精彩论文 | 激光加工可重构的自驱动液滴微流控芯片

论文导读

      自然界中超浸润表面和液体输运行为为研发新型微流控器件提供了灵感，从灵感到实际应用还需要先进技术推动，如果想达到微流控芯片应用的水平，还需要实现液滴的精细化操控，这富有挑战。2021年8月11日，吉林大学张永来教授、清华大学孙洪波教授团队在 PhotoniX 在线发表论文“Laser fabrication of modular superhydrophobic chips for reconfigurable assembly and self-propelled droplet manipulation”。文中设计了一款可重构超疏水自驱动的模块液滴芯片，为研制超浸润微流控芯片提供了新思路。这款模块液滴芯片由激光雕刻一系列疏水聚合物模块组成，以重力为驱动力，实现液滴的传输、劈裂、融合、跳跃等操作，并且不会引起液滴的质量损失。此外，因为具备良好的超疏水性，模块液滴芯片能够有效地降低交叉污染风险。经过验证，模块液滴芯片可为光学检测、生物标记、化学合成等领域提供便携式实验平台，有望成为下一代微流控芯片。

研究背景

      微流控芯片为化学合成、生物分析和医学检测等应用提供了灵敏、高效、低损耗、安全、环境友好的实验平台。不过，通常情况下微流控芯片是为某一种特定应用专门设计的、具有固定的通道网络的专用器件，其器件结构不可以变化，这严重影响了其在不同场合的应用。此外，微流控芯片一般需要进样泵、显微镜、电源等附加设备才能工作，让其便携属性大大折扣。因此，微流控芯片大多数适用于实验室中。为了克服这些问题，数字微流控芯片（digital microfluidic）、表面诱导芯片（surface-directed microfluidic）为微流控驱动方式发展提供了新思路。前者基于电浸润效应，能够灵活的操控液滴，完成分配、传输、劈裂、融合操作，但是整个过程会受到强电场的影响。后者通过亲水毛细作用驱动液体，但是其会受到交叉污染的困扰。综上所述，当前亟需研发通道可重构、自驱动、真正便携的微流控芯片。

      自然生物独特的微纳结构和液体输运方式为设计新型微流控芯片提供了思路。比如，具有特征微结构的水稻叶、猪笼草，能够定向输运液滴。这些自然现象暗示功能化特征浸润表面能够操控液滴。不过，只有严格实现了液滴定向输运、定量劈裂与融合，以及防止交叉污染，才能真正的满足微流控芯片的需求，实现这一目标并不简单。

      在本工作基于激光微纳加工技术制备了一款可重构、小型化、自驱动、便携模块液滴芯片，可实现液滴的精细化操作，完成了一些典型生化实验。具体地，利用激光加工技术制备出具有超疏水浮雕结构的、可自由的拼接PDMS模块。在重力驱动下，浮雕结构操控液滴完成定向输运、定量劈裂等精细操作。同时，可拼接的设计，满足了液滴的复杂、可灵活拓展的操控需求。此款芯片可满足光学检测、化学合成、生物标记等场景应用。

技术突破

      模块液滴芯片的关键制备技术是激光加工，其中的主要突破是我们把超疏水表面制备，从二维的平面拓展到了三维的微结构，利用三维的超疏水微结构实现了对液滴更精密的超控。首先使用激光雕刻技术在PMMA板上雕刻超疏水浮雕结构，随之使用PDMS复制上述结构，最后，在利用激光诱导微结构生成和表面改性的协同作用，实现三维的超疏水浮雕结构，如图1a所示；进一步地，在具有拼图接口的PDMS模块上制备超疏水浮雕结构，就得到了模块液滴芯片，如图1b、c所示。芯片使用时，液滴在重力作用下，从倾斜放置的芯片顶部向下运动，运动方向和运动速度受特定的疏水沟槽、直壁等浮雕结构调制。经过严格计算设计的浮雕结构的操控下，液滴能够精准定向输运进入特定通道，劈裂变成若干子液滴，融合发生化学反应，弹跳跨越阻碍。如果合理控制液滴的动量，甚至像玻璃球一样发生碰撞却不融合，即本芯片能够完成基本生化反应的各类液滴操控。

      这样，针对不同分析应用需求，就可以筛选出具有特定功能的一系列模块液滴芯片，组成一组芯片，完成液滴操控，满足实验需求。如图2a所示，为一组液滴稀释芯片，原始液滴与溶剂液滴经过四次定量的劈裂、持续震荡条件下的两次融合，完成了10倍稀释，经过统计，稀释浓度偏差在4%以内。此外，丰富的微纳结构赋予模块液滴芯片优异的抗污染能力，如图2c，d。本芯片在操控100次高浓度蛋白质液滴后，被蛋白质污染的区域只占0.0015%，而操控1000次以后污染的区域仅占0.0225%。相比之下，没有疏水改性的PDMS芯片在操控1次液滴之后，有高达99.6%的区域残留了蛋白质。

观点评述

      受自然界超疏水结构启发，我们设计了一款具有超疏水浮雕结构的模块液滴芯片。本芯片能够灵活操控液滴完成定向传输、定量劈裂、精准融合、震荡、替换等运动。将各种操控液滴运动的浮雕结构制备在可拼接模块上，通过灵活组装这些模块就能完成所需的集成液滴操控，完成相应生化反应。此外，本芯片由重力驱动，无需其他附属能源设备，是真正的便携式微流控芯片。另外，模块液滴芯片是超疏水的，具备优秀的抗污染能力，可以重复使用。基于以上优势，这种模块化的液滴芯片有望成为下一代微流控芯片技术。

主要作者

      王欢，本硕博毕业于吉林大学电子学院，中科院长春光机所精密仪器与装备研发中心副研究员，硕士生导师，主要从事超快激光加工的产业化研究工作。

      张永来，吉林大学电子科学与工程学院教授，博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，主要研究方向为激光仿生制造。共计发表第一作者、通讯作者 SCI 论文 120篇，个人 H 因子为 45。近五年，在 Natl. Sci. Rev., Adv. Mater., Laser Photon. Rev.等重要学术期刊发表中科院一区 SCI 论文 36 篇，研究成果被Nature 杂志Highlight专题报道、美国光学学会(OSA)、 美国机械工程师学会(ASME)、中华人民共和国科学技术部官方网站等专题报道 23 次。《中国激光》杂志社青年编委，《国家科学评论》杂志青年编委。研究成果获2020年国家自然科学二等奖（排名第三）。目前主持国家自然科学基金重点项目。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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