近日，由廣東奧素液芯微納科技有限公司（ACXEL）、杭州領(lǐng)摯科技有限公司（LINKZILL）、天馬微電子（TIANMA）等機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)的有源矩陣數(shù)字微流控芯片（AM-EWOD）作為重要研究成果于微電子器件領(lǐng)域的頂級(jí)會(huì)議 IEDM會(huì)議成功發(fā)表。此芯片基于極簡(jiǎn)的電路設(shè)計(jì)而獲得了極高的像素密度，實(shí)現(xiàn)片上高通量、并行處理多通道的生物樣本，且樣本的處理具有密封性和各通道的獨(dú)立性，有效避免了交叉污染的產(chǎn)生。基于此芯片生成的微液滴，其密度、均一性和穩(wěn)定性均處于該領(lǐng)域的頂尖水平，象征著主動(dòng)式數(shù)字微流控芯片的研究步入了嶄新的階段。

圖1 主動(dòng)式數(shù)字微流控平臺(tái)（來(lái)源：ACXEL）

微流控技術(shù)的核心思想，是以最小的消耗來(lái)獲得最大的產(chǎn)出，僅需極少的樣本采集便可獲得所需的各項(xiàng)信息。具體來(lái)講，微流控追求的是最小的反應(yīng)體系（皮升、納升級(jí)別），保持最低的試劑和樣品消耗，并行最多的獨(dú)立反應(yīng)，同時(shí)保持反應(yīng)體系的封閉性，減少污染，等等。微流體作為微流控技術(shù)操控的對(duì)象，可以廣泛涵蓋血液，尿液，唾液等各種生物樣本，因此在體外診斷（IVD）領(lǐng)域逐步發(fā)展成為面向即時(shí)診斷（POCT）的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 傳統(tǒng)體外診斷消耗大量生物樣本

數(shù)字微流控芯片是微流控技術(shù)的重要分支，也最具有技術(shù)含量和應(yīng)用前景。其中微流體的控制是基于介質(zhì)上的電潤(rùn)濕（EWOD）原理：當(dāng)電極上存在液體，并給電極施加一個(gè)電位時(shí)，電極對(duì)應(yīng)位置的固液界面的潤(rùn)濕性可以被改變，液滴與電極界面的接觸角隨之發(fā)生變化，如果液滴區(qū)域的電極間存在電位差異，導(dǎo)致接觸角不同時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生橫向的推動(dòng)力，使液滴在電極基板上發(fā)生橫向移動(dòng)。如果我們通過(guò)控制外圍電路，向電極陣列輸入調(diào)制電壓信號(hào)，則可以控制液滴在微流控芯片的二維平面上任意地分布和移動(dòng)。高的陣列像素規(guī)模和高通量地處理生物樣本是緊密相關(guān)的，可以說(shuō)，一個(gè)具有大規(guī)模像素陣列的數(shù)字微流控芯片是實(shí)現(xiàn)片上高通量和自動(dòng)化處理生物樣本的先決條件。然而，目前大多數(shù)傳統(tǒng)的數(shù)字微流控芯片使用的是無(wú)源電極陣列，即每個(gè)像素電極都通過(guò)單獨(dú)的導(dǎo)線與控制電路直接相連。若要大幅度提高像素?cái)?shù)量，則意味著增加龐大的信號(hào)線數(shù)量以及控制電路復(fù)雜程度，這無(wú)疑使陣列的設(shè)計(jì)和制造難度大大提升。較弱的陣列可擴(kuò)展性已經(jīng)成為這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的巨大障礙。

圖3 可自由操控的液滴運(yùn)動(dòng)

傳統(tǒng)上，像素?cái)?shù)量和控制線路的復(fù)雜程度看似具有不可調(diào)和的矛盾，然而新型的電路卻可以通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)加以解決。創(chuàng)新的路線之一就是有源矩陣技術(shù)。所謂有源矩陣技術(shù)，就是將薄膜晶體管（TFT）集成到了每個(gè)像素電極中，每個(gè)TFT都相當(dāng)于是一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，其包含柵極（G）、源極（S）和漏極（D），對(duì)柵極施加電壓可以控制源漏電極之間導(dǎo)通和關(guān)斷。如圖4所示，晶體管的柵極與行信號(hào)連接，漏極與列信號(hào)連接，源極與像素電極連接，當(dāng)一個(gè)行信號(hào)對(duì)柵極施加脈沖電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)行的TFT開(kāi)關(guān)就會(huì)打開(kāi)，使列信號(hào)與像素電極之間導(dǎo)通，此時(shí)便可以給每個(gè)像素電極“寫(xiě)入”對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓。通過(guò)這種行列掃描的驅(qū)動(dòng)方式，N（行）×M（列）的陣列只需要N+M個(gè)信號(hào)線即可對(duì)陣列中的每個(gè)像素進(jìn)行獨(dú)立控制。與無(wú)源陣列相比，有源矩陣極大地縮減了信號(hào)線數(shù)量，簡(jiǎn)化了控制電路的結(jié)構(gòu)。理論上，將有源矩陣技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字微流控芯片具備解決陣列擴(kuò)展性問(wèn)題的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，實(shí)踐中卻由于跨學(xué)科技術(shù)融合存在一定的難度，致使迄今為止將有源矩陣技術(shù)應(yīng)用于微流控芯片的成果并不多見(jiàn)。

圖4 AM-EWOD數(shù)字微流控芯片

近日，由中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)牽頭，奧素液芯、領(lǐng)擎科技、天馬微電子、劍橋大學(xué)、上海交大團(tuán)隊(duì)共同合作，成功開(kāi)發(fā)了一款基于薄膜電子有源背板技術(shù)的數(shù)字微流控芯片（AM-EWOD）及配套系統(tǒng)。這一工作為在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高通量的數(shù)字化生物實(shí)驗(yàn)全流程提供了可能性可能性。該成果發(fā)布在近日結(jié)束的2020國(guó)際電子器件會(huì)議(International Electron Devices Meeting，IEDM)，論文題目為“Large-area manufacturable active matrix digital microfluidics platform for high-throughput biosample handling”。

在此項(xiàng)研究中，有源數(shù)字微流控芯片可對(duì)多種生物樣本進(jìn)行數(shù)字化并行處理，在提高通量的同時(shí)，保證了樣本的密封性和各個(gè)通道的獨(dú)立性，有效避免了交叉污染的產(chǎn)生。研究團(tuán)隊(duì)將平板顯示中常用的有源矩陣技術(shù)（active matrix，AM）應(yīng)用到數(shù)字微流控芯片中，在10 cm2的有效面積內(nèi)集成了32×32共1024個(gè)像素，使片上集成陣列的像素?cái)?shù)量指數(shù)級(jí)地增加，并完成了單像素級(jí)別的微液滴操控。基于該數(shù)字微流控平臺(tái)生成的液滴具備高度的均一性，其體積變化系數(shù)僅為1%。指標(biāo)對(duì)比已報(bào)道的其它微流控芯片的最優(yōu)性能（9像素分辨率和4%的變化率）具有顯著提升。單像素級(jí)的液滴操控能夠極大地提高陣列像素使用率，并提高液滴控制精度和樣本處理通量。本項(xiàng)目的有源陣列基板由天馬微電子提供設(shè)計(jì)與制造服務(wù)；天馬微電子可提供玻璃基芯片開(kāi)發(fā)的MPG（multi-project glass）平臺(tái)技術(shù)服務(wù)和穩(wěn)定的量產(chǎn)制造服務(wù)。

圖5 單液滴的生成、操控和排列

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