利用基于介電潤濕（EWOD）的數(shù)字微流控（DMF）技術可以獨立處理和操縱單個液滴。通過對介電潤濕芯片施加特定的時控電壓，可以對芯片上的多個液滴進行并行操縱。目前，基于介電潤濕的數(shù)字微流控平臺可以實現(xiàn)多種生物化學應用，包括平行化學發(fā)光免疫測定、多肽液滴合成、自動微生物電穿孔和單細胞全基因組測序等。制造小陣列數(shù)字微流控芯片是一項簡單的任務，因為在設計芯片時，可以很容易地通過導線將每個電極連接到相應的襯底上，從而構建無源矩陣（PM）芯片。然而，當陣列尺寸較大時，數(shù)字微流控芯片的布線和外部驅動非常復雜。因此，高通量數(shù)字微流控芯片通常采用有源矩陣（AM）技術。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所、西交利物浦大學以及山東大學的研究人員共同設計了一種有源矩陣數(shù)字微流控芯片，并且對其驅動信號策略進行了研究。研究人員首先優(yōu)化了有源矩陣驅動時序中的“保持時間”和“延遲時間”驅動因子以及液滴操縱的穩(wěn)定性。然后，研究人員對驅動信號進行了優(yōu)化，最終實現(xiàn)了對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動穩(wěn)定性的同時減少電極失效，以延長電極和薄膜場效應晶體管（TFT）電路的壽命，從而進一步增加有源矩陣-數(shù)字微流控（AM-DMF）芯片的使用壽命。上述工作為單細胞的穩(wěn)定操縱和高通量液滴驅動的應用提供了經(jīng)驗，并且具有成本效益。相關研究成果以“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 設計的有源矩陣-數(shù)字微流控（AM-DMF）芯片橫截面圖

圖2 數(shù)字微流控（DMF）芯片驅動時序

不同保持時間的液滴驅動實驗

圖3為三種不同保持時間（10 μs、50 μs和100 μs）下的液滴運動穩(wěn)定性測試。測試結果表明，通過減少每次在電極上保持電壓的時間，可以大大增加電極的壽命，從而保證液滴或細胞的長時運動。

圖3 （a）保持時間分別為10 μs、50 μs和100 μs時，1 × 1液滴的持續(xù)運動時間；（b）保持時間分別為10 μs、50 μs和100 μs時，2 × 2液滴的持續(xù)運動時間

不同延遲時間的液滴驅動實驗

圖4為不同延遲時間下的液滴運動穩(wěn)定性測試。測試結果表明，通過增加延遲時間，可以大大增加電極的壽命，從而保證液滴或細胞的長時運動，這為進行一些耗時的生物實驗提供了可能。

圖4 三種不同延遲時間下三個尺度液滴的運動情況：（a）延遲時間設置為1 ms、15 ms和70 ms時，1 × 1液滴的持續(xù)運動時間；（b）延遲時間分別為1 ms、15 ms、70 ms時，2 × 2液滴的持續(xù)運動時間

八倍二分法實驗和雙區(qū)高產單液滴生成實驗

通過優(yōu)化芯片的驅動時間，特別是電極保持時間和延遲時間，該研究最終實現(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動16 × 16液滴獲得256個1 × 1液滴的步驟示意圖和采用高通量法生成234個液滴的步驟示意圖。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現(xiàn)穩(wěn)定的高通量液滴驅動，有望用于未來的小規(guī)模生物實驗?？傮w而言，該研究所取得的結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 利用八倍二分法驅動16 × 16液滴以獲得256個1 × 1液滴的步驟示意圖

圖6 生成234個單液滴的雙區(qū)高產單液滴生成方法的步驟示意圖

綜上所述，該研究的重點是實現(xiàn)有源矩陣-數(shù)字微流控芯片的穩(wěn)定工作狀態(tài)，并實現(xiàn)對高通量單液滴的精確和連續(xù)控制。為了實現(xiàn)這一目標，研究人員深入研究了不同保持時間和延遲時間對液滴驅動可持續(xù)性的影響。通過優(yōu)化驅動時間，該研究成功地實現(xiàn)了兩種不同的高通量單液滴的穩(wěn)定操縱。結果表明，驅動時間越短，電極的保持時間越長，設置的延遲時間越長，電極的壽命越長，液滴的持續(xù)運動時間越長。最后，研究人員利用自行開發(fā)的計算機程序，采用二分法在15 s內分離生成了64個液滴，并且采用高通量液滴生成法在16 s內生成了234個單液滴，顯示了條件優(yōu)化后驅動時序的可靠性和穩(wěn)定性。總體而言，通過這種方式，該工作可以大大延長芯片的使用壽命，降低使用微流控驅動芯片的成本，從而減少耗時的生物實驗成本，實現(xiàn)高通量液滴的穩(wěn)定驅動。

審核編輯：劉清