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(cè)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(guò)程，并對(duì)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(tái)。液滴在帶有一組絕緣電極的平臺(tái)上完成分配、移動(dòng)、混合、分離、存儲(chǔ)、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(huì)通過(guò)改變接觸角影響液體擴(kuò)展和“潤(rùn)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(rùn)濕表面的能力降低。通過(guò)使用電場(chǎng)可以控制固體表面的疏水性，這就是介電濕潤(rùn)現(xiàn)象（Electrowetting-on-dielectric, EWOD）。當(dāng)未將電場(chǎng)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(chǎng)時(shí)，會(huì)形成極化的親水性表面，液滴接觸角減小從而變平。通過(guò)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(kāi)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(xiàn)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(kāi)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(huì)影響生化檢驗(yàn)的可重復(fù)性。

針對(duì)上述問(wèn)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(kāi)放式結(jié)構(gòu)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的易集成性，同時(shí)保持低成本和易制作的優(yōu)勢(shì)。近日，蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 陳立國(guó) 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(kāi)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(kāi)放區(qū)之間的自由往返運(yùn)動(dòng)。

該成果以“數(shù)字微流控封閉-開(kāi)放區(qū)間的液滴兩區(qū)運(yùn)動(dòng)” 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(guó)國(guó)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(duì)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(duì)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(lài)，大大簡(jiǎn)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??；通過(guò)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(kāi)放區(qū)間的跨區(qū)自由往返運(yùn)動(dòng)其關(guān)鍵在于液滴在兩區(qū)邊界處的運(yùn)動(dòng)，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(huì)影響液滴在兩區(qū)邊界處的運(yùn)動(dòng)。

上極板厚度越大，其側(cè)面對(duì)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(dòng)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(dòng)。

上極板側(cè)面被疏水化之后，液滴在兩區(qū)間運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)。該間距范圍與液滴體積、驅(qū)動(dòng)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(kāi)放區(qū)。上極板的側(cè)面邊緣偏向于開(kāi)放區(qū)可有助于液滴在兩區(qū)間的往返運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單，便于在單一芯片上實(shí)施完整且高自動(dòng)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(shì)，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(chǎng)化，以便滿(mǎn)足現(xiàn)代醫(yī)療保健、食品安全以及環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。

| 論文信息 |

王鶴,陳立國(guó).數(shù)字微流控封閉-開(kāi)放區(qū)間的液滴兩區(qū)運(yùn)動(dòng)[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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