芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-chip）是指把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離檢測等基本操作單位集成或基本集成于一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過程，并對其產(chǎn)物進(jìn)行分析的一種技術(shù)。

數(shù)字微流控（digital microfluidics, DMF）是基于微液滴操作的芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的一個(gè)平臺。液滴在帶有一組絕緣電極的平臺上完成分配、移動、混合、分離、存儲、反應(yīng)或分析等操作。數(shù)字微流控技術(shù)可與質(zhì)譜分析、比色法、電化學(xué)和電化學(xué)發(fā)光等分析方法一起使用。

圖1：數(shù)字微流控示意圖

利用液體的表面張力特性可以在固體疏水表面形成球形微液滴。表面疏水性的差異會通過改變接觸角影響液體擴(kuò)展和“潤濕”表面的能力。隨著表面的疏水性增加，接觸角增加，并且液滴潤濕表面的能力降低。通過使用電場可以控制固體表面的疏水性，這就是介電濕潤現(xiàn)象（Electrowetting-on-dielectric, EWOD）。當(dāng)未將電場施加到電極時(shí)，電極表面將保持疏水性，液滴將形成具有更大接觸角的球形液滴。當(dāng)施加電場時(shí)，會形成極化的親水性表面，液滴接觸角減小從而變平。通過控制這種極化的電位，我們可以創(chuàng)建界面張力梯度，從而使得液滴在 DMF 設(shè)備表面上產(chǎn)生受控位移。

DMF 有封閉式和開放式兩種結(jié)構(gòu)形式，各有優(yōu)缺點(diǎn)。前者即能實(shí)現(xiàn)四種基本液滴操作，又能提供可靠且可重復(fù)的液滴體積控制，但難于與在線分析方法進(jìn)行集成；后者雖不易于實(shí)現(xiàn)液滴的分配和分裂操作，但它卻便于與其他液體處理和操控工具以及表面分析設(shè)備進(jìn)行集成。另外，開放式結(jié)構(gòu)不便于樣品加載，通常使用微注射器將液滴加載到芯片上，操作繁瑣且會影響生化檢驗(yàn)的可重復(fù)性。

針對上述問題，需要一種技術(shù)使其在液滴物理操作中既具有封閉式結(jié)構(gòu)的通用性又具有開放式結(jié)構(gòu)對檢測系統(tǒng)的易集成性，同時(shí)保持低成本和易制作的優(yōu)勢。近日，蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 陳立國 教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種柔性混合式芯片結(jié)構(gòu)，將數(shù)字微流控芯片的封閉式和開放式結(jié)構(gòu)集成在同一個(gè)柔性基底上，實(shí)現(xiàn)了液滴在封閉區(qū)和開放區(qū)之間的自由往返運(yùn)動。

該成果以“數(shù)字微流控封閉-開放區(qū)間的液滴兩區(qū)運(yùn)動” 為題發(fā)表在《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，2021中國國際影響力優(yōu)秀學(xué)術(shù)期刊）2022 年 6 期上。

圖2：混合式結(jié)構(gòu)示意圖

采用柔性印刷電子技術(shù)在聚對苯二甲酸乙二醇脂（Polyethylene terephthalate，PET）塑料片材和相紙等柔性基底上噴墨打印電極層，絕緣薄膜作為介電層，Teflon? AF-1600 作為疏水層制備出了柔性混合式芯片。柔性芯片的制備工藝擺脫了傳統(tǒng)芯片制作工藝對潔凈間以及昂貴光刻、氣相沉積和旋涂技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備的依賴，大大簡化了芯片的制作工藝步驟；芯片材料如柔性基底、絕緣薄膜等，成本低廉，易于獲取；通過更換涂有疏水層的絕緣薄膜可重復(fù)使用打印的芯片，大大提高了芯片的利用率。

圖3：柔性芯片示意圖

圖4：混合式液滴操作示意圖

在混合式結(jié)構(gòu)中，微液滴在封閉-開放區(qū)間的跨區(qū)自由往返運(yùn)動其關(guān)鍵在于液滴在兩區(qū)邊界處的運(yùn)動，而且上極板的厚度、側(cè)面的疏水性以及其縱向位置和橫向位置都會影響液滴在兩區(qū)邊界處的運(yùn)動。

上極板厚度越大，其側(cè)面對液滴的粘附作用越大，液滴越不容易脫離其側(cè)面，液滴的驅(qū)動電壓越高。因此，薄的上極板有利于液滴在兩區(qū)間的運(yùn)動。

上極板側(cè)面被疏水化之后，液滴在兩區(qū)間運(yùn)動的驅(qū)動電壓大大降低。

在封閉區(qū)上下極板之間存在一個(gè)合適的間距范圍，在該范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)液滴兩區(qū)間的自由往返運(yùn)動。該間距范圍與液滴體積、驅(qū)動電極尺寸等多個(gè)參數(shù)相關(guān)。

封閉區(qū)上極板的位置可分為三種，分別為上極板的側(cè)面邊緣恰好在兩區(qū)邊界處中心，偏向于封閉區(qū)以及偏向于開放區(qū)。上極板的側(cè)面邊緣偏向于開放區(qū)可有助于液滴在兩區(qū)間的往返運(yùn)動，驅(qū)動電壓更低。

圖5：上極板三種不同的橫向模式

柔性集成數(shù)字微流控芯片制作成本低廉，工藝步驟簡單，便于在單一芯片上實(shí)施完整且高自動化的生化分析。柔性電子印刷技術(shù)與數(shù)字微流控芯片的結(jié)合使其在制造成本、制造時(shí)間、材料選擇、實(shí)施操作和批量生產(chǎn)能力等方面都顯示出了非常誘人的優(yōu)勢，特別適合在低資源配置的環(huán)境下完成芯片的加工，同時(shí)也有利于可穿戴且價(jià)格合理的數(shù)字微流控芯片逐步市場化，以便滿足現(xiàn)代醫(yī)療保健、食品安全以及環(huán)境監(jiān)測的需求。

| 論文信息 |

王鶴,陳立國.數(shù)字微流控封閉-開放區(qū)間的液滴兩區(qū)運(yùn)動[J].光學(xué)精密工程,2022,30(06):711-720.

https://ope.lightp?ublishing.cn/thesisDetails#10.37188/OPE.20223006.0711

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