什么是數(shù)字微流控芯片技術(shù)

數(shù)字微流控芯片是指對(duì)不連續(xù)液滴的控制，核心技術(shù)在于利用電子電路控制液體表面張力，從而控制液滴的產(chǎn)生、移動(dòng)、分裂、合并等操作。

1.介質(zhì)上電濕潤(rùn)原理

電潤(rùn)濕是指通過(guò)調(diào)整施加在液體-固體電極之間的電勢(shì)，來(lái)改變液體和固體之間的表面張力，從而改變兩者之間的接觸角。早在 1875 年，法國(guó)科學(xué)家Lippmann觀察到在汞和電解液之間加電壓，會(huì)出現(xiàn)的毛細(xì)下降現(xiàn)象;并提出了著名的Lippmann-Young方程。1993年Berge在電潤(rùn)濕模型中引入了介電層，以盡量消除電解的發(fā)生，這被稱為介質(zhì)上電潤(rùn)濕(electrowetting-on-dielectric，EWOD)(圖1)

圖1 介質(zhì)上的電濕潤(rùn)(EWOD)

附件視頻說(shuō)明：

(1)視頻1(WeiXin:microfluidic_Cchip)

在一疏水材質(zhì)的表面有一個(gè)水滴。當(dāng)電壓作用于水滴，產(chǎn)生電濕潤(rùn)效應(yīng)，水滴在材質(zhì)表面“坐下來(lái)”，去掉電壓，水滴在材質(zhì)表面“站起來(lái)”。

(2)視頻2(WeiXin:microfluidic_Cchip)

儲(chǔ)液池加入約10ml的液體(為了便于觀察加入了藍(lán)色染料)。然后立即啟動(dòng)，“墨盒”開(kāi)始制備液滴。

(3)視頻3(WeiXin:microfluidic_Cchip)

運(yùn)用電濕潤(rùn)的原理，可以使液滴在疏水材質(zhì)的表面“走起來(lái)”。

(4)視頻4(WeiXin:microfluidic_Cchip)

運(yùn)用ALL公司專有的先進(jìn)液體控制技術(shù)，在復(fù)雜的陣列結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的靈活控制。在此，運(yùn)用電濕潤(rùn)效應(yīng)來(lái)操縱液滴。

(5)視頻5(WeiXin:microfluidic_Cchip)

數(shù)字微流控芯片中有十幾個(gè)液滴。ALL公司的技術(shù)可以對(duì)液滴的移動(dòng)路徑進(jìn)行獨(dú)立控制，在復(fù)雜的分析流程中具有高度的并行處理能力。

2. 介質(zhì)上電濕潤(rùn)器件的結(jié)構(gòu)

介質(zhì)上電潤(rùn)濕是一種電控表面張力驅(qū)動(dòng)方式。它通過(guò)在介質(zhì)膜下面的微電極陣列上施加電勢(shì)來(lái)改變介質(zhì)膜與表面液體的潤(rùn)濕特性。典型的EWOD器件通常采用三層結(jié)構(gòu)(圖2)，即受控液滴被夾在上、下兩極板之間。下極板由襯底、微電極陣列、絕緣層以及疏水層構(gòu)成。疏水層可以保證液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程的平滑和穩(wěn)定。上下極板之間的填充物質(zhì)可以是空氣或者是硅油，硅油可以作為潤(rùn)滑劑，降低液滴的驅(qū)動(dòng)阻尼，使驅(qū)動(dòng)電壓下降，而且可以減少液滴的蒸發(fā)，但它可能會(huì)對(duì)液滴產(chǎn)生污染，從而一定程度上限制了它在生物化學(xué)等方面的應(yīng)用。在EWOD裝置中，絕緣層材料也有多種選擇，如表面覆蓋Teflon的SiO2、Teflon。

圖2 典型EWOD的三層結(jié)構(gòu)

另一種EWOD裝置采用共面電極設(shè)計(jì)，正負(fù)電極全部做在下極板。如圖3所示，這種共面電極裝置無(wú)需上極板;并且可以加工在PCB電路板上，同時(shí)可集成高密度電極。

圖3 (a)單層共面微電極陣列 (b)PCB上的EWOD電極板剖面

3. 介質(zhì)上電濕潤(rùn)三相接觸角θυ的計(jì)算

圖4 介質(zhì)上電潤(rùn)濕系統(tǒng)示意圖

由Lippmann-Young方程可以看出，液滴的三相接觸角隨外加電勢(shì)v的絕對(duì)值增大而變小，而且它與介質(zhì)層的厚度、介電常數(shù)都有關(guān)。

4. 利用介質(zhì)上電濕潤(rùn)效應(yīng)對(duì)液滴進(jìn)行操作和控制的原理

圖5 三層結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的截面圖

5. 介質(zhì)上電濕潤(rùn)技術(shù)的難點(diǎn)

雖然電潤(rùn)濕的理論研究和應(yīng)用都取得了很大的進(jìn)展，可是仍面對(duì)以下難題：

(1)觸角飽和。根據(jù) Lippmann-Young 方程可得，隨著外加電壓的增加，接觸角會(huì)趨向于0。但實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)接觸角達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，通過(guò)外加電壓很難使它再減小。這個(gè)現(xiàn)象引起了眾多研究者的興趣。但到目前仍沒(méi)有一個(gè)大家共同認(rèn)可的解釋。

(2)接觸角滯后。接觸角滯后是指在液體的接觸角變化時(shí)存在前進(jìn)接觸角和后退接觸角。電壓增加時(shí)和電壓減少時(shí)，同一電壓所對(duì)應(yīng)的接觸角也不相同。如何消除接觸角滯后對(duì)電潤(rùn)濕的影響是電潤(rùn)濕實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。

(3)電潤(rùn)濕中的電解。在介電材料和液體確定的情況下，獲得較大接觸角改變的兩種途徑是提高外加電壓或減少介電層的厚度。這兩種方法都有可能加速介電層的擊穿，導(dǎo)致電潤(rùn)濕中的液體發(fā)生電解，液體在還沒(méi)發(fā)生接觸角變化時(shí)就會(huì)電解，產(chǎn)生氣泡。電潤(rùn)濕中的電解將造成器件的損壞。

審核編輯：湯梓紅