DMF芯片的設計與制作

近年來，數字微流控（digital microfluidic，DMF）芯片技術憑借其可配置性強、可并行處理多個液滴和試劑消耗速率低等優(yōu)勢，受到了廣大科研工作者的青睞，該技術已經廣泛應用于分析化學、臨床診斷、DNA測序和環(huán)境監(jiān)測等領域。基于介電潤濕效應（electrowetting ondielectric，EWOD）的平面液滴驅動技術憑借其集成性好、操控便捷等優(yōu)勢已成為芯片上液滴控制技術的主流。目前，國內外眾多學者開展的基于EWOD的DMF系統(tǒng)研究，主要集中在EWOD芯片的結構設計、疏水介電層材料的選型與制備、微液滴驅動機理等方面，很少有將微液滴驅動、位置檢測和路徑規(guī)劃進行集成化的研究。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自重慶理工大學的研究人員將三者融為一體，從正交矩陣電極設計、液滴驅動、位置檢測的集成化研究出發(fā)，驅動與檢測裝置共用正交電極矩陣，利用液滴驅動的時間間歇實現電極間電容量檢測，進而判斷液滴的位置，再根據液滴的位置規(guī)劃其行進路徑，實驗結果證明了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操控性，可在數分鐘內完成微液滴的有效控制，較好實現了軟硬件系統(tǒng)的人機交互。相關研究成果以論文形式發(fā)表于《微納電子技術》期刊。

DMF芯片的設計與制作

結合方形電極結構簡單、制作難度低、高度對稱等優(yōu)點，研究人員提出了雙極板正交矩陣電極設計，如圖1所示。接著，利用自制的數字光刻投影系統(tǒng)進行DMF芯片電極結構的加工制作。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 正交矩陣電極設計

圖2 制作的上下極板DMF芯片實物圖

DMF芯片系統(tǒng)構建

整個DMF芯片系統(tǒng)主要由下位機硬件電路、上位機控制軟件和DMF芯片三部分組成。為了便于驗證位置檢測的準確性，使用初期采用光學顯微鏡進行液滴的位置觀測。通過操控上位機軟件可實現液滴運動路徑規(guī)劃、下位機位置信號采集和驅動電壓信號輸出，通過給不同行列的電極施加電壓，可以實現液滴的控制和移動，通過比對檢測電路所采集的電容值可以獲得液滴所處位置。下位機硬件電路利用定時器對電壓驅動電路與電容檢測電路進行分時復用，兩者的脈沖時序圖如圖3（b）所示。

圖3 搭建完成的DMF芯片系統(tǒng)

DMF芯片系統(tǒng)性能測試及應用

研究人員首先進行了液滴驅動測試，液滴初始位置如圖4（a）所示，為了實現兩液滴的混合，需在行方向上施加電壓，此處選擇移動液滴B，使液滴B向上運動，如圖4（b）所示，再對第2行施加電壓使液滴B繼續(xù)向前運動，最后完成混合得到液滴C，如圖4（c）所示。

圖4 液滴在DMF芯片中的驅動

接著，研究人員進行了液滴位置檢測及路徑規(guī)劃測試，液滴運動到終點的實際顯微鏡觀測位置和系統(tǒng)檢測的目標位置，分別如圖5（e）和（f）所示，符合實驗預期要求，說明該檢測方法可行，而且該方法對于透明或者不可見光液滴的位置檢測具有突出優(yōu)勢。

圖5 液滴在DMF芯片系統(tǒng)中的位置檢測與路徑規(guī)劃

最后，為了對比DMF芯片技術與常規(guī)技術之間的差異，研究人員選用高錳酸鉀與維生素C（VC）溶液進行褪色反應實驗。在常規(guī)技術條件下，高錳酸鉀與VC的反應時間約為48s，該研究中使用DMF芯片進行實驗，反應時間為34s，明顯縮短了反應時間，且反應過程直觀明顯，整個實驗過程如圖6所示。

圖6 DMF芯片中高錳酸鉀與VC的反應過程

綜上所述，研究人員在DMF芯片電極設計、系統(tǒng)集成搭建方面開展了相關研究，實現了液滴的驅動、檢測與路徑規(guī)劃一體化集成。首先，結合雙極板結構提出了正交矩陣電極設計，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網格分布，實現了液滴在任意位置處的自由運動。其次，在驅動間隙對液滴的位置進行檢測尋址，并根據液滴目標位置利用搭建完成的DMF芯片系統(tǒng)實現了液滴的路徑規(guī)劃。最后，利用本系統(tǒng)對液滴進行了驅動、位置檢測、路徑規(guī)劃和褪色反應測試，可在數分鐘內完成微液滴的有效控制，驗證了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操控性，較好地實現了軟硬件系統(tǒng)的人機交互。測試結果體現了DMF芯片技術使用反應試劑少、反應速度快、反應效果更加直觀的優(yōu)點，當液滴為透明或者不能見光狀態(tài)時，本系統(tǒng)具有突出的應用價值。后期借助液滴初始標定和電容檢測數據的深入分析，還可用于反應狀態(tài)的監(jiān)測，這將使本系統(tǒng)的應用范圍更加廣泛。