有效收集微小液滴用于生物医学分析及其他方面

在一次打喷嚏或咳嗽时,多达40,000个微小液滴被强行从我们的嘴和鼻子推进到空气中。虽然我们无法控制打喷嚏,但香港城市大学(CityU)的研究人员最近开发出一种收集微滴的原始方法,例如这些珍贵的人类露珠,这些方法可以阐明在检测致病细菌和预防中的应用。疾病的传播。

由姚熹博士,香港城市大学生物医学科学系助理教授领导的研究工作最近已发表在科学杂志的美国国家科学院论文集美利坚合众国(PNAS)的,标题为“定向泵送在光滑的表面上的水和油微滴。“

在没有外力的情况下以受控方式移动油和水基微滴在水收集和生物医学分析中非常有用。但它并不像在窗玻璃上滑下单独的雨滴那么容易。“微米级(一百万分之一米)的液滴与其较大的对应物(如泪珠)具有非常不同的特性。它们的小尺寸和轻质意味着正常的重力拉动在移动它们时微不足道,”姚博士解释说,谁是该论文的通讯作者。

收集微滴还有其他努力。然而,以受控的方式进行,或在特定方向上移动单个液滴,对科学家来说仍然是一个挑战。

使昆虫能够在水面上行走的力量

但该团队运输微液滴的创新策略受到自然界中观察到的“毛细管作用”的启发。在自然界中,毛细管力在植物中水和养分的运输中是重要的。一些走水的昆虫也利用毛细管力将自己从水面顶部移到岸边。

毛细管作用是指由于液体的表面张力以及液体分子和管之间的粘合力,液体在窄管内的运动。例如,如果我们用放大镜观察一管水,我们会看到一个“弯月面” - 由于毛细作用力而在靠近管表面的水的上表面中的曲线。此外,毛细管作用可以作用在弯月面上,以在不借助于外力(例如重力)的情况下并且与之相反的情况下将液体提升到管上。

在实验室内,姚博士的团队利用这种毛细力在光滑的表面上定向传输微滴。通过简单地印刷压印在表面上的微型水凝胶点,然后在其上注入薄的硅油层,在水凝胶点周围形成半月板。当用气溶胶微液滴喷射表面时,由于毛细力,液滴将朝向点移动。

适用于不同的液体

这种策略有几个优点。姚博士的团队发现它适用于所有液体,包括水和油,它们与注入的油不混溶。毛细管力的强度由弯月面长度决定。因此,可以估计可以收集微滴的有效距离范围。此外,运动是连续的,没有“饱和”的风险。只要液滴在有效距离范围内,就会相应地收集所有液滴。

更重要的是,这种策略 - 与之前的其他尝试不同 - 即使只有一个微滴也可以很好地工作,这有助于识别运动的机制。

低制造成本,广泛的制造材料选择以及与各种液滴的兼容性可为进一步研究不同应用铺平道路,包括雾收集,集水,热交换器,微流体,尤其是生物医学分析甚至细菌杀灭。

潜在的生物医学应用

在他们的研究中,姚博士的团队使用含有大肠杆菌或金黄色葡萄球菌的液滴来证明潜在的应用。他们发现,一旦收集到水凝胶点中,就更容易检测到液滴中的细菌,这种细菌在其他分散的形式下是不容易被发现的。

“想象一下,在一个封闭的区域,”姚博士说,“如果我们能够应用这种简单而强大的技术来帮助识别引起疾病的细菌。或者,更进一步,想象一下,如果我们可以通过注射生物杀灭剂来杀死这些细菌。事先收集水凝胶点,在人口密集的地区非常实用,以防止传染病的传播。“

该论文的第一作者是城大生物医学系研究生姜杰科和荷兰特温特大学复杂流体物理学博士后高俊博士。其他研究人员包括来自城大生物医学科学系的张恒迪,何文清和张建强,以及新加坡材料研究与工程研究所的Dan Daniel博士。