用于高通量單液滴的操縱和生成的有源矩陣數(shù)字微流控芯片

利用基于介電潤(rùn)濕（EWOD）的數(shù)字微流控（DMF）技術(shù)可以獨(dú)立處理和操縱單個(gè)液滴。通過對(duì)介電潤(rùn)濕芯片施加特定的時(shí)控電壓，可以對(duì)芯片上的多個(gè)液滴進(jìn)行并行操縱。目前，基于介電潤(rùn)濕的數(shù)字微流控平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)多種生物化學(xué)應(yīng)用，包括平行化學(xué)發(fā)光免疫測(cè)定、多肽液滴合成、自動(dòng)微生物電穿孔和單細(xì)胞全基因組測(cè)序等。制造小陣列數(shù)字微流控芯片是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)芯片時(shí)，可以很容易地通過導(dǎo)線將每個(gè)電極連接到相應(yīng)的襯底上，從而構(gòu)建無源矩陣（PM）芯片。然而，當(dāng)陣列尺寸較大時(shí)，數(shù)字微流控芯片的布線和外部驅(qū)動(dòng)非常復(fù)雜。因此，高通量數(shù)字微流控芯片通常采用有源矩陣（AM）技術(shù)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所、西交利物浦大學(xué)以及山東大學(xué)的研究人員共同設(shè)計(jì)了一種有源矩陣數(shù)字微流控芯片，并且對(duì)其驅(qū)動(dòng)信號(hào)策略進(jìn)行了研究。研究人員首先優(yōu)化了有源矩陣驅(qū)動(dòng)時(shí)序中的“保持時(shí)間”和“延遲時(shí)間”驅(qū)動(dòng)因子以及液滴操縱的穩(wěn)定性。然后，研究人員對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種不同的高通量單液滴的穩(wěn)定控制。在此過程中，研究人員還研究了如何在保持液滴驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性的同時(shí)減少電極失效，以延長(zhǎng)電極和薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TFT）電路的壽命，從而進(jìn)一步增加有源矩陣-數(shù)字微流控（AM-DMF）芯片的使用壽命。上述工作為單細(xì)胞的穩(wěn)定操縱和高通量液滴驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)，并且具有成本效益。相關(guān)研究成果以“Active-Matrix Digital Microfluidics Design and Optimization for High-Throughput Droplets Manipulation”為題，發(fā)表在IEEE Journal of the Electron Devices Society期刊上。

圖1 設(shè)計(jì)的有源矩陣-數(shù)字微流控（AM-DMF）芯片橫截面圖

圖2 數(shù)字微流控（DMF）芯片驅(qū)動(dòng)時(shí)序

不同保持時(shí)間的液滴驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

圖3為三種不同保持時(shí)間（10 μs、50 μs和100 μs）下的液滴運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，通過減少每次在電極上保持電壓的時(shí)間，可以大大增加電極的壽命，從而保證液滴或細(xì)胞的長(zhǎng)時(shí)運(yùn)動(dòng)。

圖3 （a）保持時(shí)間分別為10 μs、50 μs和100 μs時(shí)，1 × 1液滴的持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間；（b）保持時(shí)間分別為10 μs、50 μs和100 μs時(shí)，2 × 2液滴的持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間

不同延遲時(shí)間的液滴驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

圖4為不同延遲時(shí)間下的液滴運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，通過增加延遲時(shí)間，可以大大增加電極的壽命，從而保證液滴或細(xì)胞的長(zhǎng)時(shí)運(yùn)動(dòng)，這為進(jìn)行一些耗時(shí)的生物實(shí)驗(yàn)提供了可能。

圖4 三種不同延遲時(shí)間下三個(gè)尺度液滴的運(yùn)動(dòng)情況：（a）延遲時(shí)間設(shè)置為1 ms、15 ms和70 ms時(shí)，1 × 1液滴的持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間；（b）延遲時(shí)間分別為1 ms、15 ms、70 ms時(shí)，2 × 2液滴的持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間

八倍二分法實(shí)驗(yàn)和雙區(qū)高產(chǎn)單液滴生成實(shí)驗(yàn)

通過優(yōu)化芯片的驅(qū)動(dòng)時(shí)間，特別是電極保持時(shí)間和延遲時(shí)間，該研究最終實(shí)現(xiàn)了高通量單液滴的穩(wěn)定操縱和生成。圖5和圖6分別為采用八倍二分法驅(qū)動(dòng)16 × 16液滴獲得256個(gè)1 × 1液滴的步驟示意圖和采用高通量法生成234個(gè)液滴的步驟示意圖。因此，利用所開發(fā)的3T1C有源矩陣數(shù)字微流控芯片可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高通量液滴驅(qū)動(dòng)，有望用于未來的小規(guī)模生物實(shí)驗(yàn)?？傮w而言，該研究所取得的結(jié)果超越了目前其他研究者在有源矩陣數(shù)字微流控芯片上所展示的精度和通量。

圖5 利用八倍二分法驅(qū)動(dòng)16 × 16液滴以獲得256個(gè)1 × 1液滴的步驟示意圖

圖6 生成234個(gè)單液滴的雙區(qū)高產(chǎn)單液滴生成方法的步驟示意圖

綜上所述，該研究的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)有源矩陣-數(shù)字微流控芯片的穩(wěn)定工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)高通量單液滴的精確和連續(xù)控制。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員深入研究了不同保持時(shí)間和延遲時(shí)間對(duì)液滴驅(qū)動(dòng)可持續(xù)性的影響。通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)時(shí)間，該研究成功地實(shí)現(xiàn)了兩種不同的高通量單液滴的穩(wěn)定操縱。結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)時(shí)間越短，電極的保持時(shí)間越長(zhǎng)，設(shè)置的延遲時(shí)間越長(zhǎng)，電極的壽命越長(zhǎng)，液滴的持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)。最后，研究人員利用自行開發(fā)的計(jì)算機(jī)程序，采用二分法在15 s內(nèi)分離生成了64個(gè)液滴，并且采用高通量液滴生成法在16 s內(nèi)生成了234個(gè)單液滴，顯示了條件優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)時(shí)序的可靠性和穩(wěn)定性。總體而言，通過這種方式，該工作可以大大延長(zhǎng)芯片的使用壽命，降低使用微流控驅(qū)動(dòng)芯片的成本，從而減少耗時(shí)的生物實(shí)驗(yàn)成本，實(shí)現(xiàn)高通量液滴的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)。

審核編輯：劉清