生物化学实验也能自动化？中国科学家实现液滴的程序化操控
2020/2/15 7:01:00 科学大院
说起生物化学实验室，你会想到什么？
(图片来源：科学网)
这些瓶瓶罐罐上，经常标注着“有刺激性气味”、“有腐蚀性”的警示，而有的化学生物实验所使用的试剂可能有毒性，放射性等等。既然这些实验试剂这么危险，那么能不能通过自动化的手段来进行？
近日，中科院化学研究所宋延林研究员团队实现了液滴的可编程操纵。通过预先设定的程序，利用磁场控制的微型机器人可以实时地对液滴进行移动、切割、释放和旋转。该研究在微流控、组合化学和生物检测等方面具有广泛的应用前景。该研究于2020年2月15日发表在《Science Advances》上。(戳“阅读原文”看论文)
如何操纵液滴
移动液滴的方法有很多，其根本原理是在液滴上施加驱动力，当驱动力大于阻力后，液滴就会发生移动。比如生活中常见的现象，雨后水滴从玻璃窗表面滑下，就是水滴的重力克服了水与玻璃之间的粘附力而发生移动。除此之外，科学家还发明了多种实现液滴移动的方法。比如，利用热梯度、电浸润、声波、磁流体和磁响应表面等等。
然而简单的移动液滴难以满足实际化学生物实验的复杂需求，因为在这些实验中，经常需要从一种试剂中取出一定量的试剂，加入到其它试剂进行反应。我们称这种复杂的液滴操纵为多行为液滴操纵。如何实现液滴多行为操纵，是液滴操纵研究的难点之一。
车窗表面滑动的液滴 (图片来源：veer图库)
移动、切割、释放、旋转……都能实现
为了实现液滴的多行为操纵，研究人员设计出一种动态结构，这种结构能够对液滴移动时前后两端的阻力进行再分配。他们利用磁场控制两个不锈钢小球，然后利用这两个钢球对液滴进行操纵。当钢球之间的距离适中时，钢球可以拖动后方液滴移动，实现液滴移动；当钢球之间距离较小时，钢球移动后无法拖动液滴，但能在钢球之间切割出小液滴，从而实现液滴切割；而当钢球间距较大时，钢球无法拖动液滴，且在钢球之间不会残存小液滴，实现液滴释放；而且还可以控制磁场使钢球产生转动，实现液滴旋转，从而搅拌液滴里的液体。
液滴的多行为操纵 (图片来源：宋延林课题组)
研究人员对液滴操纵原理进行了解释，他们认为通过调节钢球间距，重新分配了小球前后方的阻力。当小球之间间距较小时，前方阻力较小，后方阻力较大，小球移动时液滴就会被从中间扯断。而增大小球间距后，前方的阻力会增大，而后方的阻力会减小。适当调控它们的相对大小，就可以分别实现液滴的移动和释放行为。
除了水，我们还能操纵油和空气
研究人员还展示了这种机器人操纵油滴和气泡等多种流体的能力。这种方法不仅能够在空气中操纵液滴，还能够在水下操纵油滴，在油下操纵水滴，以及在水下操纵气泡。这使得该液体操纵方法的应用范围得以大大拓展。
多种流体的操纵 (图片来源：宋延林课题组)
自动化的化学生物实验
利用这种液滴多行为操纵方法，可望实现化学生物实验的自动化操控。研究人员展示了通过预先设定的程序实现的酸碱中和反应。他们将氢氧化钠液滴、酸碱指示剂液滴和盐酸液滴放在基底上。通过程序控制小球先从氢氧化钠液滴中切割出一个小液滴移动到酸碱指示剂中，搅拌加速混合之后，液滴变为粉红色。随后小球又从盐酸液滴中切割一个小液滴移动到酸碱指示剂中，搅拌后，氢氧根离子与氢离子中和，液滴又恢复了无色。
操纵液滴完成酸碱中和反应 (图片来源：宋延林课题组)
这项研究实现了液滴的复杂行为操纵。可以通过简单的程序设计，实现复杂的化学生物实验的操控。也许有一天，未来的化学生物实验只需要“编程”就可以实现。
(本项目得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、博士后创新人才计划和博士后基金资助。)
作者单位：中国科学院化学研究所
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