超聲移液及微量移液技術(shù)進(jìn)展和展望

張志強(qiáng)，張揚(yáng)，2，邱維寶，鄭海榮

（1 中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，保羅·C·勞特伯生物醫(yī)學(xué)成像研究中心，廣東 深圳 518055； 2 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

微量移液是生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中科學(xué)研究和生產(chǎn)檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)驗(yàn)過程的基礎(chǔ)操作內(nèi)容［1-2］。微量移液的精準(zhǔn)度對(duì)科研成果的發(fā)現(xiàn)、檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、產(chǎn)品性能穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。基于活塞式原理的手持移液器移液精度最高能達(dá)到亞微升級(jí)，是傳統(tǒng)研究工作中常用的精密微量移液工具。但是，移液是重復(fù)且煩瑣的工作，人工使用移液器進(jìn)行移液易造成人為因素誤差，且易出現(xiàn)漏加液體、遺忘潤洗等問題，不僅給工作人員帶來很大工作負(fù)擔(dān)，還會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差和效率低下。

隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的快速發(fā)展，特別是近年來蓬勃發(fā)展的合成生物學(xué)、新藥研究以及新冠疫情催化的體外診斷等技術(shù)［3-12］，經(jīng)常需要流程化處理大量液體樣本，同時(shí)單個(gè)樣本液體含量卻逐漸減少，因此對(duì)移液技術(shù)的通量、精準(zhǔn)度和時(shí)效性有著越來越高的要求。雖然電動(dòng)移液器以及基于電磁閥、壓電驅(qū)動(dòng)的移液技術(shù)在一定程度上解決了人工操作的高負(fù)荷以及實(shí)驗(yàn)誤差問題，并提高了移液精度［13-23］，但是這些技術(shù)的移液通量沒有大幅度提高，仍然難以滿足大量樣本的流程化處理?；陔妶?chǎng)、磁場(chǎng)、光的新型移液技術(shù)可以大幅度提高移液精度，但是應(yīng)用場(chǎng)景局限性大，通用性差，通量也不高［24-28］。發(fā)展一種機(jī)械化、全自動(dòng)化、高通量移液方式的迫切需求使得自動(dòng)化移液工作站應(yīng)運(yùn)而生?；诙嗤ǖ酪埔耗K的自動(dòng)化移液工作站由于具有定量精準(zhǔn)、自動(dòng)化程度高、擺脫人工操作、可實(shí)現(xiàn)高通量等優(yōu)勢(shì)，成為了當(dāng)前主流的移液操作范式［2，13，29-30］。但是，不管是基于活塞式原理的移液器，還是基于電磁閥、壓電驅(qū)動(dòng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和光的各種移液技術(shù)，都需要利用吸頭、毛細(xì)管、噴嘴等移液頭進(jìn)行移液，移液頭需要與液體直接接觸，存在樣品殘留和交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)，樣品損耗量也大，并且在高精度移液中，吸頭、毛細(xì)管、噴嘴等移液頭孔徑很小，存在容易堵塞的問題。另外，移液頭大都是一次性耗材，大量使用成本高且污染環(huán)境。

近年來利用聚焦超聲波的非接觸式移液技術(shù)引起了人們的極大關(guān)注［31］。非接觸式超聲移液技術(shù)利用超聲波直接將液滴從母液容器中噴射到目標(biāo)容器，無需移液頭輔助，液滴在轉(zhuǎn)移過程中不會(huì)與任何其他媒介接觸，具有無液體黏附及殘留、無交叉污染、降低耗材費(fèi)用、移液速度快的特點(diǎn)，同時(shí)具有納升級(jí)以上超高移液精度、節(jié)約試劑成本、可保持生物大分子的生物活性等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分廣闊。當(dāng)前非接觸式超聲移液技術(shù)已經(jīng)受到諸如合成生物學(xué)、藥物發(fā)現(xiàn)、化合物管理、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域的青睞，得到了業(yè)界認(rèn)可［32-40］。移液過程包括吸液和放液兩個(gè)過程。傳統(tǒng)定義中使用外力將液滴噴射到目標(biāo)容器，移液頭不與目標(biāo)容器接觸的移液技術(shù)稱為非接觸式移液。這種定義主要基于放液過程，沒有考慮吸液過程。相比于非接觸式超聲移液技術(shù)（液滴在整個(gè)移液過程中不與容器之外的任何媒介接觸），基于活塞式原理、壓電驅(qū)動(dòng)原理等需要吸頭、毛細(xì)管、噴嘴等移液頭的移液技術(shù)仍然屬于接觸式移液，在移液過程中液體會(huì)與移液頭直接接觸，存在樣品殘留、交叉污染、堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。本文將系統(tǒng)介紹微量移液技術(shù)的發(fā)展（圖1）及現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹非接觸式超聲移液技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀，并對(duì)微量移液技術(shù)未來發(fā)展及趨勢(shì)進(jìn)行展望。

圖1 微量移液技術(shù)發(fā)展進(jìn)程Fig. 1 Development process of low-volume liquid transfer technology

1 接觸式微量移液技術(shù)

1.1 移液器

移液器是實(shí)驗(yàn)室定量移取微量液體的常用儀器，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的微量液體轉(zhuǎn)移。但是在最初的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員需要用嘴將液體吸入細(xì)玻璃管中進(jìn)行移液，這種方法不僅會(huì)危及實(shí)驗(yàn)人員人身安全，而且由于精度不高、重復(fù)再現(xiàn)性能差，在處理量小的液體樣本時(shí)異常困難。后來使用的無需口腔輔助的滴管和移液管也主要用于精度要求不高的移液。為了解決這個(gè)問題，1957年德國馬爾堡大學(xué)生理化學(xué)研究所Schnitger設(shè)計(jì)了世界上第一支微量移液器，使可重復(fù)再現(xiàn)、精確可靠的微升級(jí)移液成為可能［41］。它是基于氣體活塞原理，在活塞的推動(dòng)下，移液器排出部分空氣，利用大氣壓吸入液體，再由活塞推動(dòng)空氣排出液體，從而實(shí)現(xiàn)吸液和放液的動(dòng)作。基于Schnitger的發(fā)明，德國Eppendorf公司于1961年推出了世界上第一個(gè)商用手動(dòng)微量移液器。自此之后，移液器徹底改變了科學(xué)研究中的液體處理操作方式。

基于氣體活塞原理的移液器適用于大多數(shù)場(chǎng)景下的移液操作，但是在移液過程中有一段空氣存留在系統(tǒng)之中，不適宜吸取黏稠度大的液體和一些揮發(fā)性液體，而且移液精度會(huì)受到溫度和大氣壓力以及溶液的黏度、揮發(fā)性和表面張力的影響［42-43］。因此，人們?cè)O(shè)計(jì)了外置活塞式移液器［44］，該移液器中沒有空氣緩沖，活塞直接與液體接觸，消除了溫度和大氣壓力的影響，同時(shí)確保了液體特性不會(huì)影響準(zhǔn)確度，但是活塞與液體直接接觸，存在一定量的液體會(huì)黏附到移液器內(nèi)部，而且活塞不能重復(fù)使用。隨后，基于氣體活塞式和外置活塞式技術(shù)原理，人們相繼發(fā)明了多道移液器、可調(diào)量程移液器、電動(dòng)移液器等新型技術(shù)，使得移液器在移液精度、移液效率和使用靈活性等方面得到了很大的提升，進(jìn)一步提高了移液操作的效率和可靠性，同時(shí)減輕了實(shí)驗(yàn)人員操作負(fù)擔(dān)和傷害風(fēng)險(xiǎn)［18，45-53］。

過去半個(gè)世紀(jì)，移液器的不斷發(fā)展給生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域和行業(yè)給予了極大的支持，能夠解決大部分研究中的問題。但是利用移液器的人工移液過程由于受環(huán)境條件和人為操作影響，其移液精度和準(zhǔn)確度局限于亞微升級(jí)，無法在納升級(jí)范圍內(nèi)繼續(xù)傳承下去。另外，利用移液器的手動(dòng)或半自動(dòng)移液操作依賴于人工的反復(fù)勞動(dòng)，當(dāng)樣本量大幅度增長時(shí)，不僅耗費(fèi)大量的人力，也會(huì)耗費(fèi)很長的時(shí)間。

1.2 自動(dòng)化移液工作站

隨著現(xiàn)代生物化學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和臨床診斷需求的提高，高通量分析是現(xiàn)代科學(xué)的趨勢(shì)［54-58］。對(duì)于在化合物檢測(cè)和藥物篩選等領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模實(shí)驗(yàn)，以及類似新冠疫情等大規(guī)模傳染病臨床診斷和人群篩查，每天在實(shí)驗(yàn)室中分析數(shù)千甚至上萬個(gè)樣本都是可能的。而在新興的合成生物學(xué)研究中，海量的工程化試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)所需的樣本數(shù)量也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出依賴人工的研究范式能力范疇［59］。傳統(tǒng)利用移液器進(jìn)行手動(dòng)或者半自動(dòng)的人工移液操作成為了快速高精度樣品處理的瓶頸，難以滿足科學(xué)研究以及市場(chǎng)的需求。因此，液體處理的全自動(dòng)化操作代替煩瑣的人工勞動(dòng)，已成為生物、醫(yī)療、制藥等領(lǐng)域高通量樣本處理的趨勢(shì)［1-2，60］。而且通過自動(dòng)化移液減小環(huán)境影響和人為操作誤差是進(jìn)一步提高移液精度、準(zhǔn)確度和重復(fù)性的一種有效解決方案［29］。

自動(dòng)化移液工作站是精密微量移液技術(shù)與工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代生物技術(shù)中完成高通量實(shí)驗(yàn)過程的必備工具之一。它是將移液器、機(jī)械臂、容器、耗材等組件集成在一個(gè)自動(dòng)化的工作平臺(tái)上，通過軟件控制實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化批量移液處理，以實(shí)現(xiàn)高通量移液處理的各種應(yīng)用需求。自動(dòng)化移液工作站的發(fā)展要追溯到20世紀(jì)80年代，電機(jī)和微處理器技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了對(duì)馬達(dá)和閥門功能序列進(jìn)行編程，從而促進(jìn)了全自動(dòng)化移液工作站的發(fā)展。后來隨著自動(dòng)化移液工作站技術(shù)不斷突破，其功能越來越完善和多樣化，在生命科學(xué)、藥物篩選、分子診斷以及臨床檢測(cè)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用［61-63］。由于傳統(tǒng)活塞式移液器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，到目前為止市場(chǎng)上自動(dòng)化移液工作站產(chǎn)品大部分是基于活塞式移液技術(shù)（圖2）。比如，德國Eppendorf公司自動(dòng)化移液工作站EpMotion系列和瑞士Hamilton公司自動(dòng)移液工作站Microlab STAR是基于氣體活塞移液技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)200 nL至1 mL的移液量范圍，有效簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)室工作流程，在許多臨床研究中心和藥物研究中心有著廣泛應(yīng)用。美國Beckman Culter公司自動(dòng)化移液工作站Biomek i7則是基于活塞原理的液體置換式移液技術(shù)，提供移液范圍覆蓋500 nL～5 mL，可配備96/384多通道移液器和靈活8通道移液器的多個(gè)單臂和雙臂裝置。瑞士Tecan公司生產(chǎn)的Freedom EVO和Fluent系列自動(dòng)移液工作站允許在同一個(gè)工作站上同時(shí)使用基于活塞原理的空氣置換和液體置換式移液技術(shù)，移液范圍從500 nL至5 mL，并配備單通道、雙通道、四通道和八通道液體處理臂，和高密度的96/384多通道移液臂。每個(gè)液體通道都可單獨(dú)針對(duì)液體的類型與體積的變化設(shè)置優(yōu)化的移液參數(shù)。

圖2 商業(yè)自動(dòng)化移液工作站Fig. 2 Commercial automated liquid handling workstations

相比于手動(dòng)或半自動(dòng)移液器，自動(dòng)化移液工作站大大提高了移液操作的效率和重復(fù)性。當(dāng)前自動(dòng)化移液工作站以速度快、精準(zhǔn)度高、智能化程度高、容量大、持續(xù)工作時(shí)間長等特性，得到了全世界相關(guān)領(lǐng)域公司、醫(yī)院和實(shí)驗(yàn)室的青睞，成為了高通量移液的主流操作范式［64-69］。但是自動(dòng)化移液工作站所采用的微量移液技術(shù)仍然是基于移液頭的接觸式移液技術(shù)，存在樣品殘留、交叉污染、堵塞等問題。另外，基于活塞式移液技術(shù)的自動(dòng)化移液工作站移液精度仍然受到限制，局限于亞微升級(jí)別，難以突破到納升級(jí)。

1.3 高精度移液技術(shù)

由于基于活塞原理的移液技術(shù)精度局限于亞微升級(jí)，人們一直在尋求更高精度的移液原理和技術(shù)。而且隨著現(xiàn)代生物技術(shù)處理的單個(gè)樣本中樣品含量逐漸減少，人們對(duì)納升級(jí)或皮升級(jí)等更高精度的新型移液技術(shù)有著迫切需求。

20世紀(jì)80年代左右，人們開始將噴墨點(diǎn)膠技術(shù)引入到移液技術(shù)中［14-17］。在噴墨點(diǎn)膠技術(shù)中，常利用電磁閥和壓電驅(qū)動(dòng)擠壓通過毛細(xì)管的液體產(chǎn)生并噴射出納升級(jí)甚至皮升級(jí)的液滴［圖3（a）］。由于高的液滴精度、易于自動(dòng)化、可以保持良好的生物樣品活性等特點(diǎn)，基于電磁閥和壓電驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化移液技術(shù)很快得到了人們的青睞，并在藥物發(fā)現(xiàn)、基因組學(xué)、組合化學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用和研究［14-15，30，62，70-72］。1999年，Ted A. Bateman等［30］對(duì)比分析了美國Cartesian technologies公司基于電磁閥的PixSys系統(tǒng)和美國Packard BioScience公司基于壓電驅(qū)動(dòng)的BioChip系統(tǒng)在高通量篩選領(lǐng)域的應(yīng)用?；陔姶砰y的PixSys系統(tǒng)移液精度范圍可達(dá)100 nL～10 μL，基于壓電驅(qū)動(dòng)的BioChip系統(tǒng)移液精度范圍能達(dá)到10～100 nL，但是BioChip系統(tǒng)所用毛細(xì)管內(nèi)徑69 μm，容易堵塞。在100 nL移液精度時(shí)，兩種技術(shù)的變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）都在20%以上。另外，相比于傳統(tǒng)活塞式移液技術(shù)，兩種技術(shù)在正式移液之前都需要預(yù)實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)，嚴(yán)重影響移液速度，而且兩種移液技術(shù)中移液頭都需要清洗，浪費(fèi)的液體量較多，樣品交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)大。后來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展，基于精密電磁閥及壓電驅(qū)動(dòng)的移液技術(shù)在移液精度和精準(zhǔn)性方面有了很大提升。比如，目前BioChip系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)350 pL的移液精度，且CV小于5%。另外，德國BioFluidix公司研發(fā)了基于壓電驅(qū)動(dòng)的PipeJet TM技術(shù)，當(dāng)前有納升級(jí)分液器和皮升級(jí)分液器產(chǎn)品，分別可以實(shí)現(xiàn)納升級(jí)（2～70 nL）和皮升級(jí)（50～250 pL）的單液滴分配，實(shí)現(xiàn)CV在3%以內(nèi)的高精度微量液體移液。美國BioDot公司基于壓電驅(qū)動(dòng)的BioJet Ultra TM技術(shù)可產(chǎn)生100 pL～1.0 nL的單個(gè)動(dòng)態(tài)液滴體積范圍，CV通常小于5%。另外，基于壓電驅(qū)動(dòng)的移液技術(shù)將毛細(xì)管等分配單元與壓電驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器分開，毛細(xì)管等分配單元作為一次性使用耗材，可以大幅度提高移液速度，并減小樣品交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 基于不同驅(qū)動(dòng)力的液滴生成技術(shù)示意圖Fig. 3 Schematic diagrams of droplet ejection based on different driving force

除了比較成熟的基于電磁閥和壓電驅(qū)動(dòng)的噴墨點(diǎn)膠技術(shù)之外，早期人們研究的基于電場(chǎng)的靜電噴射技術(shù)和基于超聲波的液滴噴射技術(shù)也可以用于高精度移液。比如，1952年，Vonnegut等［73-74］基于靜電噴射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了皮升級(jí)液滴的噴射，并在19世紀(jì)60年代用于噴墨點(diǎn)膠技術(shù)。1981年，Lovelady等［75］提出了利用聚焦超聲波將液滴從液面噴出用于噴墨打印。但是兩種技術(shù)在當(dāng)時(shí)還不夠成熟，沒有用于高精度移液。隨著微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展和微流控技術(shù)的廣泛應(yīng)用［76-79］，基于電場(chǎng)和超聲的高精度液滴生成技術(shù)在微流控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和研究。例如，2006年哈佛大學(xué)Link等［26］提出了一種基于液滴靜電荷和外部電場(chǎng)控制皮升級(jí)液滴生成的微流控平臺(tái)技術(shù) ［圖3（b）］。直流電場(chǎng)和交變電場(chǎng)都可以應(yīng)用在微流控裝置上生成液滴［80-81］。2006年，Kwon等［82］將聚焦超聲波噴射液滴的方法應(yīng)用于皮升級(jí)DNA液滴的移取［圖3（c）］。除了電場(chǎng)和超聲之外，磁場(chǎng)和光也可應(yīng)用于微流控平臺(tái)的高精度液滴生成。2010年，Tan等［24］利用圓形永磁體在T型結(jié)微流控裝置中操縱納升級(jí)磁流體液滴的形成，并報(bào)道了附加磁力會(huì)引起液滴尺寸的變化 ［圖3（d）］。2004年，Deshpande等［27］利用光驅(qū)動(dòng)微機(jī)械加工的硅薄膜振動(dòng)實(shí)現(xiàn)皮升級(jí)液滴的噴出。2011年，Park等［28］在微流控平臺(tái)上利用脈沖激光產(chǎn)生液滴，液滴體積在1～150 pL范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào) ［圖3（e）］?；陔姟⒋?、聲、光的液滴生成技術(shù)由于具有高的移液精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的精細(xì)操控被廣泛研究［24-28，83-87］。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要基于微機(jī)械加工平臺(tái)，適用于微流控領(lǐng)域應(yīng)用，可以大幅度降低成本，提高樣品處理通量，但是通用性不佳，而且液體與平臺(tái)直接接觸，存在平臺(tái)清洗、樣品交叉污染等問題。另外，除了超聲移液技術(shù)之外，其他移液技術(shù)都需要毛細(xì)管、噴嘴等進(jìn)行輔助，進(jìn)一步增加了堵塞、交叉污染等風(fēng)險(xiǎn)。

2 非接觸式超聲移液技術(shù)

基于吸頭、毛細(xì)管、噴嘴等移液頭的移液技術(shù)，在移液過程中液體會(huì)與移液頭直接接觸，是接觸式的移液方式，存在樣品殘留、交叉污染以及堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。近年來，非接觸式超聲移液技術(shù)由于無需一次性移液頭輔助，具有無液體黏附及殘留、無交叉污染、無堵塞風(fēng)險(xiǎn)以及可以降低耗材費(fèi)用等優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)了重要的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。如圖4所示，非接觸式超聲移液技術(shù)是一種聲鑷技術(shù)，利用位于液體容器下方的超聲換能器發(fā)射聚焦超聲波，并利用聚焦超聲波的聲輻射力將微小尺寸的液滴直接從母板容器液體表面向上噴出，進(jìn)入到液體上方的目標(biāo)板容器中，實(shí)現(xiàn)高精度微量液體的無接觸式操控和轉(zhuǎn)移。該方法中移液液滴尺寸可以通過調(diào)節(jié)聚焦超聲波焦點(diǎn)尺寸和超聲能量進(jìn)行精準(zhǔn)控制，無需吸頭、毛細(xì)管、噴嘴等移液頭輔助，液滴在轉(zhuǎn)移過程中不與容器外的其他任何媒介接觸，從而實(shí)現(xiàn)完全非接觸式移液。另外，該方法中超聲波可以連續(xù)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)液滴的快速連續(xù)噴出，從而實(shí)現(xiàn)高通量、自動(dòng)化、精準(zhǔn)定量移液。

圖4 非接觸式超聲移液技術(shù)［88］Fig. 4 Non-contact ultrasonic liquid transfer technology[88]

早在1902年，Lord Rayleigh［89］就提出了聲輻射力的概念和理論計(jì)算方法。一般來講，聲輻射力是指?jìng)鞑サ穆暡ㄈ肷涞揭粋€(gè)障礙物或界面上時(shí)所產(chǎn)生的與聲傳播方向相同的平均壓力。超聲移液技術(shù)的發(fā)展最早要追溯到20世紀(jì)80年代研究的基于聲輻射力的超聲噴射液滴用于噴墨打印的技術(shù)。前面提到，1981年美國Lovelady等［75］就提出利用弧面超聲換能器發(fā)射聚焦超聲波，將換能器聲場(chǎng)聚焦于液面的微小區(qū)域，將液滴從液面噴出，用于噴墨打印。該方法無需噴嘴，可以避免堵塞等問題，但是液滴的大小和噴射方向還不能精準(zhǔn)控制。隨后施樂帕羅奧多研究中心的Quate等［90］于1987年提出了利用平面超聲換能器陣列發(fā)射聚焦超聲波將液滴從液面噴出，并且可以通過調(diào)節(jié)發(fā)射超聲波波束改變液滴噴出的位置和方向。1989年Quate等［91］基于實(shí)驗(yàn)和理論仿真研究了利用弧面聲透鏡聚焦的單陣元換能器發(fā)射聚焦超聲波從液面噴出液滴的方法，通過控制超聲波頻率和脈沖長度可以調(diào)節(jié)噴出液滴的尺寸，實(shí)現(xiàn)納升級(jí)和皮升級(jí)液滴的噴出，同時(shí)基于聲輻射力理論分析了聚焦超聲波與液面的動(dòng)量耦合以及隨后液滴的形成動(dòng)力學(xué)。當(dāng)聚焦換能器產(chǎn)生的超聲波聚焦于液體表面時(shí)，液面處的聲輻射力是由聲束在液體表面的平均能量密度決定，是聲壓在脈沖時(shí)間上的積分所得，與聲場(chǎng)壓力成正比。當(dāng)聚焦超聲波的聲輻射力能夠克服液體表面張力的約束時(shí)，流體表面會(huì)形成凸起；當(dāng)聲輻射力超過閾值時(shí)，液面凸起會(huì)變高，且由于瑞利-泰勒不穩(wěn)定性，液滴會(huì)從凸起的頂部噴射出來。但是Quate等的理論分析是基于聚焦超聲波與液面相互作用區(qū)域是聲束的半高寬區(qū)域以及作用區(qū)域中聲輻射力是均勻分布的簡(jiǎn)單假設(shè)。因此，該理論分析只能定性地解釋液滴噴出的動(dòng)力學(xué)過程，得出超聲波頻率和脈沖持續(xù)時(shí)間等聲波參數(shù)與噴出液滴尺寸的相關(guān)關(guān)系，并不能準(zhǔn)確定量分析液滴尺寸與聲波參數(shù)的關(guān)系。

關(guān)于聚焦超聲波的聲輻射力與液-氣液面的耦合機(jī)制及對(duì)液滴形成過程和尺寸影響的機(jī)理少有研究。但是利用超聲波噴射液滴進(jìn)行移液的技術(shù)和潛在應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注。2002年，美國南加州大學(xué)Kim團(tuán)隊(duì)提出了環(huán)狀扇形電極自聚焦換能器［圖5（a）］，在ZnO薄膜上鍍有扇形圖案化電極，實(shí)現(xiàn)平面探頭的聚焦以及聲束的定向偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了直徑小于10 μm 液滴按照設(shè)計(jì)角度從液面噴出，并在2006年將該技術(shù)應(yīng)用于皮升級(jí)DNA液滴的移?。?9，82，92-93］。該自聚焦超聲換能器能實(shí)現(xiàn)幾百兆赫超高頻超聲波的聚焦，能實(shí)現(xiàn)小于10 μm的焦點(diǎn)大小，從而實(shí)現(xiàn)直徑小于10 μm液滴的噴出，液滴體積不到1 pL。但是這種自聚焦換能器能量小，只適用于低黏度液體，且液滴噴射出液面的距離短。2006年，Kim團(tuán)隊(duì)基于菲涅爾原理設(shè)計(jì)了空氣反射式聲透鏡［圖5（b）］，實(shí)現(xiàn)PZT平面換能器的聚焦，可以實(shí)現(xiàn)較大的能量輸出，并在之后十幾年內(nèi)相繼實(shí)現(xiàn)了緩沖液、氨基酸溶液以及含有PSL顆粒溶液等從幾十微米到幾百微米不同尺寸液滴從液面噴出，但是其能量仍然有限，噴射距離不大［94-100］。除了采用聚焦換能器產(chǎn)生的體波進(jìn)行移液之外，2009年澳大利亞蒙納士大學(xué)Yeo團(tuán)隊(duì)提出利用聚焦的聲表面波實(shí)現(xiàn)了液滴的噴出，并于2018年通過研究調(diào)節(jié)脈沖長度和超聲頻率實(shí)現(xiàn)了直徑60～500 μm液滴的噴出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的移取［86，101］。聲表面波通常是用叉指換能器（IDT）在壓電材料表面產(chǎn)生，是一種沿壓電材料表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，其波長由IDT指寬和間距決定。聲表面波在壓電基底與流體界面?zhèn)鞑r(shí)，會(huì)以瑞利角向流體中輻射聲能，從而產(chǎn)生液滴噴射。2019年，Yeo團(tuán)隊(duì)［102］基于前期研究工作提出了基于聲表面波的納升級(jí)移液平臺(tái)。同年，武漢大學(xué)Chen等［103-104］利用聲表面聚焦波實(shí)現(xiàn)了納升級(jí)液滴的移取［圖5（c）］，液滴內(nèi)含有細(xì)胞，并實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的三維組裝。2021年，天津大學(xué)Ning等［105］基于聲表面聚焦波實(shí)現(xiàn)了直徑22 μm液滴的噴出，液滴體積約為5.6 pL。但是與前面提到的自聚焦換能器、空氣反射式聲透鏡換能器類似，聲表面波能量小，噴射距離短，一般適用于微流控平臺(tái)。另外，這三種技術(shù)中換能器與液體容器是一個(gè)整體，更換液體時(shí)存在清洗和交叉污染的問題，無法充分發(fā)揮超聲移液技術(shù)完全非接觸式特色的優(yōu)勢(shì)。

圖5 基于不同超聲換能器的超聲移液技術(shù)示意圖Fig. 5 Schematic diagrams of ultrasonic liquid transfer technology based on different acoustic transducers

相比前面提到的超聲波聚焦方法，利用單陣元弧面聚焦換能器發(fā)射的聚焦超聲波具有大的輸出能量，可以實(shí)現(xiàn)大的液滴噴射距離以及可以實(shí)現(xiàn)換能器與液體容器分離，從而充分發(fā)揮超聲移液技術(shù)非接觸式特色的優(yōu)勢(shì)。2012年，美國密歇根大學(xué)Fang等［106］基于4 MHz單陣元弧面聚焦換能器實(shí)現(xiàn)了含有細(xì)胞的納升級(jí)液滴的快速陣列化移取。2017年，日本東京工業(yè)大學(xué)Tanaka等［107］基于1.5 MHz單陣元弧面探頭研究了超聲脈沖長度、換能器與液體表面距離及液體表面張力對(duì)噴出液滴形態(tài)和尺寸的影響，實(shí)現(xiàn)了1 μL液滴從微孔板中穩(wěn)定噴出。2021年，天津大學(xué)Guo等［108］基于5 MHz單陣元弧面聚焦超聲換能器研究分析液體黏度和表面張力對(duì)噴出液滴所需超聲激勵(lì)能量和液滴尺寸的影響，并據(jù)此通過控制超聲激勵(lì)能量實(shí)現(xiàn)納升級(jí)液滴可控的噴出。單陣元弧面聚焦換能器雖然具有能量大的優(yōu)勢(shì)，但是由于制作難度，一般頻率都在10 MHz以下，移液液滴精度在納升級(jí)。2021年，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海榮研究員團(tuán)隊(duì)［88］研制了中心頻率40 MHz，帶寬70%的單陣元高頻弧面聚焦超聲換能器，并基于同一個(gè)換能器通過調(diào)節(jié)頻率（30～50 MHz）、激勵(lì)電壓幅度和脈沖長度，實(shí)現(xiàn)了精度可控的皮升級(jí)液滴的移取 ［圖5（d）］。超聲移液技術(shù)由于具有完全非接觸式的特色，并具有精度高、速度快、能保持生物樣品活性等特點(diǎn)，除了在藥物合成、試劑檢測(cè)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)之外，在一些新型的生物應(yīng)用方面也展示了巨大潛力。比如，2006年Aerni等［109］利用非接觸式超聲移液技術(shù)實(shí)現(xiàn)陣列式高通量基質(zhì)溶液的移取，用于基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜的組織切片樣品制備。2012年，Harris等［110］將非接觸式超聲移液技術(shù)用于納升級(jí)蛋白質(zhì)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)。2016年，Kanigowska等［111］將非接觸式超聲移液技術(shù)成功應(yīng)用于DNA的合成。2021年，Jentsch等［112］將非接觸式超聲移液技術(shù)用于3D生物打印技術(shù)。

由于超聲移液技術(shù)的非接觸式特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，人們不僅一直在探索新型的非接觸式超聲移液方法技術(shù)及新型應(yīng)用，同時(shí)還在不斷完善非接觸式超聲移液技術(shù)，將該技術(shù)推向?qū)嶋H應(yīng)用。2006年，Labcyte公司推出了基于非接觸式超聲移液技術(shù)的Echo移液系統(tǒng)［圖6（a）］，移液液滴體積最小可達(dá)2.5 nL。隨后，Labcyte提出了動(dòng)態(tài)液體分析技術(shù)［113-115］，并基于Echo移液系統(tǒng)推出了Access實(shí)驗(yàn)室工作站，將Echo移液系統(tǒng)與其他設(shè)備及附件直接集成于工作臺(tái)上，允許人們快速地將Echo應(yīng)用方案編入列表以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化孔板處理，進(jìn)一步促進(jìn)了echo移液系統(tǒng)在領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。Echo移液系統(tǒng)基于非接觸式超聲移液技術(shù)，以定制微孔板作為液體容器，將超聲波能量精準(zhǔn)聚焦于液體液面，使母板孔內(nèi)的納升級(jí)液滴轉(zhuǎn)移至目標(biāo)板孔內(nèi)，準(zhǔn)確地移取各種液體［116-118］，充分發(fā)揮了非接觸式超聲移液技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用跨越許多科學(xué)領(lǐng)域，包括合成生物學(xué)、藥物開發(fā)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、診斷學(xué)、影像質(zhì)譜和活細(xì)胞轉(zhuǎn)移等［40，110-111，119-121］。時(shí)至今日，非接觸式超聲移液系統(tǒng)作為自動(dòng)化移液工具已得到了廣泛的認(rèn)可。非接觸式超聲移液技術(shù)的應(yīng)用不僅僅是移液效率的提升、移液方式的改善，也是實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化和智能化的重要組成部分。目前Echo移液系統(tǒng)在國內(nèi)外藥物研發(fā)、基因組學(xué)，轉(zhuǎn)換醫(yī)學(xué)、合成生物學(xué)等領(lǐng)域都占有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。國內(nèi)超聲移液技術(shù)研發(fā)起步相對(duì)較晚，目前在學(xué)術(shù)研究和技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面都已取得了突破性進(jìn)展。國產(chǎn)研發(fā)設(shè)備如深圳歡影醫(yī)療科技有限公司Arrow系列移液系統(tǒng)［圖6（b）］已實(shí)現(xiàn)了納升級(jí)超聲移液，其移液精度和準(zhǔn)確度均已達(dá)到行業(yè)應(yīng)用水平。

圖6 兩種移液系統(tǒng)Fig. 6 Liquid handling system from two companies

3 總結(jié)與展望

綜上所述，基于活塞式原理的移液器和自動(dòng)化移液工作站已廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)?；陔姶砰y和壓電驅(qū)動(dòng)的高精度移液技術(shù)也已在生物醫(yī)藥、臨床檢測(cè)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用?；陔?、磁、光、聲的新型高精度移液技術(shù)也引起了人們的廣泛關(guān)注，其中非接觸式超聲移液技術(shù)已得到了行業(yè)的認(rèn)可和應(yīng)用?？偟膩碚f，移液器開創(chuàng)了精密微量移液的時(shí)代。在之后的半個(gè)世紀(jì)里，移液技術(shù)不斷發(fā)展革新，移液操作范式從手動(dòng)到半自動(dòng)，再到全自動(dòng)、高通量不斷發(fā)展，同時(shí)移液的精度也從微升級(jí)不斷提高到納升級(jí)甚至皮升級(jí)。近年來非接觸式的自動(dòng)化超聲移液技術(shù)由于可以克服接觸式移液技術(shù)的固有缺陷，有望開啟微量移液技術(shù)的新紀(jì)元。

表1對(duì)比了不同微量移液技術(shù)的原理、特點(diǎn)和代表性應(yīng)用?，F(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使得日常需要使用的液體樣本數(shù)量越來越多，而單個(gè)樣本的液體含量卻不斷減少，從而對(duì)移液操作的通量、精度、準(zhǔn)確性和可靠性要求越來越高。當(dāng)前不同的移液技術(shù)都有各自的優(yōu)勢(shì)和不足。移液液滴的體積越小，移液精度越高，但是同時(shí)對(duì)移液的準(zhǔn)確性和可靠性挑戰(zhàn)越大，因而對(duì)移液設(shè)備的要求越高，從而導(dǎo)致成本大幅度增加。另外，移液速度快和移液操作的并行處理會(huì)大幅度提高移液的通量，從而提高實(shí)驗(yàn)或工作效率，同時(shí)也會(huì)增加移液設(shè)備的成本。實(shí)際應(yīng)用中移液技術(shù)的選擇應(yīng)綜合考慮精度、通量和成本，根據(jù)應(yīng)用需求和樣品量的具體情況合理選擇移液技術(shù)和設(shè)備。

表1 不同微量移液技術(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of different low-volume liquid transfer technologies

當(dāng)前基于移液頭的接觸式移液技術(shù)仍然是實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)領(lǐng)域的主流。其中，自動(dòng)化移液工作站，作為一種可以極大程度提高實(shí)驗(yàn)室工作效率、提升準(zhǔn)確性的有效解決方案，已成為生物、醫(yī)療領(lǐng)域高通量樣本處理的趨勢(shì)。但是基于移液頭的接觸式移液方法固有的缺陷（如交叉污染、殘留堵塞等風(fēng)險(xiǎn)），使得準(zhǔn)確性和可靠性在精度要求越來越高的情況下難以保證。由于非接觸式移液的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，高通量、高精度、自動(dòng)化、智能化的非接觸式微量移液技術(shù)是未來發(fā)展的趨勢(shì)。但是當(dāng)前非接觸式超聲移液技術(shù)還存在一些不足，限制了其大規(guī)模應(yīng)用：第一，由于超聲移液技術(shù)結(jié)構(gòu)和所用部件比傳統(tǒng)活塞式移液技術(shù)復(fù)雜且難度大，當(dāng)前非接觸式超聲移液系統(tǒng)只有一個(gè)移液通道，雖然移液速度快，但是通道數(shù)量少限制了其移液通量，與傳統(tǒng)自動(dòng)化移液工作站相比還有一定差距；第二，適用的液體種類和場(chǎng)景仍有諸多限制，溶液容器也局限于特殊的微孔板種類和尺寸，限制了其通用性。因此，研究聲輻射力多點(diǎn)并行移液技術(shù)，比如通過聲人工結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)在液面處的多點(diǎn)聚焦，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)并行移液，是提高非接觸式超聲移液技術(shù)通量的一種有效方法。另外，簡(jiǎn)化超聲移液模塊結(jié)構(gòu)，開發(fā)多通道移液技術(shù)，也可以大幅度提高超聲移液通量。引入機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺等技術(shù)完善基于聲波的液體表征、識(shí)別技術(shù)以及實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)，克服超聲移液對(duì)溶液容器的局限，提高其通用性，是未來非接觸式超聲移液技術(shù)研究的重點(diǎn)和發(fā)展方向。目前商業(yè)化的非接觸式超聲移液系統(tǒng)只有納升級(jí)精度，更高精度的應(yīng)用需求難以滿足，發(fā)展皮升級(jí)精度的非接觸式超聲移液系統(tǒng)也是推廣完善該技術(shù)的一個(gè)重要方向。另外，研究發(fā)展新型原理的非接觸式精密微量移液技術(shù)也是需要努力探索的方向。

由于非接觸式超聲移液技術(shù)還未成熟，存在諸多限制，基于接觸式微量移液技術(shù)的自動(dòng)化移液工作站仍然會(huì)是未來很長一段時(shí)間內(nèi)市場(chǎng)的主流。充分利用活塞式移液技術(shù)和基于電磁閥、壓電驅(qū)動(dòng)移液技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)，并改進(jìn)優(yōu)化這些技術(shù)，進(jìn)一步提高自動(dòng)化移液工作站的移液精度、通量、自動(dòng)化程度和集成化程度是自動(dòng)化移液工作站發(fā)展的下一步目標(biāo)。另外，發(fā)展高效液體表征、識(shí)別技術(shù)以及移液過程檢測(cè)技術(shù)，提高自動(dòng)化移液工作站的智能化程度，也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

除了通用性較高的精密微量移液技術(shù)和系統(tǒng)之外，針對(duì)特定應(yīng)用的基于微流控平臺(tái)的微量液體處理技術(shù)和專用芯片以其低成本、便攜、可實(shí)現(xiàn)高通量和自動(dòng)化的特點(diǎn)在臨床體外診斷領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。進(jìn)一步完善基于微流控平臺(tái)的電、磁、聲、光等精密微量移液及液體處理技術(shù)，提高其兼容性、可靠性和可擴(kuò)展性，并推動(dòng)這些技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)實(shí)際臨床應(yīng)用是一個(gè)很有前景的發(fā)展方向。同時(shí)，探索新型的基于微流控平臺(tái)的微量移液及液體處理技術(shù)也是值得探索的方向。