近年來，隨著微流控芯片的發展，微流控液滴技術逐步走進人們的視野。微液滴常作為微反應單元，能夠完成生化反應、試劑快速融合等功能，對微流控芯片的低消耗、自動化和高通量等優點起到了大大的增強作用。隨著微流控與MEMS技術的不斷發展，微流控液滴技術在生物工程、化學分析、疾病防護、細胞研究、藥物傳輸和材料合成等眾多領域得到了廣泛應用，并發揮著重要作用。

據麥姆斯咨詢報道，近期，上海大學微電子學院聯合上海微技術工業研究院提出了一種新的微液滴制備方法，該方法將微流控與熱泡噴墨技術結合，能夠在1s內形成超過3萬個皮升（pL）級液滴。相關研究成果以論文形式發表于《傳感器與微系統》期刊。

該研究采用的熱發泡噴墨打印技術，其原理如圖1所示。打印裝置主要分為薄膜加熱電阻、噴嘴（吸取水相）和油相儲存區3個部分。其中，加熱電阻能夠將噴出區域中的水相瞬間加熱至300℃以上，從而形成無數微小氣泡。隨后，氣泡以極快的速度聚集成為大氣泡并擴展，迫使噴嘴中的水相從噴嘴中噴出進入油相形成油包水微液滴。

而后，氣泡繼續成長幾秒后，便會消失，而由于水相的表面張力所產生的吸力，會把新的水相拉引到水相噴出區準備下次的循環噴射。采用該原理可以得到體積更小，形成頻率更高，數量更多的微液滴。

圖1 熱發泡噴墨打印原理

此外，微液滴形成裝置的設計如圖2所示。研究人員首先基于設計原理進行了微流控芯片的設計，結構如圖2（a）所示，溝槽結構的設計是為了涂敷膠水便于進行封裝。收集腔含有2個腔室，下腔室用于儲存油相和收集微液滴，上腔室是為了收集液孔中流出的溶液，減少微液滴的不必要損失（圖2（b））。

液滴發生器功能的實現需要將半導體芯片上的加熱電阻連接到控制電路上，因而該研究設計了含有26個頂針孔的卡槽結構（圖2（c）），以及用于壓緊液滴發生器的卡夾（圖2（d）），并在卡夾與液滴發生器接觸的地方貼上橡膠墊，使兩者的接觸為軟接觸，從而壓得更緊更牢。整個微液滴形成裝置如圖2（e）所示，按照其組裝，連接電源即可完成液滴生成。

圖2 液滴形成裝置結構設計

隨后，研究人員結合微流控與MEMS半導體技術，利用熱發泡噴墨打印原理形成微液滴。微液滴的制備流程如圖３（a）所示，MEMS半導體芯片有640個噴嘴用于形成微型液滴。微流控芯片和收集腔的材料選擇為透明聚碳酸酯（PC），因為，該材料具有良好的耐溶劑性、耐老化性、尺寸穩定性、電化學性，且強度高、蠕變性小，另外其良好的透光性使得直接觀察液滴流動狀況成為可能。將封裝好的液滴發生芯片放入控制器的卡槽中連接電路，通過軟件可控制液滴的形成，可生成體積為24 pL的微型液滴。

該生成液滴的技術可應用于數字PCR，其原理為：將微型液滴作為一個反應單元，經過PCR儀擴增，將反應單元中的目的基因指數級擴增；將擴增后的液滴打進結果閱讀芯片中，它的結構設計能將微型液滴平鋪在其內部流道中；隨后將結果閱讀芯片放入光學檢測儀器中，進行微型液滴形貌與熒光信號的檢測。

圖３ 微液滴的制備流程和檢測過程

最后，針對這種新的液滴發生方法，該文系統研究了噴孔位置、分散相黏度、分散相與MEMS半導體芯片的接觸角等因素對液滴生成的影響。研究結果發現，通過控制以上因素，可以獲得大量的CV值低于6%的微液滴。這種液滴生成方式在數字PCR技術的應用中有巨大的應用潛力，能夠在短時間內產生大量的微型液滴，并且密封良好，能夠有效避免數字PCR試劑的污染，對于液滴數字PCR是個全新的、更好的平臺，而且能夠為小型一體化數字PCR儀的研究提供可能。

審核編輯：劉清