ریز سیال‌شناسی مبتنی بر قطرات

ریز سیال شناسی مبتنی بر قطرات حجم های مجزایی از مایعات در فاز های مخلوط نشدنی با عدد رینولدز پایین و نظام های جریان آرام را دستکاری میکند.اساساً توجه به سیستم های ریز سیال شناسی مبتنی بر قطرات در دهه های اخیر رشد یافت.ریز قطره ها امکان بررسی راحت حجم های کوچک مایعات، تامین مخلوط شدن بهتر،به صورت کپسول درآوردن، تفکیک کردن و دریافت را فراهم کردند و برای آزمایش‌ها با توان بازدهی بالا مناسب هستند.دو فاز مخلوط نشدنی که برای سیستم های مبتنی بر قطرات استفاده میشد، منسوب هستند به فاز پیوسته (متوسط که در آن قطره ها جریان دارند) و فاز پراکنده (فاز قطره ای).

روش های تشکیل قطره 
برای رخ دادن تشکیل قطره کوچک باید دو فاز مخلوط نشدنی، منسوب به فاز پیوسته (متوسط که در آن قطره ها تولید شده اند) و فاز پراکنده (فاز قطره ای )،مورد استفاده قرار بگیرند.سایز قطره تولید شده اساساً توسط نسبت سرعت جریان فاز پیوسته و پراکنده، کشش بین سطحی بین دو فاز و هندسه ی کانال هایی که برای تولید قطره استفاده شده کنترل شده است.قطره ها میتوانند به دو صورت فعال و غیرفعال تشکیل شوند.تشکیل قطره به صورت فعال (الکتریکی،مغناطیسی،گریزنده از مرکز) اغلب دستگاه مشابه روش تشکیل غیرفعال را استفاده میکند اما به یک ورودی انرژی خارجی برای دستکاری قطره نیاز دارد.تشکیل غیرفعال قطره احتمال بیشتری برای رایج شدن نسبت به فعال دارد به دلیل اینکه نتایج مشابه با طراحی دستگاه ساده تری تولید میکند.به طور معمول،سه نوع هندسه ریز سیال شناسی برای تولید غیرفعال قطرات استفاده شده اند:1.جریان متقاطع 2.تمرکز جریان 3.جریان هم محور.ریز سیال شناسی مبتنی بر قطرات برای اطمینان از جریان آرام داخل سیستم غالباً کمتر از عدد رینولدز پایین عمل میکند.سایز قطره عمدتاً با ضریب تغییرات به عنوان استاندارد انحراف از سایز اصلی قطره سنجیده میشود.هر یک از روش های فهرست شده یک راه برای تولید قطرات ریز سیال در یک روش قابل کنترل و تنظیم پذیر همراه متغیر دستکاری مناسب را فراهم میکند.

تشکیل قطره با جریان متقاطع 
جریان متقاطع یک روش تشکیل غیرفعال است که فاز های پیوسته و آبی را درگیر رفتن به سمت هم در یک گوشه میکند.به طور معمول کانال ها عمودی دارای یک اتصال T شکل هستند که فاز پراکنده با فاز پیوسته تقاطع میکند؛اشکال دیگر مانند اتصال Y شکل هم ممکن هستند.فاز پراکنده در پیوسته پخش میشود و تا ماشین برش یک قطره را مجبور به شکستن کند متسع میشود.در یک اتصال T شکل سایز و سرعت ساخت قطره با نسبت سرعت جریان و عدد موِئینگی مشخص میشود.عدد موئینگی نشان دهنده چسبندگی فاز پیوسته، سرعت سطحی فاز پیوسته و کشش بین سطحی است.به‌طور نمونه سرعت جریان فاز پراکنده نسبت به فاز پیوسته کمتر است.اتصال T شکل میتواند با اضافه کردن کانال های اضافه و تولید دو اتصال T شکل در یک مکان، بیشتر به کار بسته شود . با اضافه کردن کانال ها فاز های پراکنده مختلفی میتوانند در یک نقطه برای تولید متناوب قطره هایی با ترکیب های مختلف اضافه شوند.اندازه قطره -معمولاً بالای ده میکرومتر- توسط اندازه کانال ها محدود شده است و اغلب قطره های با ضریب تغییرات کمتر از 2% با سرعت بالاتر از 7کیلوهرتز تولید میکند.

تشکیل قطره با تمرکز جریان 
تمرکز جریان یک روش تشکیل همیشه غیرفعال است که شامل فاز پراکنده است که به‌طور نمونه جریان پیدا میکند تا در یک گوشه به فاز پیوسته برسد(جریان های غیرموازی) و سپس تحت یک محدودیت بگیرد که قطره تولید کند.این محدودیت معمولاً یک باریک شدن در کانال است که قطره را طی برش دهی منظم که توسط یک کانال با عرض مساوی یا بیشتر ادامه دارد، تولید میکند.به‌طور نمونه همانند جریان متقاطع سرعت جریان فاز پیوسته نسبت به فاز پراکنده بیشتر است.کاهش جریان فاز پیوسته میتواند باعث افزایش اندازه قطره شود.تمرکز جریان همچنین میتواند یک روش فعال با نقطه محدودیت تنظیم پذیربا استفاده از محفظه کناری پرباد باشد که توسط هوای فشرده کنترل شود.محفظه های قابل جابجایی برای محدود کردن جریان، تغییر شکل جریان و تولید یک قطره با فرکانس محرک قابل تغییر عمل میکنند.اندازه قطره معمولاً حدود چند صد نانومتر با ضریب تغییرات کمتر از 3 درصد و سرعت بیشتر از چند صد هرتز تا کیلوهرتز است.

تشکیل قطره با جریان هم محور 
جریان هم محور یک روش غیرفعال تشکیل قطره است جایی که کانال فاز پراکنده درون یک کانال فاز پیوسته محصور شده است. در انتهای کانال فاز پراکنده، مایع تا زمانیکه از نیروی برش بشکند و قطره هایی را با چکیدن یا فوران کردن تشکیل دهد ادامه دارد. چکیدن هنگامی که نیروهای مویینگی بر سیستم تسلط پیدا میکنند اتفاق می افتد و قطره ها در نقطه انتهایی کانال تشکیل میشوند.فوران کردن توسط عریض شدن یا  منبسط شدن، هنگامی که فاز پیوسته آرامتر حرکت میکند درحالیکه یک جریان از آغاز کانال فاز پراکنده تشکیل شده است اتفاق می افتد.در حالت عریض شدن، فاز پراکنده  سریعتر از فاز پیوسته حرکت میکند که باعث کاهش سرعت فاز پراکنده، عریض شدن قطره و افزایش قطر میشود. در حالت منبسط شدن چیره شدن کشش چسبندگی سطحی جریان را وادار به تنگنا ی ایجاد قطره کوچکتر میکند.تاثیر سرعت جریان فاز پیوسته بر اندازه قطره به اینکه سیستم در حالت عریض یا منبسط قراردارد بستگی دارد به این معنی که معادله های متفاوتی برای پیشگویی انداره قطره باید استفاده شوند.اندازه قطره معمولاً حدود چند صد نانومتر با ضریب تغییرات کمتر از 5% و سرعت بالای تا کیلوهرتز است.

دستکاری قطره 
فواید ریزسیالات میتواند به توان عملیاتی بالاتری با استفاده از کانال های بزرگتر برای اجازه عبور قطره های بیشتر یا افزایش سایز قطره افزایش پیدا کند.اندازه قطره میتواند با تنظیم کردن سرعت جریان فاز پیوسته و پراکنده تعدیل شود اما اندازه قطره توسط نیاز به بقای جمع شدگی، فاصله ی بین آنالیت و ثبات ریزقطره ها محدود میشود.بدین گونه اگرچه پراکندگی و ثبات قطره ها یک نگرانی باشد، افزایش سایز کانال به دلیل قابلیت تشکیل و انتقال تعداد زیادی از قطره ها جالب خواهد بود .در نهایت، مخلوط کردن کامل قطره ها برای نشان دادن بیشترین تعداد ممکن معرف، برای اطمینان از بیشترین مقدار واکنش مواد آغاز کننده ضروری است.این میتواند با استفاده از یک کانال بادی برای راحت کردن جریان لایه ای بی ثبات بین قطره ها صورت بگیرد.

افزایش معرف 
واکنش های میکروسکوپی انجام شده در کاربردهای مبتنی بر قطره معرف ها را  از صدمه محافظت کرده و زمان واکنش را به میزان کیلوهرتز کاهش میدهد. افزایش معرف به میکروراکتور های قطره ای به دلیل سختی به دست آمدن مواد ترکیب شده تجدید پذیر به میزان کیلوهرتز بدون آلودگی قطره به قطره مرکز توجهی برای تحقیقات بوده است.

جریان موازی معرف قبل از تشکیل قطره 
معرف ها میتوانند در زمان تشکیل قطره به وسیله ی یک هندسه جریان موازی، اضافه شوند. جریان معرف ها در کانال های جدایی پمپ میشوند و در فصل مشترک با یک کانال حاوی فاز پیوسته به آن می پیوندد که قطره های حاوی هردو معرف را  برش داده و تولید میکند. با تغییر سرعت جریان در کانال های معرف،نسبت معرف در یک قطره قابل کنترل است.

ترکیب قطره 
ترکیب شدن قطره ها با مواد دیگر میتواند همچنین برای اضافه کردن معرف مورد استفاده قرار بگیرد.الکتروکوالسانس دو قطره را با به کارگیری یک میدان الکتریکی برای بی ثبات کردن موقتی سطح بین دو قطره و به دست آوردن ترکیب قطره قابل تکثیردر امولسیون های با ماده سطحی فعال(سورفکتانت) ثابت، ترکیب میکند. الکتروکوالسانس قطره هایی ( که معمولاً توسط فاز پیوسته جدا شده اند) را برای در تماس قرار دادن احتیاج دارد.با دستکاری کردن اندازه قطره ها در جریان های جداگانه، جریان هایی از اندازه های متفاوت قطره میتواند قطره ها را قبل از ترکیب شدن در تماس قرار دهد.

یک روش دیگر برای راحتی ترکیب قطره ها انبرک صوتی است.هنگامی که قطره ها در حال جریان پیدا کردن در کانال های ریز سیالی هستند میتوانند با یک انبرک صوتی مبتنی بر موج های اکوستیک سطحی از حرکت باز داشته شوند.هنگامی که یک قطره توسط انبرک صوتی نگه داشته شده است، قطره های متوالی در آن بهم برخورد کرده و ترکیب اتفاق می افتد.

تزریق معرف به قطره موجود 
روش های جریان هم محور معرف و ترکیب قطره به رویدادهای تشکیل قطره که باعث فقدان انعطاف انتهای جریان میشود بستگی دارند. برای جدا کردن اضافه کردن معرف از تشکیل قطره، یک وضعیت که در آن جریان معرف از طریق یک کانال عمودی به سمت جریان قطره مورد استفاده قرار گرفته است.سپس یک قطره تزریقی حین عبور از کانال با پلاگ ترکیب میشود.حجم معرف توسط سرعت جریان لوله ی عمودی معرف کنترل میشود.

یک چالش اولیه برای این چنین سیستمی این است که ترکیب معرف و قطره برای امولسیون های پایدار تجدید پذیر نبود.با اقتباس از استفاده از یک میدان الکتریکی برانگیخته در این هندسه که توسط Abate و همکارانش انجام شده بود تزریق کمتر از پیکولیتر معرف انجام شد.این مطالعه ،که پیکواینجکشن نامیده میشود،حجم تزریق را از طریق فشار جریان معرف و شتاب قطره کنترل میکند. کار بیشتر روی این روش به هدف کاهش فشار نوسانات که مانع تزریق قابل تجدید است، رسید.

آلودگی قطره به قطره چالشی است که بسیاری از روش های تزریق با آن روبرو هستند.برای مبارزه با آن Doonan و همکارانش یک کانال K چند منظوره را توسعه داد که جریان معرف را خلاف راه جریان قطره جاری میکند. با استفاده از یک سطح مشترک بین دو کانال تزریق شباهتی به پیکواینجکشن پیدا کرد اما هرگونه آلودگی دو طرفه از طریق جریان معرف پیوسته شسته شده است. آلودگی به دلیل مخارج به هدر رفتن پنهانی معرف با ارزش،مورد اجتناب است.

انکوباسیون قطره 
در راستای نشان دادن ریز سیالات مبتنی بر قطره به صورت یک تکنیک ماندنی برای به عهده گرفتن واکنش های شیمیایی یا کار کردن با سلول های زنده زیر میکروسکوپ،ضروری است که روش هایی را اجراکنیم که انکوباسیون قطره را ممکن سازند.واکنش های شیمیایی اغلب برای رخ دادن به زمان احتیاج دارند،و همچنین سلول های زنده برای رشد،تکثیر و انجام واکنش های متابولیک نیاز به زمان دارند. انکوباسیون قطره بستگی به پارامتر های سیستم میتواند داخل دستگاه (روی تراشه) یا خارج (خارج از تراشه) انجام شود.انکوباسیون خارج از تراشه برای انجام چند انکوباسیون یا بیشتر در روز و یا برای انکوباسیون میلیونها قطره در یک زمان مورد استفاده قرار بگیرد.انکوباسیون روی تراشه اجازه ی یکپارچه سازی دستکاری قطرات و مراحل تشخیص در یک دستگاه واحد را میدهد.

انکوباسیون خارج از تراشه 
قطره های حاوی سلول ها در حال حفظ حیات سلولی و اجازه ورود مجدد به دسنگاهی دیگر برای تجزیه و تحلیل، میتوانند به مدت چندین روز خارج از تراشه در لوله ی پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) ذخیره شوند.تبخیر سطحی مایعات مبتنی بر آب و روغن همراه با ذخیره ی قطره در لوله پلی فلوئورواتیلن انتشار پیدا کرده است،بنابراین برای ذخیره سازی طولانی تر از چند روز مویینه های شیشه ای نیز استفاده میشود.در نهایت شکل گیری بعدی در یک دستگاه ریزسیالی، قطره ها همچنین ممکن است از طریق یک سیستم از لوله و مویینه ها که به یک سرنگ ختم میشود هدایت شوند.قطره ها را میتوان در سرنگ انکوبه کرد و سپس مستقیماً برای دستکاری های بیشتر یا تشخیص و آنالیز در یک تراشه دیگر تزریق شود.

انکوباسیون روی تراشه 
خطوط تاخیر برای انکوباسیون قطره ها روی تراشه استفاده میشوند.پس از تشکیل، قطره ها میتوانند به یک کانال مارپیچی شکل با قطر یک متر یا بیشتر عرضه شوند.افزایش عمق و عرض کانال خط تاخیری (مانند کانال هایی که برای شکل دادن و انتقال قطره ها استقده میشد) زمان های انکوباسیون بیشتری را هنگام کاهش فشار پشتی کانال تامین میکند.به دلیل سایز بزرگتر کانال،قطره ها کانال خط تاخیر را پر میکنند و در زمانی که طوی میکشد که قطره ها از این کانال عبور کنند انکوبه میشود.

خطوط تاخیر اساساً برای انکوبه کردن قطره های محتوی ترکیب واکنش های شیمیایی طراحی شدند و توانایی ایجاد تاخیر تا مدت یک ساعت را داشتند.این دستگاه ها بسته به طول بر حسب سانتی متر، استفاده از خط تاخیر را ممکن میکنند. افزایش طول کلی کانال خط تاخیربه اندازه یک متر یا بیشتر، زمات انکوباسیون را 12 ساعت یا بیشتر ممکن میکند.خطوط تاخیر برای نگه داشتن ثبات قطره برای بیشتر از 3 روز معرفی شدند و زنده ماندن سلول با استفاده از خطوط تاخیر روی تراشه، بیش از 12 ساعت را نشان داد.قبل از پیشرفت خطوط تاخیر،انکوباسیون روی تراشه با منتقل کردن قطره ها به مخزن های بزرگ (چندین میلی متر در هم طول و هم عرض) انجام شد که اگر زمان دقیق کنترل قطره ها مورد نیاز نباشد، ظرفیت ذخیره سازی بالا و کاهش پیچیدگی ساختاری دستگاه وعملکرد را عرضه میکردند.

اگر داشتن یک توزیع یکسان از زمان های انکوباسیون برای قطره ها مهم است،کانال خط تاخیر میتواند دارای تنگناهای گسترده منظم باشد. جریان قطره ها در طی یک کانال با قطر یکسان بر مبنای جایگاه شعاعی آنها یا سرعت های مختلفی جابجا میشود؛ قطره های نزدیکتر به مرکز کانال از قطره های نزدیک به کناره سریعتر حرکت میکنند.با تنگ کردن عرض کانال به بخش کوچکی از اندازه ی معمولش،قطره های با شتاب بیشتر مجبور به تعادل با قطره های با حرکت آهسته تر میشوند به دلیل اینکه تنگنا به قطره های کمتری در یک زمان اجازه ی عبور میدهد. یک دستکاری دیگر در هندسه ی کانال خط تاخیر شامل اضافه کردن پیچ هایی در مسیر عبور قطره هاست.اینکار باعث افزایش اندازه میشود که هر معرفی که قطره محتوی آن است با فرا رفت نامنظم مخلوط باشد.برای سیستم هایی که انکوباسیون 100 تا 1000 قطره را نیاز دارند، تله ها میتوانند در کانال خط تاخیر تعبیه شوند که قطره ها را جدا از هم ذخیره میکند. این کار کنترل بهتر و تولید قطره های خاص را ممکن میکند.

قطره های مغناطیسی 
روش ریز سیال مغناطیسی کنترل سیالات مغناطیسی با بکار بردن میدان مغناطیسی روی یک پلتفورم ریزسیال با ارائه ی کنترل بی سیم و قابل برنامه ریزی قطره ی مغناطیسی است.بنابراین، نیروی مغناطیسی همچنین میتواند برای انجام عملکرد های استدلالی مختلف به اضافه نیروی هیدرودینامیک و نیروی کشش سطحی، مورد استفاده قرار بگیرد.دوام میدان مغناطیسی، نوع میدان مغناطیسی ( متحرک،یکسان یا چرخنده)، حساسیت مغناطیسی، کشش بین سطحی، سرعت جریان و نسبت سرعت جریان، کنترل قطره ها بر یک پلتفورم ریزسیال مغناطیسی را تعیین میکند.

مرتب سازی قطره ای 
مرتب سازی قطره در میکروفیلیدها یک روش مهم است، که اجازه می دهد تا جداسازی بر اساس عوامل متغیر از اندازه قطره تا مواد شیمیایی برچسب خورده شده با فلورسنت در داخل قطره، کار انجام شده برای مرتب سازی سلول ها در جریان سیاتومتری  را میکاهد. در حوزه مرتب سازی قطره، دو نوع اصلی وجود دارند، دسته بندی فله ای که از روش های فعال یا غیر فعال استفاده میکند و مرتب سازی دقیق که عمدتاً مبتنی بر روش های فعال است. مرتب سازی فله به نمونه هایی با تعداد زیادی قطره (> 2000 s-1) اعمال می شود که می تواند بر اساس خصوصیات ذاتی قطرات (مانند ویسکوزیته، چگالی و غیره) بدون بررسی هر قطره، طبقه بندی شود. از سوی دیگر مرتب سازی دقیق با هدف جدا کردن قطرات که مطابق معیارهای خاصی است که برای هر قطره بررسی می شود.

مرتب سازی غیر فعال توسط کنترل طراحی کانال میکروفلوئیدیک انجام می شود و اجازه می دهد که جداسازی بر اساس اندازه قطرات انجام شود. مرتب سازی اندازه بر روی اتصالات دوشاخه در کانال متکی است تا جریان را منحرف کند، که باعث می شود قطره ها براساس نحوه تعامل با محل تقاطع آن جریان یا میزان برش که به طور مستقیم به اندازه آنها بستگی دارد، دسته بندی شوند. دیگر روش های غیر فعال عبارتند از اینرسی و میکروفیلتراسیون که هر کدام با خواص فیزیکی مانند اینرسی و چگالی قطره سر و کار دارند. مرتب سازی فعال با استفاده از دستگاه های اضافی متصل به دستگاه میکروفلوئیدیک و با کنترل برخی جنبه ها از جمله حرارتی، مغناطیسی، پنوماتیک، آکوستیک، هیدرودینامیک و کنترل الکتریکی، تغییر مسیر قطره در جریان را انجام میدهد. این کنترل ها به کار برده میشوند تا مرتب سازی قطرات در پاسخ به برخی آشکار سازهای سیگنال های قطرات از جمله شدت فلورسانس انجام گیرد.

روش های مرتب سازی دقیق با استفاده از این روش های مرتب سازی فعال، ابتدا تصمیم گیری (به عنوان مثال، سیگنال فلورسانس) در مورد قطرات را انجام میدهد و سپس جریان آنها را با یکی از روش های فوق تغییر میدهد. یک تکنیک به نام "مرتب سازی قطره ای فعال فلورسنت" (FADS) توسعه یافته است که از مرتب سازی فعال میدان الکتریکی القا شده با تشخیص فلورسنت برای مرتب کردن تا 2000 قطره در ثانیه استفاده می کند. این روش متکی بر فعالیت آنزیمی سلولهای هدف اختصاصی برای فعال کردن سوبسترای فلوروژنیک داخل قطره است اما محدود به آن نیست. هنگامی که یک قطره فلورسنت تشخیص داده می شود، دو الکترود روشن میشوند که میدانی را به قطره اعمال میکنند که مسیر آن را به کانال انتخابی تغییر میدهد، در حالی که قطرات غیر فلورسنت از طریق کانال اصلی جریان پیدا میکنند و به ضایعات مبدل میشوند. روش های دیگر از معیارهای گوناگون انتخاب، مانند جذب قطره، تعداد ذرات بسته بندی شده یا تشخیص تصویری از اشکال سلول استفاده می کنند.مرتب سازی می تواند برای بهبود خلوص بسته بندی شده که یک عامل مهم برای جمع آوری نمونه برای آزمایش های بیشتر است، انجام شود.

برنامه های کلیدی

کشت سلولی 
یکی از مزیت های کلیدی ریز سیال شناسی مبتنی بر قطرات قابلیت استفاده از قطرات به عنوان انکوباتور برای تک سلول هاست.

دستگاه هایی که قادر به تولید هزاران قطره در ثانیه هستند، راه های جدیدی برای دسته بندی کردن جمعیت سلولی، نه تنها براساس نشانگر خاصی که در زمان خاصی اندازه گیری میشود، بلکه بر اساس رفتار های سینتیکی سلول همچون ترشح پروتئین، فعالیت آنزیمی یا تکثیر باز میکنند. اخیراً روشی ابداع شده است که یک آرایه ثابت از قطرات میکروسکوپی برای انکوبه کردن تک سلول ها، بدون نیاز به سورفاکتانت تولید شود.

توصیف صفات اختصاصی ماکرومولکول های زیستی

کریستالی شدن پروتئین 
دستگاه های بر پایه قطرات همچنین برای تحقیق در مورد شرایط ضروری برای کریستاله شدن پروتئین ها استفاده میشوند.

PCR مبتنی بر قطرات 
واکنش زنجیره ای پلیمراز ( پی سی آر ) یک ابزار حیاتی برای شروع فعالیت های ژنومی و زیستی بوده است، زیرا به مقدار زیادی به تولید و آنالیز نمونه های دی ان آ را برای دامنه وسیعی از فعالیت های کاربردی، سرعت میبخشد. پیشرفت تکنولوژی در پی سی آر در ابعاد میکروقطره ای، ساخت یک مولکول تکی پی سی آر بر روی یک چیپ را ممکن ساخته است. در ابتدا تکثیر تک مولکول دی ان آ، از جمله آنچه در پی سی آر میکرو قطره ای یا امولسیون اتفاق می افتد، از پی سی آر در ابعاد بزرگ مشکل تر بود به همین دلیل معمولاً غلظت های بیشتری از مواد مصرف میشد. هر چند، شرایط کاملاً بهینه شده این اضافه بار را به وسیله تضمین اینکه مولکول های تکی غلظت مناسبی از مواد تکثیری را که در سراسر سلول واکنش توزیع شده اند، به حداقل رسانده است. پی ی آر های ریز سیال غیر مبتنی بر قطره نیز با چالش جذب مواد واکنش در کانال های دستگاه روبرو بودند، اما سیستم های مبتنی بر قطرات این مشکل را با کاهش تماس با کانال، کم کردند.

با استفاده از سیستم های آب در روغنی، پی سی آر قطره ای با جمع آوری اجزا، شکل دادن قطرات، یکی کردن قطرات، ترموسایکل کردن و سپس پردازش اطلاعات بسیار شبیه پی سی آر نرمال است. این تکنیک قادر است بیش از دو میلیون واکنش پی سی آر انجام دهد، به علاوه افزایش صد هزار برابری تشخیص آلل های وحشی در مقابل آلل های جهش یافته. پی سی آر مبتنی بر قطرات به مقدار زیادی توانایی تسهیم پی سی آر معمولی را افزایش میدهد که ساخت سریع کتابخانه های جهش یافته را ممکن میسازد. بدون خواندن درست، تکثیر دی ان آ به صورت طبیعی قدری احتمال خطا دارد، اما با ساخت پلیمراز های متمایل به خطا، پی سی آر مبتی بر قطرات از خروجی بالاتری از حالت نرمال بهره میبرد تا یک کتابخانه جهش یافته را سریعتر و بهینه تر از حالت نرمال تولید کند. این پی سی آر مبتنی بر قطرات را جذاب تر از پس سی آر سنتی و کند میکند. در یک برنامه مشابه، پی سی آر میکروقطره ای که به شدت تسهیم شده است، توسعه داده شده است که اجازه غربالگری تعداد زیادی توالی های هدف را میدهد. این برنامه هایی همچون شناسایی باکتریایی را ممکن میسازد.سی پی آر های بر روی تراشه اجازه بیش از 15*15 بار تسهیم شدن را میدهند. که به این معناست که هدف قرار دادن چندین توالی دی ان آ بر روی یک دستگاه و در یک زمان ممکن است. این تسهیم به وسیله قرار دادن قطعات متوقف شده آغازگر دی ان آ در پایه چاهک های تراشه ممکن شده است.

ترکیب پی سی آر مبتنی بر قطرات با دستگاه های  پلی دی متیل سیلوکسان ( PDMS ) امکان پیشرفت های جدیدی در پی سی آر قطره ای و همچنین بهبود تعدادی از مشکلات قبلی از جمله از دست دادن مایعات زیاد به علت تبخیر را، فراهم کرده است. پی سی آر های مبتنی بر قطره به شدت به حباب های هوا حساس اند زیرا آنها تفاوت های دمایی ایجاد میکنند که جلوی تکثیر دی ان آ را میگیرد، همچنین مواد واکنش را از محفظه واکنش دور میسازند. در حال حاضر پی سی آر های مبتنی بر قطره در دستگاه های PDMS انجام میگیرند تا واکنش دهنده ها را به شیوه ای کنترل شده تر و از طریق یک لایه PDMS به قطرات منتقل کنند که فرایند تکثیر را بهتر حفظ کنند و از سوپاپ های مرسوم پایدار تر است. یک دستگاه جدید پی سی آر مبتنی بر قطره PDMS در مقایسه آزمایش های پی سی آر کوانتیده مرسوم، دقت و افزایش تعداد کپی های کوچک را ممکن ساخته است. این دقت بالا به علت طراحی دستگاه با PDMS های آغشته به سورفاکتانت و همچنین طراحی ساندویچ مانند شیشه-PDMS-شیشه بوده است. این مشخصات دستگاه امکان آستر سازی ساده و بهینه دی ان آ و تبخیر کمتر آب هنگام چرخه پی سی آر را ممکن ساخته است.

توالی گذاری DNA 
چندین سیستم ریز سیال، از جمله سیستم های مبتنی بر قطرات، برای توالی گذاری دی ان آ کاربرد دارند.

سنتز شیمیایی 
ریز سیال شناسی مبتنی بر قطرات به علت چندین مشخصه جذاب یک ابزار مهم در سنتز شیمیایی شده است. واکنش های در ابعاد میکروسکوپی به علت استفاده از حجم های اندک واکنش دهنده، واکنش های سریع در حد میلی ثانیه و انتقال بهینه گرما که منجر به مزایای زیست محیطی میشود زیرا انرژی مصرفی به ازای بالا بردن دمای هر واحد میتواند بسیار کوچک باشد، امکان کاهش هزینه را دارا هستند. مقدار کنترل روی شرایط محیطی درون دستگاه اغلب این را ممکن میسازد که با دقت زیادی یک محصوا را از بین گند محصول انتخاب کنیم. با به گزینی بالای محصول و اندازه کوچک واکنش دهنده و محیط واکنش، با تعداد کمتری واکنش دقیق و اثرات تمیزتر و کوچک تر روبرو هستیم. میکرو قطرات پراکنده ساخته شده توسط شیمی مبتنی بر قطره میتوانند به عنوان محیطی که واکنش های شیمیایی رخ میدهند یا به عنوان حاملین واکنش دهنده ها در فرایند ساخت نانوساختار های پیچیده عمل کنند. قطرات همچنین امکان تبدیل به ساختار های سلول مانند را دارند که اجازه میدهد برای تقلید اجزای زیستی یا اعمال انسانی مورد استفاده قرار گیرند.

به عنوان یک روش سنتز شیمیایی قطرات در ماشین های ریز سیال به عنوان محفظه های واکنش جداگانه که از آلودگی توسط رسوبات دستگاه ناشی از فاز های پشت سر هم محافظت میشوند، عمل میکنند. مزایای استفاده از این روش ( در مقایسه با روش دسته ای) شامل توان عملیاتی بالا، آزمایش کردن های پشت سر هم، ضایعات کمتر، قابل حمل بودن و درجه بالایی از کنترل ترکیبی میباشد. برخی از مثال های سنتز های ممکن واکنش میکروکرات نیمه رسانا و نانو ذرات میباشد. تشخیص شیمیایی با دستگاه یک پارچه شده است تا نظارت با دقت واکنش را تضمین کند. طیف سنجی NMR، نظارت میکروسکوپی، تشخیص الکترو شیمیایی و تشخیص شیمیایی لومینسانسی مورد استفاده هستند.معمولاً اندازه گیری ها از قسمت های مختلف دستگاه صورت میگیرند، تا پیشرفت واکنش را دیده بانی کنند.

افزایش سرعت واکنش به وسیله میکرو ذرات در واکنش سیلیل انول اتر با آلدهید دیده میشود. با استفاده از یک دستگاه ریز سیال مبتنی بر قطره، زمان واکنش در مقایسه با بیست و چهار ساعت لازم برای انجام واکنش دسته ای به بیست دقیقه کوتاه شد. آزمایش کنندگان دیگری در مقایسه با روش دسته ای قادر به انتخاب پذیری بالا برای سیس-استیلبن در مقابل ترانس-استیلبن که به صورت ترمودینامیک اولویت دارد شدند. که نمایانگر درجه بالای کنترلی میباشد که توسط میکرو واکنش گر های قطرات ارائه میشود. این کنترل استرئو برای صنعت داروسازی مفید میباشد. برای مثال، L-Methotrexate یک داروی مورد استفاده در شیمی درمانی است که که در مقایسه با ایزومر D آن راحت تر جذب میشود.

سنتز ریزذرات و نانوذرات 
ذرات پیشرفته و مواد مبتنی بر ذره، مانند ذرات پلیمر، میکروکپسول ها، نانوکریستال ها و دسته جات یا مهره های کریستال های فوتونی میتوانند با کمک ریز سیالات مبتنی بر قطره سنتز شوند. نانوذراتی همچون Cds  کلوئیدی ونانو ذراتی که CdS/CdSe به صورت هسته و پوسته قرار دارند هم میتوانند از طریق چندین گام در ابعاد میلی ثانیه ای در یک سیستم میکرو سیالی مبتنی بر قطره سنتز شوند.

نانوذرات، میکرو ذرات و خوشه های کلوئیدی در دستگاه های ریزسیال برای عمل هایی از قبیل دارو رسانی مفید هستند. اولین ذرات تولید شده در سیستم های مبتنی بر قطره ژل های سیلیکا بودند که در ابعاد میکرو متر ساخته شدند تا کاربرد آن ها در ساخت نمایشگرها و پوشش های نوری را تست کنند. ترکیب ذرات جامد با میکرو قطرات آبی نیازمند تغییر در کانال های ریز سیال مانند مخلوط کردن واکنش دهنده بیشتر و انتخاب مواد خاص همچون سیلیکا یا پلیمرهایی که با کانال ها و هر گونه مواد زیستی فعال که قطرات دارند، مداخله ای ندارند.

سنتز کوپلیمر ها نایزمند سایش مولکول های ماکروسکوپیک به میکرو ذرات با سطوح متخلخل و نامنظم با استفاده از حلال های ارگانیک و تنکیک های امولسیونی است. این قطرات پیش بارگیری شده همچنین میتوانند توسط اشعه ماورای بنفش به سرعت تهیه بشنود. توصیف مشخصات این میکروذرات و نانو ذرات شامل تصویر برداری مقیاس میکرو برای آنالیز ساختار و شناسایی مواد ماکروسکوپی که ساییده شده اند میباشد. تکنیک هایی از قبیل انسداد کنترل شده یک حباب گاز برای ساخت نانو ذرات تو خالی برای سنتز میکرو حباب های با محتویات خاص برای سیستم های دارو رسانی حیاتی است. هر دو نوع میکرو ذرات سیلیکایی و تیتانیومی به عنوان پوشش مقاوم بعد از استفاده گاز به کار میروند تا سرعت فاز آبی را افزایش دهند. سرعت بالاتر جریان اجازه کنترل بیشتری بر میزان ضخامت دیواره آبی میدهد. پدیدار شدن تظبیق پذیری نانو ذرات را میتوان در تزریق انباره ای میکرو قطراتی پر شده با ذرات برای تحویل دارو به جای روش معمول تزریق وریدی داروها مشاهده کرد. این به علت صخامت اندک پوسته که معمولاً بین 1 تا 50 میکرومتر میباشد ممکن است.

پیشرفت های اخیر در ذرات ریز سیال امکان سنتز ذراتی با ابعاد نانومتر از پلیمر های مشتق شده زیستی را فراهم می آورد. با استفاده از طراحی های چند فازی کنترل کننده جریان ویژه که دما و میزان جریان را کنترل میکنند، سایز نانوذرات تشکیل شده میتواند به همراه غلظت و شکل قطرات کنترل گردد. یکی دیگر از تکنیک های ساخت میکرو قطرات پر شده از ذرات استفاده از نانوذرات لیپید-هیدرژل است که میتوانند به قطرات شکل تیز تری تبدیل شوند که زمانی که مواد نرم و یا شکننده بایستی استفاده شود، مفید است. این مواد نرم مخصوصا در تولید پودر ها مهم هستند. پیشرفت های اخیر بر روی ابعاد نانو همچون دستگاه هایی که قطارتی با هر دو شکل کروی و غیر کروی را میسازند که فوق سریع و همگن هستند، برای تولید انبوه ذرات پودری در کاربرد های صنعتی ساخته میشوند.

سنتز ذرات ژل 
سنتز ذرات ژل که همچنین به عنوان هیدروژل، میکروژل و نانو ژل شناخته میشوند برای چند دهه گذشته یک حیطه جذاب برای پزوهشگران و توجه صنعت بوده است. یک روش مبتنی بر ریز سیالات برای ساخت این ذرات هیدروژل یک روش مفید است، به علت توان بالا، یکنواختی ذرات و کاهش هزینه ها به علت کم کردن حجم مواد واکنش دهنده. یکی از چالش های ابتدایی در زمینه ژل ها  تشکیل یک نواخت ذرات بود. در ابتدا تکنیک های مبتنی بر پلیمر ها استفاده میشد تا توده میکرو ذرات را در سایز یکسان شکل دهند. این تکنیک ها عموماً بر مبنای استفاده از یک محلول آبی بود که برای ساخت امولسیون به شدت مخلوط شده بودند. در نهایت تکنیکی ابداع شد که با آن میکروژل های زیست تخریب پذیر و یکسان به وسیله ساخت امولسیون O/W در یک خط قطره ای که کانال هندسی تولید میکردند، ساخته میشد. این اتصال هندسی که با یک فاز مملو از سورفاکتانت همراه بود، مسئول ساخت میکروژل های ستولید شده از poly-dex-HEMA بود. مشخصات هندسی دیگر دستگاه از جمله حالت اتصال T هم قابل قبول هستند و برای ساخت ژل های با پایه سیلیکون کاربرد دارند.

هنگامی که این روش ها مورد قبول واقع شد، تلاش ها بر روی اعمال عملکرد به ذرات متمرکز شد. از جمله ذرات کپسوله شده باکتریایی، ذرات کپسوله شده دارو یا پروتئینی و ذرات ژل مغناطیسی میتوان مثال زد. قرار دادن این جزو عملکردی میتواند به سادگی یکپارچه سازی آن جزو در فاز مخلوط باشد. در برخی موارد، هندسه ساختاری خاصی ترجیح داده میشود، برای مثال در میکروذرات آگاروزی یک اتصال با تمرکز بر جریان برای کپسوله کردن باکتری ها به کار میرود. ترکیب چند امولسیون برای استفاده های دارویی و زیبایی ترجیح داده میشوند، و با استفاده از دو اتصال متمرکز بر جریان متوالی ساخته میشوند.ذرات پیچیده تر مانند ذرات Janus که سطوحی با دو یا چند خصوصیت فیزیکی متمایز دارند، نیز قابل سنتز میباشند.

بعضی از نمونه های کاربرد روزافزون ذرات ژل شامل تحویل دارو، برنامه های کاربردی پزشکی و مهندسی بافت است و بسیاری از این کاربرد ها نیاز به ذرات یکنواختی دارند که در آن یک رویکرد مبتنی بر میکروفیلیس ها ترجیح داده می شود. روش های امولسیون سازی انبوه هنوز هم مطرح میباشند، زیرا همه کاربرد ها نیازی به میکروذرات یک فرم ندارند. آینده سنتز ریزسیالی ژل ها در توسعه تکنیک های توده های انبوه ذرات یک شکل به منظور دسترسی بیشتر اقتصادی و تجاری آنها قرار دارد.

استخراج و انتقال فاز با استفاده از ریزسیالات قطره ای 
استخراج مایع-مایع روشی است که برای جداسازی یک آنالیت از یک مخلوط پیچیده به کار میرود. با این روش اجزا برحسب حلالیت نسبی شان در فاز های مایع مخلوط نشدنی جدا میشوند. برای غلبه بر برخی از نقاط ضعف همراه با روش های معمول، روش های سطح بالا از قبیل روش لرزش فلاسک و استخراج مایع-مایع ریز سیالی به کارگرفته شد. سیستم های ریز سیالات مبتنی بر قطره توانایی دستکاری حجم های گسسته مایعات را در فاز های غیر قابل تقسیم با اعداد رینولدز کم و رژیم های جریان غیر توربولانتی نشان دادند. روش های در ابعاد میکرو زمان مورد نیاز را کاهش میدهند، حجم نمونه و واکنش دهنده را کاهش میدهند و امکان اتوماسیون و یک پارچه سازی را مهیا میکنند. در برخی مطالعات، بازدهی استخراج ریز سیالی مبتنی بر قطره نزدیک به لرزش فلاسک اندازه گیری میشود. مطالعه ای که روش لرزش فلاسک و روش استخراج مایع-مایع ریز سیال را برای 26 ماده بررسی کرده بود. دریافت که بین مقادیر به دست آمده همبستگی زیادی وجود دارد (R2= 0.994) .

همچنین نشان داده شده است که دستگاه های استخراج ریز سیال مایع-مایع می توانند با ابزار های دیگر برای شناسایی آنالایت های استخراج شده، یکپارچه شوند. به عنوان مثال، استخراج ریز سیالی می تواند ابتدائاً برای استخراج یک آنالیت در فاز آبی مانند کوکائین در بزاق استفاده شود و سپس با استفاده از طیف سنجی از طریق چیپ IR برای تشخیص اقدام شود. استخراج ریز سیال مایع-مایع نشان داده است که در چندین کاربرد برتری دارد، از جمله مطالعات فارماکوسینتیک دارو که تنها تعداد اندکی سلول مورد نیاز است و به علاوه مطالعاتی که حجم واکنش دهنده کمی مورد نیاز است.

تشخیص قطره

روش های جداسازی 
سیستم های ریز سیال مبتنی بر قطره را میتوان برای وظایف خاص به روش های جداسازی مجهز کرد. تکنیک های جداسازی معمول که به سیستم های ریز سیال مبتنی بر قطره جفت میشوند، شامل کراماتوگرافی مایع با کارایی بالا و الکتروفورز میباشند.

کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا 
جداسازی شیمیایی در سطح میکروسکوپیک می تواند در آنالیز  بیولوژیکی و شیمیایی استفاده شود. به عنوان یک ابزار تحلیلی، یک روش جداسازی شیمیایی، مانند HPLC، می تواند به یک دستگاه میکرو فلوئید متصل شود. دستگاه های میکرو فلوئید مبتنی بر قطره همراه با HPLC دارای حساسیت بالا تشخیص، استفاده از حجم کم واکنش دهنده ها، زمان تجزیه و تحلیل کوتاه و حداقل آلودگی متقابل آنالیت هاست که آنها را در بسیاری از موارد بهینه می کند. یک استفاده اساسی از HPLC در میکروفلوئیدیک مبتنی بر قطره ای، جداسازی شیمیایی توسط HPLC است، که سپس به یک دستگاه متصل می شود که قطراتی با اندازه میکرولیتر ازهر ترکیب شسته شده را ایجاد می کند. با استفاده از این سیستم، می توان کتابخانه های قطری زیادی از ترکیبات مختلف را در یک مکان متمرکز ایجاد کرد. با این وجود، همچون HPLC مشکلاتی مربوط به کروماتوگرافی ابعاد میکروسکوپیک وجود دارد. این مشکلات عبارتند از پراکندگی باندهای جدا شده، انتشار و "حجم مرده" در کانال ها پس از جداسازی. یکی از راه های دور زدن این مشکل استفاده از قطره ها برای جداسازی نوارهای جداسازی است که با انتشار و از دست دادن آنالیت های جدا شده مبارزه میکند. مزیت استفاده از HPLC همراه با یک دستگاه میکرو فلوئیدیک این است که بیش از یک جداسازی را می توان با هم ترکیب کرد. به عنوان مثال، جداسازی 2D (کروماتوگرافی دو بعدی) با این دستگاه ها (یعنی HPLC x LC، LC x LC و HPLC × HPLC) امکان پذیر است.

الکتروفورز 
الکتروفورز مویرگ (CE) و الکتروفورز ژل میکروکاپیلاری (μCGE) از روش های به خوبی شناخته شده microchip electrophoresis (MCE) است که می تواند مزایای تحلیلی زیادی از جمله وضوح بالا، حساسیت بالا و اتصال مؤثر به طیف سنجی جرم (MS) ارائه دهد. الکتروفورز Microchip را می توان به طور کلی به عنوان یک روش برای پروسه های غربالگری با توان بالا استفاده کرد که به کشف و ارزیابی دارو ها کمک می کند. با استفاده از MCE، به طور خاص CE، دستگاه الکتروفورز ژل میکروکاپیلاری (μCGE) برای انجام پردازش نمونه DNA با تعداد زیاد ایجاد می شود، که آن را یک کاندید خوب برای تجزیه و تحلیل DNA می کند. دستگاه های μCGE همچنین برای اهداف جداسازی عملی هستند زیرا ازآنها برای جداسازی، مشخص کردن، کپسوله کردن و انتخاب آنالیت های متفاوتی که از یک نمونه مرکب نشات میگیرند، به صورت برخط استفاده می شود. تمام این مزایای روش های MCE به دستگاه های میکروفلوئدیک برگردانده میشود. دلیل اینکه روش های MCE به دستگاه های میکروفلوئیدی مبتنی بر قطره جفت میشوند به دلیل توانایی تجزیه و تحلیل نمونه ها در مقیاس نانولیتور است. استفاده از روش MCE در مقیاس کوچک هزینه و استفاده از واکنش دهنده را کاهش می دهد. مانند HPLC، تکنیک های تشخیص مبتنی بر فلورسانس برای الکتروفورز مویرگی استفاده می شود که این روش ها را عملی می کند و می تواند به زمینه هایی مانند بیوتکنولوژی، شیمی تحلیلی و توسعه دارو اعمال شود. این روش های MCE و دیگر روش های الکتروفورز از زمانی که الکتروفورز مویرگی در دهه 1980 محبوبیت کسب کرد و حتی در اوایل دهه 1990 توجه بیشتری به خود گرفت (مثلاً تا سال 1992 تقریباً 80 بار مورد بررسی قرار گرفت ) شروع به توسعه کرد.

طیف سنجی جرمی (MS) یک تکنیک تشخیصی تقریباً جهانی است که در سراسر جهان به عنوان استاندارد طلایی برای شناسایی بسیاری از ترکیبات شناخته شده است. MS یک روش تحلیلی است که در آن گونه های شیمیایی، قبل از تشخیص، یونیزه شده و مرتب میشوند و طیف جرم حاصل شده برای شناسایی مولکول های مادر یون ها استفاده می شود. این باعث می شود که MS بر خلاف سایر تکنیک های تشخیص (مانند فلورسانس)، بدون برچسب باشد؛ به عنوان مثال، نیازی نیست که لیگاند های اضافی یا گروه ها را به مولکول مورد نظر متصل کنید تا سیگنال دریافت کنید و ترکیب را شناسایی کنید.

موارد متعددی وجود دارد که در آن روشهای دیگر اسپکتروسکوپی، مانند رزونانس مغناطیسی هسته (NMR)، فلورسنس، مادون قرمز یا رامان، به علت ترکیبات شیمیایی خاص قطرات، به عنوان روش های مستقل قابل اجرا نیستند. اغلب این قطرات به برچسب های فلورسنت حساس هستند و یا حاوی گونه هایی هستند که به طریقی مشابه هستند، اینجاست که MS می تواند همراه با روش های دیگر برای مشخص کردن خاصیت آنالیت خاص مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، MS به تازگی (در دهه گذشته) محبوبیت خود را به عنوان یک روش تشخیصی برای میکروفلوئیدیک مبتنی بر قطره (و به طور کلی میکرو فلوئیدیک) به دلیل چالش های مرتبط با طیف سنج جرمی همراه با این دستگاه های مینیاتوری به دست آورده است. دشواری جداسازی / تصفیه، سیستمهای مقیاس میکرو فلوئید را که به دستگاه طیف سنج جرمی متصل اند را در زمینه پروتئوم ها، سینتیک آنزیم ها، کشف دارو و غربالگری بیماریهای نوزاد، ایده‌آل ساخته است.  دو روش که امروزه در سیستم های میکروفلوئیدیک مبتنی برقطره برای آنالیز جرم یانجام میگیرد، عبارتند از لیزر جذبی/یونیزاسیون همراه با ماتریکس (MALDI) و یونیزاسیون الکترو اسپری (ESI). روش های دیگر برای اتصال، مانند (اما نه محدود به) اشباع موج صوتی سطح (SAWN)، و یونیزاسیون کاغذ-اسپری در MS ابعاد مینیاتوری، نیز در حال توسعه است.

طیف سنجی جرمی 
طیف سنجی جرمی (MS) یک تکنیک تشخیصی تقریباً جهانی است که در سراسر جهان به عنوان استاندارد طلایی برای شناسایی بسیاری از ترکیبات شناخته شده است. MS یک روش تحلیلی است که در آن گونه های شیمیایی، قبل از تشخیص، یونیزه شده و مرتب میشوند و طیف جرم حاصل شده برای شناسایی مولکول های مادر یون ها استفاده می شود. این باعث می شود که MS بر خلاف سایر تکنیک های تشخیص (مانند فلورسانس)، بدون برچسب باشد؛ به عنوان مثال، نیازی نیست که لیگاند های اضافی یا گروه ها را به مولکول مورد نظر متصل کنید تا سیگنال دریافت کنید و ترکیب را شناسایی کنید.

موارد متعددی وجود دارد که در آن روشهای دیگر اسپکتروسکوپی، مانند رزونانس مغناطیسی هسته (NMR)، فلورسنس، مادون قرمز یا رامان، به علت ترکیبات شیمیایی خاص قطرات، به عنوان روش های مستقل قابل اجرا نیستند. اغلب این قطرات به برچسب های فلورسنت حساس هستند و یا حاوی گونه هایی هستند که به طریقی مشابه هستند، اینجاست که MS می تواند همراه با روش های دیگر برای مشخص کردن خاصیت آنالیت خاص مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، MS به تازگی (در دهه گذشته) محبوبیت خود را به عنوان یک روش تشخیصی برای میکروفلوئیدیک مبتنی بر قطره (و به طور کلی میکرو فلوئیدیک) به دلیل چالش های مرتبط با طیف سنج جرمی همراه با این دستگاه های مینیاتوری به دست آورده است. دشواری جداسازی / تصفیه، سیستمهای مقیاس میکرو فلوئید را که به دستگاه طیف سنج جرمی متصل اند را در زمینه پروتئوم ها، سینتیک آنزیم ها، کشف دارو و غربالگری بیماریهای نوزاد، ایده‌آل ساخته است.  دو روش که امروزه در سیستم های میکروفلوئیدیک مبتنی برقطره برای آنالیز جرم یانجام میگیرد، عبارتند از لیزر جذبی/یونیزاسیون همراه با ماتریکس (MALDI) و یونیزاسیون الکترو اسپری (ESI). روش های دیگر برای اتصال، مانند (اما نه محدود به) اشباع موج صوتی سطح (SAWN)، و یونیزاسیون کاغذ-اسپری در MS ابعاد مینیاتوری، نیز در حال توسعه است.

یونیزاسیون الکترو اسپری 
یکی از مشکلات ایجاد شده توسط اتصال MS به میکروفلوئیدیک مبتنی بر قطره این است که نمونه های پراکنده در جریان نسبتاً کمتری نسبت به تکنیک های سنتی MS تزریقی تولید می شود. ESI قادر است به راحتی این جریان های کم جریان را بپذیرد و هم اکنون برای تجزیه و تحلیل میکرو فلوئیدیک برخط استفاده می شود. ESI و MALDI یک پاسخ با توان بالا به مشکل تشخیص قطره فاقد برچسب را ارائه می دهند، اما ESI نیازمند تهیه نمونه و عناصر ساخت کم تراکم تری است که می توانند به ابعاد دستگاه میکروفلوئیدیک نظیر شود. ESI یک ولتاژ بالا به یک جریان حامل قطرات حاوی آنالیت اعمال میکند جریان را اسپری میکند. سپس در یک منطقه تجزیه و تحلیل کننده تفاوت احتمالی، ردیابی میگردد. مایع حامل در یک دستگاه میکرو فلوئیدیک مبتنی بر قطره، که معمولاً یک روغن است اغلب برای ESI یک مانع به شمار میرود. روغن، زمانی که بخشی از جریان قطره ها به وسیله ی ESI-MS می رسد، می تواند یک ولتاژ پس زمینه ثابت ایجاد کند که با تشخیص قطرات نمونه مواجهه میکند. این تداخل پس زمینه را می توان با تغییر روغن استفاده شده به عنوان یک مایع حامل و تنظیم ولتاژ مورد استفاده برای الکترو اسپری حل کرد.

اندازه قطره، تیلور شکل مخروطی و سرعت جریان را می توان با تغییر دادن اختلاف پتانسیل و دمای خشک شدن (برای تبخیر حلال اطراف آنالیت) جریان گاز (معمولاً نیتروژن) کنترل می شود. از آنجا که ESI اجازه تشخیص بر خط قطره ها را میدهد، مشکلات دیگری که توسط سیستم های مبتنی بر تشخیص قطعه یا خارج از تراشه به‌وجود می آیند، می تواند حل شود، از قبیل کم کردن مقدار رقت نمونه (قطره)، که مخصوصا برای تشخیص قطره های میکروفلوئیدی مهم است، زیرا آنالیت ها قبلاً تا کمترین غلظت آزمایشگاهی مرتبط رقیق شده اند.

لیزر جذبی/یونیزاسیون همراه با ماتریکس 
MALDI به وسیله استفاده از لیزر ماوراء بنفش (UV) برای شروع فرسایش گونه های آنالیت مخلوط شده با یک ماتریس از مولکول های بلورین با جذب نوری بالا ، شناخته میشود. یونهای موجود در گازهای حاصل از فرسایش قبل از شتاب گرفتن به طرف یک طیف سنج جرمی پروتونه یا دیپروتونه میشوند. مزایای اولیه تشخیص با MALDI در مقایسه با ESI در دستگاه های میکرو فلوئیدیک این است که MALDI اجازه چندین تسهیم را میدهد، که حتی عملکرد دستگاه را بیشتر افزایش میدهد، و همچنین وابستگی کمتری به قطعات متحرک دارد، و عدم مشکلات ثبات تیلور مخروطی ایجاد شده توسط جریان های مقیاس میکرو فلوئیدیک هم وجود دارد. سرعت تشخیص MALDI همراه با مقیاس میکروفلوئیدیک قطره ای اجازه می دهد تا پیشرفت در تکنیک های مقیاس بزرگ در هر دو زمینه توان عملیاتی و زمان پرواز (TOF) رخ دهد. از آنجا که تنظیمات تشخیص MS معمولاً از تکنیک های جداسازی مانند کروماتوگرافی استفاده می کنند، تنظیم MALDI نیاز به یک نمونه به اندازه کافی خالص دارد تا با ماتریس های ارگانیک آلوده از پیش تعیین شده مخلوط شود، که برای یک نمونه خاص قبل از تشخیص مناسب است ( کالیبره کردن دستگاه). ترکیب ماتریس MALDI باید برای تولید قطعه بندی مناسب و فرسایش مناسب آنالیت ها تنظیم شود.

یک روش برای به دست آوردن یک نمونه خالص از میکروفلوئیدیک مبتنی بر قطرات، این است که کانال میکروفیلوئیدیک به یک صفحه MALDI ختم شود، جایی که که قطرات آب بر روی مناطق هیدروفیلی که بر روی صفحه است، تشکیل میشوند. سپس به مایع حلال و مایع حمل کننده اجازه داده میشود تا تبخیر شود، و تنها قطرات خشک شده نمونه مورد نظر را بر جای میگذارند و پس از آن ماتریس MALDI روی قطرات خشک شده اعمال می شود. این آماده سازی نمونه دارای مشکلات و محدودیت های قابل توجه است که در حال حاضر برای همه انواع نمونه ها به آنها غلبه نشده است. علاوه بر این، ماتریس های MALDI در غلظت های بسیار بالاتری نسبت به نمونه های آنالایزر استفاده می کنند که اجازه می دهد تا حمل قطره های میکرو فلوئیدیک با تولید ماتریس MALDI برخط ترکیب شود. با توجه به تعداد کم ماتریس شناخته شده و ماهیت آزمایش و خطا بودن یافتن ترکیبات ماتریس مناسب جدید، این می تواند عامل تعیین کننده در استفاده از فرم های دیگر طیف سنجی بیش از MALDI باشد.

طیف سنجی رامان 
طیف سنجی رامان یک روش نوری است که تجزیه و تحلیل غیر مخرب را با مشخصات شیمیایی بدون آماده سازی پیچیده نمونه ها  ارائه می دهد و قادر به تشخیص اجزای موجود در مخلوط می باشد. سیگنال رامان مربوط به تحریک ارتعاشی مولکول های خاص درون سیستم بر اساس نور مرئی پراکنده منتشر شده از یک مولکول با انرژی کمتر از منبع نور تحریک است. طیف سنجی رامان، هنگامی که همراه با دستگاه های میکرو فلوئیدیک ترکیب شود، می تواند مخلوط کردن مایعات و به تله افتادن مایع را نظارت کند و همچنین می تواند فاز جامد و گاز را در سیستم عامل های میکروفلوئیدیک تشخیص دهد. سیگنال رامان را می توان با فیبرنوری یکپارچه در داخل تراشه میکروفیلوئیدیک یا با قرار دادن دستگاه در میکروسکوپ رامان تشخیص داد.

سیگنال رامان ذاتاً ضعیف است؛ بنابراین برای زمان تشخیص کوتاه در حجم نمونه کوچک در دستگاه های میکروفیلوئیدیک، تقویت سیگنال استفاده می شود. برخی از سیستم های میکرو فلوئیدیک از کلوئید های فلزی یا نانوذرات در محلول استفاده می کنند تا از طیف سنجی رامان سطح (SERS) به عنوان یک تکنیک تشخیص استفاده کنند. میکروسکوپ کانونی معمولی رامان اجازه می دهد تا اطلاعات طیف سنجی از محدوده کانونی کوچک کمتر از 1 میکرون مکعب و در نتیجه کوچکتر از ابعاد کانال میکروفیلیید جمع آوری شود. طیف سنجی رامان مولتی فوتونی، مانند پراکندگی رامان تحریک شده (SRS) یا پراکندگی رامان ضد استوکس همگرا (CARS) نیز سیگنال مواد موجود در دستگاه های میکرو فلوئیدیک را افزایش می دهد.

تشخیص رامان برای میکروفلوئیدیک مبتنی بر قطره، تجزیه و تحلیل برخط از چندین آنالیت را در داخل قطرات یا فاز پیوسته فراهم می کند. سیگنال رامان به تغییرات غلظت حساس است، بنابراین سینتیک حلالیت و مخلوط کردن یک سیستم میکروفلوئیدی مبتنی بر قطره می تواند با استفاده از رامان شناسایی شود. ملاحظات شامل تفاوت شاخص انکسار در سطح تماس قطره و فاز پیوسته، و نیز بین اتصالات مایع و کانال است.

تشخیص فلوئورسنت 
طیف سنجی فلورسانس یکی از رایج ترین تکنیک های تشخیص قطره است. پاسخی سریع را فراهم می کند، و برای آنالیت های کاربردی، سیگنال قوی دارد. استفاده از طیف سنجی فلورسانس در میکروفیلوئیدیک ها از الگویی مشابه به سایر تکنیک های آنالیز فلورسنت پیروی میکند. یک منبع نور برای تحریک مولکول های آنالیته در نمونه استفاده می شود، پس از آن آنالایت فلورسنت می شود و پاسخ فلورسانس خروجی اندازه گیری شده است. برای گرفتن سیگنال فلورسانس قطرات، دوربین ها می توانند مورد استفاده قرار گیرند و اغلب فیلترها برای فیلتر کردن نور تحریک پراکنده شده استفاده می شوند. در تشخیص میکروفیلوئیدیک  قطره ای، تنظیم آزمایشی دستگاه فلورسانس می تواند به شدت متفاوت باشد. یک تنظیم معمول در تشخیص قطره فلورسنت با استفاده از میکروسکوپ اپی فلوئورسانس است. این گاهی اوقات از یک ساختار هندسی کانونی استفاده میکند که می تواند بسته به نیازهای آزمایشگاهی متفاوت باشد. به عنوان مثال، جفریز و همکاران. از هندسه ساختاری قائم گزارش موفقیت دادند که مغایر با هندسه استاندارد اپی میباشد. با این حال، تنظیمات دیگر برای تشخیص فلورسنت مورد بررسی قرار گرفته است، زیرا میکروسکوپهای اپی فلوئورسنس می تواند گران هستند و هزینه نگهداری بالایی دارند. کول و همکاران پیشنهاد کرده اند و آزمایش انجام داده اند برای یک تنظیم آزمایشگاهی با فیبر نوری را  تا تجزیه و تحلیل فلورسانس قطرات مایکروفیویدی را با آن انجام دهند.

تشخیص فلورسانس قطرات دارای تعدادی مزیت است. اول، آن می تواند یک خروجی  بزرگ و سریع را آماده کند. تجزیه و تحلیل هزاران نمونه را می توان در یک دوره کوتاه مدت انجام داد که برای تجزیه و تحلیل تعداد زیادی از نمونه ها سودمند است. مزیت دیگری دقت روش است. در تجزیه و تحلیل انجام شده توسط لی و همکاران، مشخص شد که استفاده از تکنیک های تشخیص فلورسنت، دقت تشخیص 100٪ در 13 از 15 تصاویر را به ثبت رسانده است. دو تصویر باقی مانده خطاهای نسبی حدود 6٪ داشتند. یکی دیگر از مزایای تشخیص فلورسانس این است که امکان آنالیز کوانتیده از قرارگیری قطرات در نمونه را ممکن میسازد. این با استفاده از اندازه گیری های موقت و سرعت جریان آنالیت ها ممکن است. فاصله زمانی بین سیگنال ها امکان محاسبه فاصله بین قطرات را به ما می دهد. آنالیز های فلوئورسنت اضافی میتواند بر روی نمونه انجام گیرد تا طول عمر فاوئور سنت نمونه را اندازه بگیرد که اطلاعات اضافی ای را فراهم میسازد که برای روش اندازه گیری شدت فلوئورسنت به تنهایی مقدور نیست.

کاربردهای تشخیص فلورسانس متنوع هستند و بسیاری از کاربردهای آن در برنامه های بیولوژیکی قرار دارند. فرنز و همکاران از تشخیص فلورسانس قطره ها برای بررسی سینتیک آنزیم استفاده کرده اند. برای این آزمایش، b-lactamase با fluorocillin که یک سوبسترای فلوئوروژنیک است، تعامل داشت. فلورسانس قطرات در فواصل زمانی چندگانه برای بررسی تغییر با زمان اندازه گیری شد. با این وجود، این روش تشخیص فراتر از برنامه های کاربردی بیولوژیکی است و اجازه مطالعه فیزیکی شکل گیری قطرات و تکامل آن ها را می دهد. به عنوان مثال ساکای و همکاران، از تشخیص فلورسنت برای اندازه گیری سایز قطرات استفاده کرده اند. این کار با جمع آوری داده های فلورسانس برای محاسبه غلظت یک رنگ فلورسنت در داخل یک قطره تنها انجام شد، بنابراین رشد اندازه می تواند مانیتور شود. این استفاده از فلورسانس می تواند به برنامه های کاربردی فراتر از جمع آوری اطلاعات گسترش یابد، یک روش که به کرات در دسته بندی قطرات و سلول ها در میکروفلوئیدیک استفاده میشود، دسته بندی فعال فلوئورسنتی است. در این روش قطره ها براساس شدت فلورسانس آنها به کانال های مختلف هدایت میشوند یا درمجموعه های مختلف جع آوری می شوند.

تشخیص الکتروشیمیایی 
تشخیص الکتروشیمیایی به عنوان یک جایگزین ارزان قیمت نه تنها اندازه گیری شیمیایی را در موارد خاص اندازه گیری می کند، بلکه قطر قطرات، فرکانس، هدایت و سرعت را در سرعت های بالا را معمولاً با مصرف کم فضای کم در تراشه اندازه گیری می کند. این روش ابتدا توسط لئو و همکاران مورد بحث قرار گرفت. که در آن تیم توانست با موفقیت اندازه و غلظت یون در قطرات پیکو لیتر حاوی یون های حل شده NaCl را اندازه گیری کند. این معمولاً با یک ست و یا یک سری از میکروالکترودهایی انجام می شود که اختلالات در جریان را اندازه میگیرند. قطره های کوچکتر باعث ایجاد اختلالات کمتر می شود، در حالی که قطرات بزرگتر منحنی های طولانی تر را فراهم می کند. تعداد اختلالات در جریان نیز می تواند نشان دهنده تناوب عبور قطرات از الکترود باشد که به عنوان راهی برای تعیین میزان قطرات نیز استفاده میگردد. برای استفاده در الکترودهای مختلف، ترکیبات مختلفی پیشنهاد شده است، زیرا خواندن صحیح، دقیق و مؤثر می تواند در محدوده میکروسکوپی دشوار باشد. این ترکیبات از الکترودهای پودر کربنی که به طور مستقیم به تراشه اعمال می شوند، تا الکترودهای پلاتین سیاه بر روی سیم پلاتین جفت شده با کلرید نقره بر روی میکروالکترودهای نقره ای برای افزایش فعالیت و سطح می باشد.

در مورد ترکیب شیمیایی، همانطور که در بالا گفته شد، خوانش ها از طریق تجزیه و تحلیل آماری متناوب الکترونی در داخل قطرات به دست آمده. این تغییرات پتانسیل در این آزمایش وابسته به یونهای پایدار الکتریکی یا یونهای سدیم و کلر محلول و غلظت آنها در هر قطره است. گروه دیگری نشان داد که با یک سری از کنترل کردن ها که اجزای قطره را با پتاسیم یدید مخلوط میکنند، با ولتاژ، سرعت و بازه pH بهینه در بازه زمانی ثانیه به درستی تشخیص داده شد. علاوه بر این، روش های منحصر به فرد بیشتری در سیستم تشخیصی زمان سنجی در حال به سازی است که در آن سیستم مغناطیسی-مایع ایجاد شده است و خوانش بالقوه در مایعات الکتریکی-غیر فعال با انحلال میکروذرات مغناطیسی در واکنش دهنده اندازه گیری می شود. این روش به تنظیمات میکرو فلوئیدیک دیجیتال (DMF)، که در آن الکترودهای طلا و سیلور در ارتباط با میکروذرات های حل شده مغناطیسی در مایعات، روش تشخیص معمول قطرات بر پایه فلورسانس را در آزمایش های ایمنی آنالیز کننده مارکر های زیستی جایگزین کرده است.

آزمایش بالا توسط شمسی و همکاران، به استفاده اصلی تشخیص الکتروشیمیایی در میکروفیلیوئیدیک ها اشاره دارد؛ حس کردن بیولوژیکی برای اندازه گیری های مختلف مانند سینتیک آنزیم و تشخیص بیولوژیکی بسیاری از انواع دیگر سلول هاست. برای این فرایندها، کنترل بیشتر بر روی سیستم مورد نیاز است، زیرا با افزایش سرعت جریان، تشخیص آنزیم کاهش می یابد. اگر چه به عنوان یک واکنش آنزیمی پیشرفت می کند، خواندن آمپرورتریک نیز تکامل پیدا می کند و امکان نظارت سریع روی سینتیک را فراهم می کند. همچنین، سورفکتانت های خاص می توانند کمبود سازگاری بیولوژیک با سیستم داشته باشند، که با تاثیر بر آنزیم تشخیص را خراب میکنند. دستاوردهای این برنامه حتی در آبزی پروری و اقتصاد تاثیراتی نیز داشته است، زیرا برای تست سریع ماهی به سرعت سنج مورد استفاده قرار گرفته است.استفاده از این روش تشخیصی عمدتاً در روش الکترودهای DMF دی الکتریک یافت می شود، جایی که دستگاه الکترودهای حسگر می تواند قابل تنظیم باشد و طول عمر بیشتری داشته و در عین حال تولید نتایج دقیق است.

منابع 

صفحه ویکی‌پدیا انگلیسی 

https://en.wikipedia.org/wiki/Droplet-based_microfluidics
ریزسیال‌شناسی
ویکی‌سازی رباتیک