等，这为微生物的超高通量鉴定、筛选和菌株改造和进化开辟了可能性。
图1 基于液滴微流控的筛选平台开发，用于差向异构酶定向进化筛选（Angewandte Chemie,2023,62(10):）
2. 医学与诊断学
随着科学的发展，精准医疗正逐渐成为医疗行业的前沿领域。精准医疗基于基因组信息、个体特征、环境因素和大数据分析等技术手段，制定个性化预防和诊疗方案，提供更为有效的医疗服务。在传统的医疗诊断中，细胞分析方法通常依赖于细胞群体的检测，虽然这可以保证检测物质的足够含量，但它会掩盖少量异常细胞产生的数据信号，导致重要信息的丢失。液滴微流控的单细胞分析不仅克服了细胞群分析中小样本异常细胞数据丢失的问题，而且可以更准确地揭示细胞之间的差异，有助于了解细胞行为和代谢活动，从而能够对组织、器官甚至整个生物体的行为进行全面分析。这项技术为疾病的诊断提供更为全面的信息，能使研究人员在更加细微的维度中进行各类复杂疾病现象的分析和研究，相关结果将为精准医疗提供更为完善的数据积累。
图2 基于液滴微流控系统的细胞共培养系统用于分析细胞中赤藓糖醇产量（Biochemical Engineering Journal,2023,198）
3. 药物开发与筛选
药物帮助人类抵抗感染、治疗疾病和减轻痛苦，一定程度上提高了生活质量并延长了人类的寿命。日益增长的耐药性推动了新药的持续研发需求，然而，开发新的有效药物是一个漫长而乏味的过程，可能需要数年，开发成本高达数百万美元，而成功率不足5%。微流控设备为各种细胞（如癌症、肝脏和细菌）的细胞培养和药物测试提供了理想的受控环境。这种受控环境允许对细胞培养物进行长时间监测。此外，微流控设备能够分离单个细胞以进行进一步培养。通常，当对特定药物反应时，同类型细胞之间存在广泛的异质反应。然而，这种异质性在传统的药物筛选方法中无法观察到，因为反应信息是所有细胞的平均值。
图3 超高通量双通道微流控液滴筛选系统，用于筛选筛选设计酯酶的对映体选择性，以优先产生所需的抗炎药物profens对映体。（Nature Communicatio | (2018) 9:1030 ）
微流控芯片可用于分析具有不同表型的癌细胞系对药物反应，显示出特定表型细胞在药物反应方面的显著差异，这种识别同一细胞系对相同组分的不同反应的能力为新药的开发提供了有价值的信息。基于液滴的药物筛选分析的优点包括试剂消耗量低、可重复性好、响应时间快、混合快、细胞浓度精确控制以及带有活力指标的可量化读数，这些优点有助于测量靶点对药物的敏感性。4. 生化分析与检测传统生化分析检测方法，如ELISA（酶联免疫吸附实验）、PCR（聚合酶链反应）以及质谱分析等，已经被广泛应用于医学诊断、食品安全和环境监测等领域。尽管这些技术成熟且精确，在实际应用中仍然存在一定的限制，如检测所需样品用量大、成本高昂、检测时效性弱、数据精确度和重复性不够理想等。液滴微流控技术能够实现在微观尺度上的液滴精细操控，通过将样品生成微小液滴，每个液滴作为独立的反应单元，突破传统生化检测的瓶颈。液滴微流控系统可以将样本消耗降低至微升甚至纳升级别，使得检测样本的需求量极小，对于珍稀样本的检测和应用有帮助。液滴微流控技术往往伴随样本的高通量与自动化处理，提升工作效率的同时一并将检测速度和数据精度提高。新技术的出现有助于推动生物化学分析检测领域进入一个新时代。
图4 基于全细胞生物传感器和液滴微流控技术测定梭菌GABA产量（ACS Synthetic Biology 2024, 13 (10) , 3069-3092. ）
液滴微流控技术通过其精确性、灵活性和高通量的特点，在各个领域中发挥了革命性作用。从合成生物学、医学与诊断学、药物开发与筛选、化学合成与材料科学以及生化分析检测等，每个领域的突破都彰显了这项技术对前沿科学的巨大推动力。未来，液滴微流控技术必将继续深耕微观世界，为人类带来更多的科学发现和创新应用。
天木生物
液滴微流控技术通过精确控制微小液滴的流动和反应将复杂的生物化学实验浓缩到一个微小的芯片上，为合成生物学、医学与诊断学、药物开发与筛选、化学合成与材料科学以及生化分析检测等提供强大助力。
天木生物深耕于液滴微流控领域多年，具有成熟的研发团队，将液滴微流控技术与微管式反应器技术完美结合，其自主研发单细胞高通量分选设备（DREM cell及MISS cell），全自动化完成液滴生成、液滴培养和液滴检测及筛选的全工作流程，广泛应用于医药研发、酶的筛选及进化、合成生物学等多领域。设备自动化程度高，操作简单，大幅提高筛选效率，为医药、工业及科学研发提供强有力的高精尖设备和技术支持。
