近日，由廣東奧素液芯微納科技有限公司（ACXEL）、杭州領摯科技有限公司（LINKZILL）、天馬微電子（TIANMA）等機構合作開發的有源矩陣數字微流控芯片（AM-EWOD）作為重要研究成果于微電子器件領域的頂級會議 IEDM會議成功發表。此芯片基于極簡的電路設計而獲得了極高的像素密度，實現片上高通量、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立性，有效避免了交叉污染的產生。基于此芯片生成的微液滴，其密度、均一性和穩定性均處于該領域的頂尖水平，象征著主動式數字微流控芯片的研究步入了嶄新的階段。

圖1 主動式數字微流控平臺（來源：ACXEL）

微流控技術的核心思想，是以最小的消耗來獲得最大的產出，僅需極少的樣本采集便可獲得所需的各項信息。具體來講，微流控追求的是最小的反應體系（皮升、納升級別），保持最低的試劑和樣品消耗，并行最多的獨立反應，同時保持反應體系的封閉性，減少污染，等等。微流體作為微流控技術操控的對象，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）領域逐步發展成為面向即時診斷（POCT）的關鍵技術。

圖2 傳統體外診斷消耗大量生物樣本

數字微流控芯片是微流控技術的重要分支，也最具有技術含量和應用前景。其中微流體的控制是基于介質上的電潤濕（EWOD）原理：當電極上存在液體，并給電極施加一個電位時，電極對應位置的固液界面的潤濕性可以被改變，液滴與電極界面的接觸角隨之發生變化，如果液滴區域的電極間存在電位差異，導致接觸角不同時，便會產生橫向的推動力，使液滴在電極基板上發生橫向移動。如果我們通過控制外圍電路，向電極陣列輸入調制電壓信號，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。高的陣列像素規模和高通量地處理生物樣本是緊密相關的，可以說，一個具有大規模像素陣列的數字微流控芯片是實現片上高通量和自動化處理生物樣本的先決條件。然而，目前大多數傳統的數字微流控芯片使用的是無源電極陣列，即每個像素電極都通過單獨的導線與控制電路直接相連。若要大幅度提高像素數量，則意味著增加龐大的信號線數量以及控制電路復雜程度，這無疑使陣列的設計和制造難度大大提升。較弱的陣列可擴展性已經成為這項技術進一步發展的巨大障礙。

圖3 可自由操控的液滴運動

傳統上，像素數量和控制線路的復雜程度看似具有不可調和的矛盾，然而新型的電路卻可以通過巧妙的設計加以解決。創新的路線之一就是有源矩陣技術。所謂有源矩陣技術，就是將薄膜晶體管（TFT）集成到了每個像素電極中，每個TFT都相當于是一個電子開關，其包含柵極（G）、源極（S）和漏極（D），對柵極施加電壓可以控制源漏電極之間導通和關斷。如圖4所示，晶體管的柵極與行信號連接，漏極與列信號連接，源極與像素電極連接，當一個行信號對柵極施加脈沖電壓時，對應行的TFT開關就會打開，使列信號與像素電極之間導通，此時便可以給每個像素電極“寫入”對應的驅動電壓。通過這種行列掃描的驅動方式，N（行）×M（列）的陣列只需要N+M個信號線即可對陣列中的每個像素進行獨立控制。與無源陣列相比，有源矩陣極大地縮減了信號線數量，簡化了控制電路的結構。理論上，將有源矩陣技術應用于數字微流控芯片具備解決陣列擴展性問題的獨特優勢，實踐中卻由于跨學科技術融合存在一定的難度，致使迄今為止將有源矩陣技術應用于微流控芯片的成果并不多見。

圖4 AM-EWOD數字微流控芯片

近日，由中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所團隊牽頭，奧素液芯、領擎科技、天馬微電子、劍橋大學、上海交大團隊共同合作，成功開發了一款基于薄膜電子有源背板技術的數字微流控芯片（AM-EWOD）及配套系統。這一工作為在微流控芯片上實現大規模、高通量的數字化生物實驗全流程提供了可能性可能性。該成果發布在近日結束的2020國際電子器件會議(International Electron Devices Meeting，IEDM)，論文題目為“Large-area manufacturable active matrix digital microfluidics platform for high-throughput biosample handling”。

在此項研究中，有源數字微流控芯片可對多種生物樣本進行數字化并行處理，在提高通量的同時，保證了樣本的密封性和各個通道的獨立性，有效避免了交叉污染的產生。研究團隊將平板顯示中常用的有源矩陣技術（active matrix，AM）應用到數字微流控芯片中，在10 cm2的有效面積內集成了32×32共1024個像素，使片上集成陣列的像素數量指數級地增加，并完成了單像素級別的微液滴操控。基于該數字微流控平臺生成的液滴具備高度的均一性，其體積變化系數僅為1%。指標對比已報道的其它微流控芯片的最優性能（9像素分辨率和4%的變化率）具有顯著提升。單像素級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。本項目的有源陣列基板由天馬微電子提供設計與制造服務；天馬微電子可提供玻璃基芯片開發的MPG（multi-project glass）平臺技術服務和穩定的量產制造服務。

圖5 單液滴的生成、操控和排列

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