利用介質(zhì)電濕潤控制液滴技術(shù)的應(yīng)用方向

1. 芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-Chip)

EWOD在芯片實(shí)驗(yàn)室方面的應(yīng)用研究最主要是由Duke University的Richanrd Fair和UCLA的Kim等課題組推進(jìn)的。EWOD的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用可編程的電極陣列對(duì)液滴進(jìn)行精確、迅速的控制。Kim、Fair等課題組對(duì)液滴的移動(dòng)、分裂、合并、混合等做了大量研究。對(duì)于微升體積的液滴，當(dāng)外加電壓超過某一閾值時(shí)，便可使液滴產(chǎn)生移動(dòng)。液滴移動(dòng)速度隨外加電壓增大而迅速增大，其速度量級(jí)可達(dá)到 cm/s。目前對(duì) EWOD研究的主要目標(biāo)是使其運(yùn)動(dòng)激活電壓降到 20V 以下，這樣可大大簡化并促進(jìn)便攜醫(yī)療、檢測設(shè)備的發(fā)展。

Huh等人提出了利用EWOD來控制微流道中水-空氣兩相流體(圖1)，通過激活微流道底部的電極板可以在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)改變水流的路徑。Cheng、Hsiung等設(shè)計(jì)了基于EWOD的微閥(圖2)，通過外加電壓控制微閥的開關(guān)。當(dāng)外加電壓時(shí)，流體對(duì)Teflon的親水性增加，從而流入管道;當(dāng)撤去外加電壓時(shí)，Telfon的疏水性使得流體在此區(qū)域斷開，達(dá)到關(guān)閉閥門的作用。

2. 芯片實(shí)驗(yàn)室具體應(yīng)用領(lǐng)域

應(yīng)用領(lǐng)域：

(1)微流控檢測分析：POCT

POCT(Point-of-Care Test )是體外診斷器械(IVD)的一個(gè)細(xì)分行業(yè)，指在病人身邊快速診斷，因此又被稱為即時(shí)檢驗(yàn)。POCT也常被稱為床旁檢測、醫(yī)生診所檢測、實(shí)驗(yàn)室外檢測、分散測試、現(xiàn)場替代檢測、“衛(wèi)星化”檢測、患者自我檢測等。能快速而恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行診療、護(hù)理、病程觀察，進(jìn)而提高醫(yī)療質(zhì)量和患者滿意度。目前POCT已經(jīng)廣泛應(yīng)用在ICU、手術(shù)、急診、診所及患者家中。

? 可控制復(fù)雜的反應(yīng)和應(yīng)用

? 高通量

? 設(shè)備小型化

? 操作簡單

? 節(jié)約檢體

? 生產(chǎn)成本低廉

(2)微流控反應(yīng)控制：單細(xì)胞測序/高通量

與傳統(tǒng)的全基因組測序相比，單細(xì)胞測序不僅測量基因表達(dá)水平更加精確，而且還能檢測到微量的基因表達(dá)子或罕見非編碼RNA，其優(yōu)勢是全方位和多層次的。目前單細(xì)胞測序的領(lǐng)先廠商為美國企業(yè)Fluidigm，具有全世界超過六成的市占率。然而，其單細(xì)胞測序芯片仍使用傳統(tǒng)之連續(xù)微流控技術(shù)，具有使用樣本多于浪費(fèi)、實(shí)驗(yàn)速度慢、檢測結(jié)果良率低等缺點(diǎn)。

市場情況：

Bio-Rad公司和Illumina公司達(dá)成合作協(xié)議共同開發(fā)針對(duì)單細(xì)胞的新一代測序工作站，單細(xì)胞分析領(lǐng)域在過去幾年里發(fā)生著翻天覆地地變化，而兩家公司的這項(xiàng)合作也將會(huì)對(duì)很多競爭性技術(shù)的企業(yè)帶來一定影響。Illumina公司目前主要集中于圍繞數(shù)字流體來改善開發(fā)工具的標(biāo)準(zhǔn)化;Flatley說道，目前公司的目的就是為第三方開發(fā)者提供新技術(shù)，從而幫助其利用數(shù)字流體技術(shù)來開發(fā)新的應(yīng)用。

(3)微流控模擬：細(xì)胞/器官

隨著基因組，合成化學(xué)的高通量方法的出現(xiàn)，藥物篩選者面臨著愈來愈多的新靶標(biāo)或潛在的有效成分。高通量篩選就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。所謂高通量篩選指以分子水平和細(xì)胞水平的實(shí)驗(yàn)方法為基礎(chǔ)，以微流體芯片作為實(shí)驗(yàn)工具載體，以自動(dòng)化操作系統(tǒng)執(zhí)行試驗(yàn)過程，以靈敏快速的檢測儀器采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，以計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同一時(shí)間對(duì)數(shù)以千萬樣品檢測，并以相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫支持整體系運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)體系;微流控芯片液滴已被認(rèn)為是迄今為止最重要的微反應(yīng)器，能提供一種在單分子和單細(xì)胞層面快速開展超大規(guī)模超低含量反應(yīng)的平臺(tái)。液滴操控靈活，形狀可變，大小均一，，在高通量藥物篩選和材料篩選領(lǐng)域顯示了巨大的潛力。

2.1 微透鏡

Peseux和Berge最早提出了利用EWOD原理的微流體變焦透鏡。在平衡狀態(tài)下，液氣表面會(huì)形成一個(gè)光滑完整的曲面。與常規(guī)固態(tài)透鏡相比，液體透鏡是柔性的，其曲率、焦距可通過改變液體形狀調(diào)節(jié)。顯然的，液滴的形狀的變化可以通過利用EWOD原理改變液滴的接觸角來實(shí)現(xiàn)。Peseux和Berge設(shè)計(jì)了一個(gè)封閉小空間，里面充滿了非極性油滴和鹽水溶液的混合液(兩者不相溶)，這兩種液體的密度差別在 10-3以下，可以減小重力和外界環(huán)境對(duì)油滴表面形狀引起的干擾，使得即使在傾斜狀態(tài)下，界面也是標(biāo)準(zhǔn)球面。絕緣層采用中間厚邊緣薄的凸形特殊結(jié)構(gòu)，這樣使得透鏡光軸在外加電壓不為零的情況下能穩(wěn)定在中心位置，而不會(huì)受外界的影響。

2.2 纖維光學(xué)

在 20世紀(jì) 80年代，Jackel等人利用電潤濕現(xiàn)象設(shè)計(jì)了光開關(guān)。他們通過控制微流道中水銀液滴的運(yùn)動(dòng)，通過其表面反射來控制光復(fù)用器中光線的傳播。

2002 年，Mach等人進(jìn)行了利用電潤濕調(diào)制光波導(dǎo)的研究。研究中將部分光纖表面覆蓋物剝離，使光纖與周圍流體介質(zhì)相接觸;通過調(diào)節(jié)剝離處流體的折射率對(duì)光纖傳輸?shù)墓馐M(jìn)行調(diào)制。

2.3 顯示技術(shù)

2003 年，Philips公司的Feenstra與Hayes等首先研制出基于EWOD的反射式顯示器件的原型。當(dāng)沒有外加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，油滴自動(dòng)平鋪在水層和疏水性絕緣層之間，此時(shí)顯示自然的油的顏色，當(dāng)施加足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，水將浸潤到下面的絕緣層，將油擠到側(cè)面，此時(shí)，正面就呈現(xiàn)出底層的絕緣層的顏色。

2.4 其他應(yīng)用

除上述的應(yīng)用之外，介質(zhì)上電濕潤還在微流體攪拌、散熱等各方面得到應(yīng)用。Baret等巧妙地構(gòu)造了一個(gè)基于電潤濕的振動(dòng)模型，利用此模型可以攪拌體積很小的液體。Aggarwal等運(yùn)用電潤濕動(dòng)力學(xué)制備出純電潤濕驅(qū)動(dòng)的液體流，其有望在微器件散熱方面得到應(yīng)用。Yi和Kim等研究發(fā)現(xiàn)，通過電潤濕可以實(shí)現(xiàn)無噴頭印刷。它結(jié)合了EWOD動(dòng)力學(xué)、不同的表面潤濕性以及幾何學(xué)，沒有固體和固體直接接觸。Kim的研究小組利用電潤濕中液體形狀會(huì)改變的特點(diǎn)，構(gòu)造出基于電潤濕的液體場效應(yīng)管[28]，并對(duì)其輸出特性進(jìn)行測量，其不但有傳統(tǒng)半導(dǎo)體場效應(yīng)管所具備的開關(guān)特性，而且具備漏電流較小、沒有漏電流飽和等優(yōu)點(diǎn)。

審核編輯：湯梓紅