液滴微流控：如何保证液滴的稳定性

液滴，因其微型化及高通量的特性，已成为一种用于微生物培养的有力工具，但在液滴中进行微生物的长期培养时，微生物的生长（生长速度及形态）及其分泌的各种代谢物，均会对液滴的稳定性造成一定的影响，可能会出现液滴“破裂”或者液滴互相融合现象，此外，部分微生物的生长对微环境特别敏感，液滴失去稳定性，便意味着我们很有可能获取到不准确的实验数据。因此，在液滴制备中，我们需要对液滴进行“加固”，常见的一种办法是加入表面活性剂，一方面它对多种微生物的具有良好生物相容性，另一方面它能为液滴提供良好的稳定性。
本文通过对比3种不同浓度下的3类表面活性剂的液滴细菌培养实验，以液滴稳定性和液滴包裹率来评估3种表面活性剂的性能。
 
试剂与方法
在Novec HFE7500电子氟化液（3M）中加入dSurf表面活性剂（记为实验组1）和另外两种市场已有表面活性剂（分别记为对比组1和对比组2），以作为液滴中的连续相（油相），所加入表面活性剂浓度分别为0.5%、2%和5%（w/w）。
实验过程简述：从健康志愿者皮肤上采集微生物群落（非单一菌株），以用于制备液滴，使用压力泵（Fluigent，Flow EZ）作为压力源，在PDMS液滴芯片上，以7-10kHz的速率，生成体积为20pl的液滴，并将液滴收集在37℃的容器中进行孵育，不直接暴露在空气中。在孵育时间的第0、1、3和7天时，取显微镜下的液滴成像图片，以进行液滴观察。
 
液滴稳定性对比
在液滴刚开始生成时，3种不同浓度的表面活性剂均能立即稳定液滴，看不出差异。

上图中，左、中、右三图分别为使用实验组1、对比组1和对比组2三种表面活性剂的液滴生成图。A、B、C分别表示表面活性剂的浓度为0.5%、2%和5%。
在对微生物培养的第0，1，3和7天，观察使用3种表面活性剂在不同浓度下所制备的液滴，获取数据见下。
1.下图为实验组1的液滴孵育状况：在表面活性剂浓度为0.5%时，1天后，便可观察到液滴存在融合“变大”的迹象，而在浓度为2%和5%时，培养7天后，液滴大小依旧保持均一，部分液滴颜色加深（微生物培养成功），表明液滴稳定性良好。

2.下图为对比组1的液滴孵育状况：在表面活性剂浓度为0.5%时，液滴的融合“变大”情况比较明显；当浓度为2%时，能观察到部分液滴的融合“变大”；当浓度为5%时，培养7天后，液滴大小均一，部分液滴颜色加深（微生物培养成功），表明液滴稳定性良好。

3.下图为对比组2的液滴孵育状况：在浓度为0.5%时，明显可观察到液滴的融合“变大”现象；当浓度为2%时，仅出现少量液滴融合“变大”现象；当浓度为5%时，7天培养中，液滴大小均一，部分液滴颜色加深（微生物培养成功），表明液滴稳定性良好。

液滴包裹率对比
对液滴中微生物培养1天后，开始观察液滴中的微生物情况，将含有3个以上细胞的液滴记做“已包裹液滴”，每次分析至少分析1000个液滴，将得到的液滴包裹率数据整理为下图。

上图中，可观察到使用dSruf表面活性剂制备的液滴，液滴包裹率最高，在对液滴中微生物培养7天后，包裹率仍在30%以上。对比组1包裹率最低，尤其当对比组1中所用表面活性剂浓度为0.5%时，液滴乳化失败，微生物培养失败，包裹率为0。
 
结论
油包水型液滴中，水相中的疏水化合物及微生物的生长，正是液滴微生物培养所面临的挑战，使用表面活性剂，可明显增强液滴稳定性。
本文数据表明，dSurf表面活性剂在液滴稳定性上略胜一筹，其2%浓度的效果相当于对比组5%的效果，同时使用dSurf时，细胞包裹率最高，这可能意味着dSurf具有更好的生物相容性。