利用微流控與熱泡噴墨技術(shù)實現(xiàn)微流控液滴

近年來，隨著微流控芯片的發(fā)展，微流控液滴技術(shù)逐步走進人們的視野。微液滴常作為微反應單元，能夠完成生化反應、試劑快速融合等功能，對微流控芯片的低消耗、自動化和高通量等優(yōu)點起到了大大的增強作用。隨著微流控與MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，微流控液滴技術(shù)在生物工程、化學分析、疾病防護、細胞研究、藥物傳輸和材料合成等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應用，并發(fā)揮著重要作用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，上海大學微電子學院聯(lián)合上海微技術(shù)工業(yè)研究院提出了一種新的微液滴制備方法，該方法將微流控與熱泡噴墨技術(shù)結(jié)合，能夠在1s內(nèi)形成超過3萬個皮升（pL）級液滴。相關(guān)研究成果以論文形式發(fā)表于《傳感器與微系統(tǒng)》期刊。

該研究采用的熱發(fā)泡噴墨打印技術(shù)，其原理如圖1所示。打印裝置主要分為薄膜加熱電阻、噴嘴（吸取水相）和油相儲存區(qū)3個部分。其中，加熱電阻能夠?qū)姵鰠^(qū)域中的水相瞬間加熱至300℃以上，從而形成無數(shù)微小氣泡。隨后，氣泡以極快的速度聚集成為大氣泡并擴展，迫使噴嘴中的水相從噴嘴中噴出進入油相形成油包水微液滴。

而后，氣泡繼續(xù)成長幾秒后，便會消失，而由于水相的表面張力所產(chǎn)生的吸力，會把新的水相拉引到水相噴出區(qū)準備下次的循環(huán)噴射。采用該原理可以得到體積更小，形成頻率更高，數(shù)量更多的微液滴。

圖1 熱發(fā)泡噴墨打印原理

此外，微液滴形成裝置的設(shè)計如圖2所示。研究人員首先基于設(shè)計原理進行了微流控芯片的設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，溝槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計是為了涂敷膠水便于進行封裝。收集腔含有2個腔室，下腔室用于儲存油相和收集微液滴，上腔室是為了收集液孔中流出的溶液，減少微液滴的不必要損失（圖2（b））。

液滴發(fā)生器功能的實現(xiàn)需要將半導體芯片上的加熱電阻連接到控制電路上，因而該研究設(shè)計了含有26個頂針孔的卡槽結(jié)構(gòu)（圖2（c）），以及用于壓緊液滴發(fā)生器的卡夾（圖2（d）），并在卡夾與液滴發(fā)生器接觸的地方貼上橡膠墊，使兩者的接觸為軟接觸，從而壓得更緊更牢。整個微液滴形成裝置如圖2（e）所示，按照其組裝，連接電源即可完成液滴生成。

圖2 液滴形成裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨后，研究人員結(jié)合微流控與MEMS半導體技術(shù)，利用熱發(fā)泡噴墨打印原理形成微液滴。微液滴的制備流程如圖３（a）所示，MEMS半導體芯片有640個噴嘴用于形成微型液滴。微流控芯片和收集腔的材料選擇為透明聚碳酸酯（PC），因為，該材料具有良好的耐溶劑性、耐老化性、尺寸穩(wěn)定性、電化學性，且強度高、蠕變性小，另外其良好的透光性使得直接觀察液滴流動狀況成為可能。將封裝好的液滴發(fā)生芯片放入控制器的卡槽中連接電路，通過軟件可控制液滴的形成，可生成體積為24 pL的微型液滴。

該生成液滴的技術(shù)可應用于數(shù)字PCR，其原理為：將微型液滴作為一個反應單元，經(jīng)過PCR儀擴增，將反應單元中的目的基因指數(shù)級擴增；將擴增后的液滴打進結(jié)果閱讀芯片中，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計能將微型液滴平鋪在其內(nèi)部流道中；隨后將結(jié)果閱讀芯片放入光學檢測儀器中，進行微型液滴形貌與熒光信號的檢測。

圖３ 微液滴的制備流程和檢測過程

最后，針對這種新的液滴發(fā)生方法，該文系統(tǒng)研究了噴孔位置、分散相黏度、分散相與MEMS半導體芯片的接觸角等因素對液滴生成的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過控制以上因素，可以獲得大量的CV值低于6%的微液滴。這種液滴生成方式在數(shù)字PCR技術(shù)的應用中有巨大的應用潛力，能夠在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的微型液滴，并且密封良好，能夠有效避免數(shù)字PCR試劑的污染，對于液滴數(shù)字PCR是個全新的、更好的平臺，而且能夠為小型一體化數(shù)字PCR儀的研究提供可能。

審核編輯：劉清