光学 精密工程 | 柔性集成数字微流控：绿色芯片实验室

芯片实验室（Lab-on-a-chip）是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成或基本集成于一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一种技术。

数字微流控（digital microfluidics, DMF）是基于微液滴操作的芯片实验室系统的一个平台。液滴在带有一组绝缘电极的平台上完成分配、移动、混合、分离、存储、反应或分析等操作。数字微流控技术可与质谱分析、比色法、电化学和电化学发光等分析方法一起使用。

图1：数字微流控示意图

利用液体的表面张力特性可以在固体疏水表面形成球形微液滴。表面疏水性的差异会通过改变接触角影响液体扩展和“润湿”表面的能力。随着表面的疏水性增加，接触角增加，并且液滴润湿表面的能力降低。通过使用电场可以控制固体表面的疏水性，这就是介电湿润现象（Electrowetting-on-dielectric, EWOD）。当未将电场施加到电极时，电极表面将保持疏水性，液滴将形成具有更大接触角的球形液滴。当施加电场时，会形成极化的亲水性表面，液滴接触角减小从而变平。通过控制这种极化的电位，我们可以创建界面张力梯度，从而使得液滴在 DMF 设备表面上产生受控位移。

DMF 有封闭式和开放式两种结构形式，各有优缺点。前者即能实现四种基本液滴操作，又能提供可靠且可重复的液滴体积控制，但难于与在线分析方法进行集成；后者虽不易于实现液滴的分配和分裂操作，但它却便于与其他液体处理和操控工具以及表面分析设备进行集成。另外，开放式结构不便于样品加载，通常使用微注射器将液滴加载到芯片上，操作繁琐且会影响生化检验的可重复性。

针对上述问题，需要一种技术使其在液滴物理操作中既具有封闭式结构的通用性又具有开放式结构对检测系统的易集成性，同时保持低成本和易制作的优势。近日，苏州大学机电工程学院 陈立国 教授团队研发了一种柔性混合式芯片结构，将数字微流控芯片的封闭式和开放式结构集成在同一个柔性基底上，实现了液滴在封闭区和开放区之间的自由往返运动。

该成果以“数字微流控封闭-开放区间的液滴两区运动” 为题发表在《光学 精密工程》（EI、Scopus收录，中文核心期刊，2021中国国际影响力优秀学术期刊）2022 年 6 期上。

图2：混合式结构示意图

采用柔性印刷电子技术在聚对苯二甲酸乙二醇脂（Polyethylene terephthalate，PET）塑料片材和相纸等柔性基底上喷墨打印电极层，绝缘薄膜作为介电层，Teflon® AF-1600 作为疏水层制备出了柔性混合式芯片。柔性芯片的制备工艺摆脱了传统芯片制作工艺对洁净间以及昂贵光刻、气相沉积和旋涂技术及其相关设备的依赖，大大简化了芯片的制作工艺步骤；芯片材料如柔性基底、绝缘薄膜等，成本低廉，易于获取；通过更换涂有疏水层的绝缘薄膜可重复使用打印的芯片，大大提高了芯片的利用率。

图3：柔性芯片示意图

图4：混合式液滴操作示意图

在混合式结构中，微液滴在封闭-开放区间的跨区自由往返运动其关键在于液滴在两区边界处的运动，而且上极板的厚度、侧面的疏水性以及其纵向位置和横向位置都会影响液滴在两区边界处的运动。

上极板厚度越大，其侧面对液滴的粘附作用越大，液滴越不容易脱离其侧面，液滴的驱动电压越高。因此，薄的上极板有利于液滴在两区间的运动。

上极板侧面被疏水化之后，液滴在两区间运动的驱动电压大大降低。

在封闭区上下极板之间存在一个合适的间距范围，在该范围内可实现液滴两区间的自由往返运动。该间距范围与液滴体积、驱动电极尺寸等多个参数相关。

封闭区上极板的位置可分为三种，分别为上极板的侧面边缘恰好在两区边界处中心，偏向于封闭区以及偏向于开放区。上极板的侧面边缘偏向于开放区可有助于液滴在两区间的往返运动，驱动电压更低。

图5：上极板三种不同的横向模式

柔性集成数字微流控芯片制作成本低廉，工艺步骤简单，便于在单一芯片上实施完整且高自动化的生化分析。柔性电子印刷技术与数字微流控芯片的结合使其在制造成本、制造时间、材料选择、实施操作和批量生产能力等方面都显示出了非常诱人的优势，特别适合在低资源配置的环境下完成芯片的加工，同时也有利于可穿戴且价格合理的数字微流控芯片逐步市场化，以便满足现代医疗保健、食品安全以及环境监测的需求。

| 论文信息 |

王鹤,陈立国.数字微流控封闭-开放区间的液滴两区运动[J].光学精密工程,2022,30(06):711-720.

https://ope.lightp‍ublishing.cn/thesisDetails#10.37188/OPE.20223006.0711

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