什么是數字微流控芯片技術

數字微流控芯片是指對不連續液滴的控制，核心技術在于利用電子電路控制液體表面張力，從而控制液滴的產生、移動、分裂、合并等操作。

1.介質上電濕潤原理

電潤濕是指通過調整施加在液體-固體電極之間的電勢，來改變液體和固體之間的表面張力，從而改變兩者之間的接觸角。早在 1875 年，法國科學家Lippmann觀察到在汞和電解液之間加電壓，會出現的毛細下降現象;并提出了著名的Lippmann-Young方程。1993年Berge在電潤濕模型中引入了介電層，以盡量消除電解的發生，這被稱為介質上電潤濕(electrowetting-on-dielectric，EWOD)(圖1)

圖1 介質上的電濕潤(EWOD)

附件視頻說明：

(1)視頻1(WeiXin:microfluidic_Cchip)

在一疏水材質的表面有一個水滴。當電壓作用于水滴，產生電濕潤效應，水滴在材質表面“坐下來”，去掉電壓，水滴在材質表面“站起來”。

(2)視頻2(WeiXin:microfluidic_Cchip)

儲液池加入約10ml的液體(為了便于觀察加入了藍色染料)。然后立即啟動，“墨盒”開始制備液滴。

(3)視頻3(WeiXin:microfluidic_Cchip)

運用電濕潤的原理，可以使液滴在疏水材質的表面“走起來”。

(4)視頻4(WeiXin:microfluidic_Cchip)

運用ALL公司專有的先進液體控制技術，在復雜的陣列結構中，實現對液滴的靈活控制。在此，運用電濕潤效應來操縱液滴。

(5)視頻5(WeiXin:microfluidic_Cchip)

數字微流控芯片中有十幾個液滴。ALL公司的技術可以對液滴的移動路徑進行獨立控制，在復雜的分析流程中具有高度的并行處理能力。

2. 介質上電濕潤器件的結構

介質上電潤濕是一種電控表面張力驅動方式。它通過在介質膜下面的微電極陣列上施加電勢來改變介質膜與表面液體的潤濕特性。典型的EWOD器件通常采用三層結構(圖2)，即受控液滴被夾在上、下兩極板之間。下極板由襯底、微電極陣列、絕緣層以及疏水層構成。疏水層可以保證液滴運動過程的平滑和穩定。上下極板之間的填充物質可以是空氣或者是硅油，硅油可以作為潤滑劑，降低液滴的驅動阻尼，使驅動電壓下降，而且可以減少液滴的蒸發，但它可能會對液滴產生污染，從而一定程度上限制了它在生物化學等方面的應用。在EWOD裝置中，絕緣層材料也有多種選擇，如表面覆蓋Teflon的SiO2、Teflon。

圖2 典型EWOD的三層結構

另一種EWOD裝置采用共面電極設計，正負電極全部做在下極板。如圖3所示，這種共面電極裝置無需上極板;并且可以加工在PCB電路板上，同時可集成高密度電極。

圖3 (a)單層共面微電極陣列 (b)PCB上的EWOD電極板剖面

3. 介質上電濕潤三相接觸角θυ的計算

圖4 介質上電潤濕系統示意圖

由Lippmann-Young方程可以看出，液滴的三相接觸角隨外加電勢v的絕對值增大而變小，而且它與介質層的厚度、介電常數都有關。

4. 利用介質上電濕潤效應對液滴進行操作和控制的原理

圖5 三層結構驅動器的截面圖

5. 介質上電濕潤技術的難點

雖然電潤濕的理論研究和應用都取得了很大的進展，可是仍面對以下難題：

(1)觸角飽和。根據 Lippmann-Young 方程可得，隨著外加電壓的增加，接觸角會趨向于0。但實驗研究表明，當接觸角達到一個臨界值時，通過外加電壓很難使它再減小。這個現象引起了眾多研究者的興趣。但到目前仍沒有一個大家共同認可的解釋。

(2)接觸角滯后。接觸角滯后是指在液體的接觸角變化時存在前進接觸角和后退接觸角。電壓增加時和電壓減少時，同一電壓所對應的接觸角也不相同。如何消除接觸角滯后對電潤濕的影響是電潤濕實際應用中需要考慮的一個重要問題。

(3)電潤濕中的電解。在介電材料和液體確定的情況下，獲得較大接觸角改變的兩種途徑是提高外加電壓或減少介電層的厚度。這兩種方法都有可能加速介電層的擊穿，導致電潤濕中的液體發生電解，液體在還沒發生接觸角變化時就會電解，產生氣泡。電潤濕中的電解將造成器件的損壞。

審核編輯：湯梓紅