芯片實驗室（Lab-on-a-chip）是指把生物和化學等領域中所涉及的樣品制備、生物與化學反應、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反應過程，并對其產物進行分析的一種技術。

數字微流控（digital microfluidics, DMF）是基于微液滴操作的芯片實驗室系統的一個平臺。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、反應或分析等操作。數字微流控技術可與質譜分析、比色法、電化學和電化學發光等分析方法一起使用。

圖1：數字微流控示意圖

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，這就是介電濕潤現象（Electrowetting-on-dielectric, EWOD）。當未將電場施加到電極時，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。當施加電場時，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，我們可以創建界面張力梯度，從而使得液滴在 DMF 設備表面上產生受控位移。

DMF 有封閉式和開放式兩種結構形式，各有優缺點。前者即能實現四種基本液滴操作，又能提供可靠且可重復的液滴體積控制，但難于與在線分析方法進行集成；后者雖不易于實現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備進行集成。另外，開放式結構不便于樣品加載，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的可重復性。

針對上述問題，需要一種技術使其在液滴物理操作中既具有封閉式結構的通用性又具有開放式結構對檢測系統的易集成性，同時保持低成本和易制作的優勢。近日，蘇州大學機電工程學院 陳立國 教授團隊研發了一種柔性混合式芯片結構，將數字微流控芯片的封閉式和開放式結構集成在同一個柔性基底上，實現了液滴在封閉區和開放區之間的自由往返運動。

該成果以“數字微流控封閉-開放區間的液滴兩區運動” 為題發表在《光學 精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，2021中國國際影響力優秀學術期刊）2022 年 6 期上。

圖2：混合式結構示意圖

采用柔性印刷電子技術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及其相關設備的依賴，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

在混合式結構中，微液滴在封閉-開放區間的跨區自由往返運動其關鍵在于液滴在兩區邊界處的運動，而且上極板的厚度、側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邊界處的運動。

上極板厚度越大，其側面對液滴的粘附作用越大，液滴越不容易脫離其側面，液滴的驅動電壓越高。因此，薄的上極板有利于液滴在兩區間的運動。

上極板側面被疏水化之后，液滴在兩區間運動的驅動電壓大大降低。

在封閉區上下極板之間存在一個合適的間距范圍，在該范圍內可實現液滴兩區間的自由往返運動。該間距范圍與液滴體積、驅動電極尺寸等多個參數相關。

封閉區上極板的位置可分為三種，分別為上極板的側面邊緣恰好在兩區邊界處中心，偏向于封閉區以及偏向于開放區。上極板的側面邊緣偏向于開放區可有助于液滴在兩區間的往返運動，驅動電壓更低。

圖5：上極板三種不同的橫向模式

柔性集成數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施完整且高自動化的生化分析。柔性電子印刷技術與數字微流控芯片的結合使其在制造成本、制造時間、材料選擇、實施操作和批量生產能力等方面都顯示出了非常誘人的優勢，特別適合在低資源配置的環境下完成芯片的加工，同時也有利于可穿戴且價格合理的數字微流控芯片逐步市場化，以便滿足現代醫療保健、食品安全以及環境監測的需求。

| 論文信息 |

王鶴,陳立國.數字微流控封閉-開放區間的液滴兩區運動[J].光學精密工程,2022,30(06):711-720.

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

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