DMF芯片的設(shè)計(jì)與制作

近年來，數(shù)字微流控（digital microfluidic，DMF）芯片技術(shù)憑借其可配置性強(qiáng)、可并行處理多個(gè)液滴和試劑消耗速率低等優(yōu)勢(shì)，受到了廣大科研工作者的青睞，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、臨床診斷、DNA測(cè)序和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?；诮殡姖?rùn)濕效應(yīng)（electrowetting ondielectric，EWOD）的平面液滴驅(qū)動(dòng)技術(shù)憑借其集成性好、操控便捷等優(yōu)勢(shì)已成為芯片上液滴控制技術(shù)的主流。目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開展的基于EWOD的DMF系統(tǒng)研究，主要集中在EWOD芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、疏水介電層材料的選型與制備、微液滴驅(qū)動(dòng)機(jī)理等方面，很少有將微液滴驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)和路徑規(guī)劃進(jìn)行集成化的研究。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自重慶理工大學(xué)的研究人員將三者融為一體，從正交矩陣電極設(shè)計(jì)、液滴驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)的集成化研究出發(fā)，驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)裝置共用正交電極矩陣，利用液滴驅(qū)動(dòng)的時(shí)間間歇實(shí)現(xiàn)電極間電容量檢測(cè)，進(jìn)而判斷液滴的位置，再根據(jù)液滴的位置規(guī)劃其行進(jìn)路徑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操控性，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成微液滴的有效控制，較好實(shí)現(xiàn)了軟硬件系統(tǒng)的人機(jī)交互。相關(guān)研究成果以論文形式發(fā)表于《微納電子技術(shù)》期刊。

DMF芯片的設(shè)計(jì)與制作

結(jié)合方形電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作難度低、高度對(duì)稱等優(yōu)點(diǎn)，研究人員提出了雙極板正交矩陣電極設(shè)計(jì)，如圖1所示。接著，利用自制的數(shù)字光刻投影系統(tǒng)進(jìn)行DMF芯片電極結(jié)構(gòu)的加工制作。制作完成的上下極板如圖2（a）所示，最終制作完成的DMF芯片如圖2（b）所示。

圖1 正交矩陣電極設(shè)計(jì)

圖2 制作的上下極板DMF芯片實(shí)物圖

DMF芯片系統(tǒng)構(gòu)建

整個(gè)DMF芯片系統(tǒng)主要由下位機(jī)硬件電路、上位機(jī)控制軟件和DMF芯片三部分組成。為了便于驗(yàn)證位置檢測(cè)的準(zhǔn)確性，使用初期采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行液滴的位置觀測(cè)。通過操控上位機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)液滴運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃、下位機(jī)位置信號(hào)采集和驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)輸出，通過給不同行列的電極施加電壓，可以實(shí)現(xiàn)液滴的控制和移動(dòng)，通過比對(duì)檢測(cè)電路所采集的電容值可以獲得液滴所處位置。下位機(jī)硬件電路利用定時(shí)器對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)電路與電容檢測(cè)電路進(jìn)行分時(shí)復(fù)用，兩者的脈沖時(shí)序圖如圖3（b）所示。

圖3 搭建完成的DMF芯片系統(tǒng)

DMF芯片系統(tǒng)性能測(cè)試及應(yīng)用

研究人員首先進(jìn)行了液滴驅(qū)動(dòng)測(cè)試，液滴初始位置如圖4（a）所示，為了實(shí)現(xiàn)兩液滴的混合，需在行方向上施加電壓，此處選擇移動(dòng)液滴B，使液滴B向上運(yùn)動(dòng)，如圖4（b）所示，再對(duì)第2行施加電壓使液滴B繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，最后完成混合得到液滴C，如圖4（c）所示。

圖4 液滴在DMF芯片中的驅(qū)動(dòng)

接著，研究人員進(jìn)行了液滴位置檢測(cè)及路徑規(guī)劃測(cè)試，液滴運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)的實(shí)際顯微鏡觀測(cè)位置和系統(tǒng)檢測(cè)的目標(biāo)位置，分別如圖5（e）和（f）所示，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期要求，說明該檢測(cè)方法可行，而且該方法對(duì)于透明或者不可見光液滴的位置檢測(cè)具有突出優(yōu)勢(shì)。

圖5 液滴在DMF芯片系統(tǒng)中的位置檢測(cè)與路徑規(guī)劃

最后，為了對(duì)比DMF芯片技術(shù)與常規(guī)技術(shù)之間的差異，研究人員選用高錳酸鉀與維生素C（VC）溶液進(jìn)行褪色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。在常規(guī)技術(shù)條件下，高錳酸鉀與VC的反應(yīng)時(shí)間約為48s，該研究中使用DMF芯片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)時(shí)間為34s，明顯縮短了反應(yīng)時(shí)間，且反應(yīng)過程直觀明顯，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程如圖6所示。

圖6 DMF芯片中高錳酸鉀與VC的反應(yīng)過程

綜上所述，研究人員在DMF芯片電極設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成搭建方面開展了相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)了液滴的驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)與路徑規(guī)劃一體化集成。首先，結(jié)合雙極板結(jié)構(gòu)提出了正交矩陣電極設(shè)計(jì)，在很大程度上減小了電極引線密度，降低了芯片加工難度，電極陣列在空間中呈現(xiàn)網(wǎng)格分布，實(shí)現(xiàn)了液滴在任意位置處的自由運(yùn)動(dòng)。其次，在驅(qū)動(dòng)間隙對(duì)液滴的位置進(jìn)行檢測(cè)尋址，并根據(jù)液滴目標(biāo)位置利用搭建完成的DMF芯片系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了液滴的路徑規(guī)劃。最后，利用本系統(tǒng)對(duì)液滴進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)、路徑規(guī)劃和褪色反應(yīng)測(cè)試，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成微液滴的有效控制，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操控性，較好地實(shí)現(xiàn)了軟硬件系統(tǒng)的人機(jī)交互。測(cè)試結(jié)果體現(xiàn)了DMF芯片技術(shù)使用反應(yīng)試劑少、反應(yīng)速度快、反應(yīng)效果更加直觀的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)液滴為透明或者不能見光狀態(tài)時(shí)，本系統(tǒng)具有突出的應(yīng)用價(jià)值。后期借助液滴初始標(biāo)定和電容檢測(cè)數(shù)據(jù)的深入分析，還可用于反應(yīng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，這將使本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更加廣泛。