液滴微流控技術：流聚焦 vs T 型接頭 — 如何選擇通道幾何結構？

為什麼通道幾何結構很重要

當你需要生成單分散液滴用於單細胞包裹、乳液配方或高通量篩選時，微流控芯片的幾何結構直接決定：

• 液滴尺寸範圍 — 能做到多大或多小
• 多分散性 — 液滴有多均勻（CV%）
• 通量 — 每秒能產生多少個液滴
• 操作窗口 — 系統對流量波動的容忍度
• 易用性 — 是花幾小時調參數，還是 10 分鐘就能出液滴

科研實驗室最常用的兩種幾何結構是**流聚焦（flow-focusing）**和 T 型接頭（T-junction）。兩者都能生成單分散液滴，但原理不同——而這個差異決定了你該為特定應用選哪種硬體。

流聚焦：三維流體動力擠壓

工作原理

在流聚焦幾何中，分散相（要做成液滴的液體）從中央通道流入。連續相（油相或水相載體）從兩側通道進入，在一個狹窄的孔口匯聚，從三個維度擠壓分散相。

關鍵特徵：孔口寬度通常小於進口通道（例如 50 µm 孔口由 100 µm 進口供液）。這迫使分散流收縮成細流，在孔口下游斷裂成液滴。

典型液滴尺寸

• 範圍：20–200 µm 直徑（取決於孔口尺寸和流量比）
• 多分散性（CV%）：穩定條件下 <3%
• 尺寸控制因素：流量比（Qc/Qd）是主要控制桿。連續相流量越高，液滴越小。

優勢

1. 寬操作窗口 — 可以在很寬的流量範圍內（Ca = 0.01–0.5）保持單分散液滴。對新手友好。
2. 高通量 — 可在更高總流量（最高約 500 µL/min）下運行，不會進入噴射或多分散狀態。
3. 更小的液滴 — 當需要亞皮升體積時，更容易把液滴尺寸壓到 50 µm 以下。
4. 黏度容差高 — 即使分散相和連續相黏度相差很大也能正常工作。

劣勢

1. 壓降更高 — 狹窄孔口產生更大流阻。可能需要能提供 >1 bar 背壓的注射泵。
2. 製作複雜度略高 — 孔口區域需要精確對準（如果是自製芯片的話；商用芯片無此問題）。
3. 連接稍多 — 三個進口（分散相 + 兩個連續相）vs T 型的兩個。

最適合

• 高通量篩選，需要每秒數千個液滴
• 包裹細胞、微珠或顆粒（寬操作窗口意味著更少的失敗實驗）
• 配方研究，需要測試多種油/表面活性劑組合
• 液滴微流控新手，想要一個容錯的系統

T 型接頭：剪切驅動斷裂

工作原理

在 T 型接頭幾何中，分散相從一個通道進入，與垂直流動的連續相相遇，形成 T 字。分散相試圖進入主通道，但連續流的剪切力在交匯處將其夾斷。

關鍵特徵：液滴斷裂發生在 T 交匯處本身，由剪切應力驅動。分散相暫時堵住主通道，壓力積聚，液滴斷開。這種擠壓機制在低毛細數（Ca < 0.01）下佔主導。

典型液滴尺寸

• 範圍：30–300 µm 直徑（受通道寬度限制——液滴必須能通過）
• 多分散性（CV%）：穩定條件下 <5%（略高於流聚焦）
• 尺寸控制因素：通道寬度設定上限。流量比在該限制內微調尺寸。

優勢

1. 壓降更低 — 沒有狹窄孔口意味著某些應用可以用重力驅動或低壓泵。
2. 幾何結構更簡單 — 如果自製 PDMS 芯片，更容易加工。就是兩條交叉的通道。
3. 只需兩個進口 — 設定更快，漏液點更少。
4. 更適合大液滴 — 如果需要 100–200 µm 液滴（例如包裹組織球體），T 型通常比流聚焦更穩定。

劣勢

1. 操作窗口更窄 — 如果流量推太高或改變黏度，更容易進入噴射或多分散狀態。
2. 對黏度比更敏感 — 最佳工作狀態是分散相和連續相黏度接近（在 ~10× 以內）。
3. 最大通量更低 — 通常限制在 ~100 µL/min 總流量，超過就失去單分散性。
4. 尺寸受通道寬度限制 — 很難做出遠小於 0.5× 通道寬度的液滴。

最適合

• 較大液滴（>80 µm），需要足夠體積進行試劑混合或球體培養
• 低流量應用，如長時間芯片內孵育或重力驅動裝置
• 教學實驗室，簡單性和低設備成本比通量更重要
• 自製芯片使用者，想要最簡單可靠的幾何結構

並排對比

特徵	流聚焦	T 型接頭
液滴尺寸範圍	20–200 µm	30–300 µm
典型 CV%	<3%	<5%
最大通量	~500 µL/min	~100 µL/min
操作窗口	寬（Ca 0.01–0.5）	窄（Ca <0.01）
壓降	高（~2 bar）	低（~0.3 bar）
黏度容差	高（10×–100× 差異可行）	中等（最好 <10×）
進口數量	3（1 分散相 + 2 連續相）	2（1 分散相 + 1 連續相）
加工難度	中等（孔口需要精確）	簡單（只是兩條通道）
新手友好？	是（容錯）	中等（窗口窄）

操作參數：每種幾何的起點

流聚焦芯片（100 µm 孔口，100 µm 通道）

目標：50 µm 液滴，生成頻率 ~1 kHz

• 分散相（水相）：5 µL/min
• 連續相（氟化油 + 表面活性劑）：每側進口 20 µL/min（總計 40 µL/min）
• 流量比 Qc/Qd：8:1
• 毛細數 Ca ≈ 0.08
• 預期液滴尺寸：45–55 µm
• 預期 CV%：<2.5%

調節提示：

• 想要更小的液滴：提高連續相流量（試試每側 30 µL/min）
• 想要更大的液滴：降低連續相流量或提高分散相流量
• 如果液滴多分散：已進入噴射狀態——降低總流量

T 型接頭芯片（100 µm 寬 × 50 µm 深通道）

目標：80 µm 液滴，生成頻率 ~200 Hz

• 分散相（水相）：3 µL/min
• 連續相（礦物油 + Span 80）：12 µL/min
• 流量比 Qc/Qd：4:1
• 毛細數 Ca ≈ 0.005
• 預期液滴尺寸：75–85 µm
• 預期 CV%：<4%

調節提示：

• 想要更小的液滴：提高連續相流量（試試 18 µL/min）
• 想要更大的液滴：提高分散相流量（試試 5 µL/min）
• 如果看到噴射（長線而非液滴）：按比例同時降低兩種流量
• 如果液滴不規則：檢查表面活性劑濃度是否足夠（通常 2–5% w/w）

實際應用案例

流聚焦獲勝的場景

單細胞 RNA 測序樣品製備（10× Genomics 風格）

一個基因組學實驗室需要以 >2000 液滴/秒的速度將單細胞與條碼微珠包裹。他們先試了 T 型接頭，但在約 500 Hz 時就達到通量上限，再提高就出現多分散。

換用帶 60 µm 孔口的流聚焦芯片後，他們的運行參數：

• 細胞懸液：10 µL/min
• 油相：80 µL/min（每側 40）
• 結果：30 µm 液滴，2.5 kHz 生成頻率，CV% = 2.1%

寬操作窗口意味著他們可以連續處理 8 個樣品，中間無需重新優化流量。

T 型接頭獲勝的場景

用於細胞包裹的海藻酸鹽微珠生產

一個組織工程團隊需要 150 µm 海藻酸鹽液滴，用於後續交聯成水凝膠微珠。2% 海藻酸鹽溶液的高黏度（η ≈ 50 mPa·s）是個挑戰。

流聚焦芯片需要 >3 bar 壓力，並且經常在孔口堵塞。T 型接頭芯片（150 µm 通道）在低得多的壓力下工作：

• 海藻酸鹽：8 µL/min
• 礦物油：15 µL/min
• 結果：140 µm 液滴，0.3 bar 背壓，CV% = 4.5%

更簡單的幾何結構和更低的剪切還提高了細胞活力（孔口處無剪切損傷）。

決策框架：為你的專案選哪種幾何？

使用這個決策樹縮小選擇範圍：

從這裡開始：需要多大的液滴？

< 40 µm → 流聚焦是最佳選擇。T 型接頭在小於 0.5× 通道寬度時很吃力。

40–100 µm → 兩者都可以。再問下一個問題：

• 需要高通量（>500 液滴/秒）？→ 流聚焦
• 設備預算低（沒有高壓泵）？→ T 型接頭
• 第一次做液滴微流控？→ 流聚焦（更容錯）

> 100 µm → T 型接頭在這個尺度往往更穩定。流聚焦也能用但沒有優勢。

關鍵次要因素

黏度相差 >10×？（例如甘油-水分散在低黏度油中） → 流聚焦處理得更好。

剪切敏感貨物？（活細胞、脆弱囊泡） → T 型接頭在斷裂點剪切更低。

自製芯片？ → T 型接頭更簡單，對加工缺陷容忍度更高。

需要頻繁更換配方？ → 流聚焦的寬操作窗口意味著不同實驗間重新優化更少。

常見故障排除

問題：液滴多分散（CV% > 10%）

流聚焦：

• 原因：已進入噴射狀態（Ca 太高）
• 解決：降低總流量 30–50%
• 預防：保持在系統的 Ca ≈ 0.5 以下

T 型接頭：

• 原因 1：流量對於擠壓狀態太高
• 解決：兩種流量都降低 40%，然後重新優化比例
• 原因 2：表面活性劑不足
• 解決：提高表面活性劑到 3–5% w/w，並用油相預濕通道 5 分鐘

問題：不形成液滴——只有連續流

兩種幾何：

• 原因：界面張力太低（表面活性劑過多）或流量遠超標
• 解決：試試新鮮油相，降低表面活性劑濃度（從 1% w/w 開始）
• 另檢查：通道疏水性。PDMS 通道對於水包油液滴應該是疏水的。如果不是，用 Aquapel 或類似產品處理。

問題：液滴形成但立即聚併

兩種幾何：

• 原因：表面活性劑尚未到達界面
• 解決：預處理通道——引入分散相前先流動油 + 表面活性劑 10 分鐘
• 另外：提高表面活性劑濃度或換用吸附更快的表面活性劑（如氟化油用 PFPE-PEG）

芯片之外還需要什麼

兩種幾何都需要：

1. 注射泵 — 最少 2 通道（分散相 + 連續相）。流聚焦受益於第三通道實現對稱連續流，但如果預算緊張可以用 Y 分流器拆分一個泵輸出。

2. 合適的管路 — PTFE 管路（1/16" 外徑，0.02" 內徑常見）和接頭，用於連接泵到芯片進口。連接時避免氣泡——它們會破壞液滴均勻性。

3. 表面活性劑 — 為你的油/水對選對表面活性劑是不可或缺的。氟化油用 PFPE-PEG 嵌段共聚物（如 RAN Biotechnologies）。礦物油用 Span 80（2–3% w/w）是不錯的起點。

4. 顯微鏡 + 相機 — 需要實時可視化來調到工作點。立體顯微鏡配 2–4× 放大率足夠初始設定；複合顯微鏡配 10× 物鏡更適合測量 CV%。

結論

流聚焦是大多數研究應用的主力幾何。其寬操作窗口、高通量和對黏度失配的容忍度使其在不確定時成為更安全的選擇。適用於：

• 單細胞包裹
• 高通量篩選
• 任何需要 <50 µm 液滴的應用
• 液滴微流控新手團隊

T 型接頭在特定利基場景中表現出色，其簡單性和低壓力是優勢。適用於：

• 大液滴（>100 µm）
• 高黏度分散相（>50 mPa·s）
• 低流量、長時間實驗
• DIY 芯片專案或教學實驗室

如果還不確定，從流聚焦開始。它更容錯，學到的經驗可以直接轉移到 T 型接頭（如果以後需要切換的話）。

現成的芯片

LabCore 提供兩種幾何的預鍵合、等離子處理 PDMS/玻璃芯片，配管路套件：

• 流聚焦液滴芯片 — 100×100 µm 通道，75×25 mm 玻片規格，附 PTFE 管路和魯爾接頭。優化用於 20–150 µm 液滴。

• T 型接頭液滴芯片 — 100×50 µm 通道，75×25 mm 玻片規格，含注射器套件。最適合 50–200 µm 液滴，低壓運行。

兩者均作為僅供研究用途（RUO）硬體發貨，可直接連接泵。無需鍵合、無需等離子處理、無需等待——拆包即可開始生成液滴。