目前，微流控技術在分子生物學、合成化學、診斷學和組織工程等領域的應用已經取得了顯著的進展。然而，長期以來，微流控技術一直迫切需要能夠實現以電子電路的精度、模塊化且可擴展地操縱流體和懸浮物。正如電子晶體管使電子芯片上的電力自動控制取得了前所未有的進步一樣，與晶體管類似的微流控元件也可以改善對微流控芯片上的試劑、液滴和單一細胞的自動控制。以往的研究已經構建出了一種類似于電子晶體管的微流控元件，但其并不能重現電子晶體管的飽和狀態，也不能實現比例放大，而這是現代電路設計的基礎。

據麥姆斯咨詢報道，為了解決上述挑戰，來自美國麻省總醫院（Massachusetts General Hospital）的研究人員利用流體的流動限制現象開發出了一種能夠比例放大的微流控元件，其流量壓力特性完全類似于電子晶體管的電流電壓特性。由于該元件在流體領域重現了電子晶體管的所有工作狀態（線性、截止和飽和），因此被稱為微流控晶體管。研究結果表明，這種單一元件能夠將所有三種基本晶體管電路拓撲和大量的經典電子模塊一對一轉換到微流控領域，包括放大器、調節器、電平轉換器、與非（NAND）門和設置-復位（SR）鎖存器。此外，這些電路模塊可以在沒有外部控制器的情況下處理芯片上的流體信號。相關研究成果近期以“A microfluidic transistor for automatic control of liquids”為題發表在Nature期刊上。

如圖1a所示，這種微流控晶體管整體是利用彈性體和標準軟光刻工藝制備而成，其由兩個被可變形膜隔開的交叉流體通道組成。當源極和漏極之間存在壓力差（PSD）時，交叉流體通道之間的膜就會變形。利用精心選擇的幾何結構，這種自變形可以以一種特殊的非線性方式限制通過漏極的體積流量（Q），這一效應被稱為流量限制，這是晶體管放大能力的關鍵。這種流量限制效應的程度可以通過在柵極和源極之間施加壓力（PGS）來調節。

圖1 類似于電子晶體管，彈性微流控通道表現出基于壓力控制的流量限制效應

圖2 基于微流控晶體管的電路重現了關鍵電子電路的工作狀態

隨后，研究人員演示了如何將圖2中的電子模塊級聯在一起以形成更復雜的電路。如圖3a、3b所示，該研究描述了一個序列延遲計時器，它可以用來計時序列流體事件。這種序列延遲計時器是由一系列被低通濾波器分隔的逆變器級聯而成的。每個逆變器由單輸入放大器和電平轉換器模塊組成。在激活隨后的逆變器之前，階躍信號（起始）被第一低通濾波器延遲固定的時間段。隨后，階躍信號將移動到下一個低通濾波器，并再次產生固定延遲，并且根據應用所需，階躍信號被逐步地以盡可能多的步驟進行傳播。每個步驟之間的時間間隔可以通過改變逆變器前濾波器的電阻或電容來調整。圖3b顯示了流體計時器以不同的計時間隔依次計時出五個事件的過程。所顯示的數據是利用該電路進行的三次試驗的疊加，展示了多次試驗中定時間隔的良好重復性。

最后，研究人員將基于晶體管的電路的信號處理能力與微流控捕獲通道的物理樣品操縱能力相結合，創建了一個自動化粒子分配器。作為概念驗證，該分配器展示了其作為一個完全自動化的芯片實驗室系統的潛力，可以使用流體控制器電路來檢測、操縱和處理單一物理樣品。

圖3 微流控晶體管可以實現計時操作，并通過構建智能分配器電路實現自動化單粒子操縱

綜上所述，該研究開發的微流控晶體管能夠在大范圍內實現高固有增益的比例放大。基于微流控晶體管的電路功能不需要任何外部的氣動、電子或光學控制。展望未來，基于微流控晶體管的電路既能處理流體信號，又能根據這些信號自動控制單個粒子，這將拓展電子電路設計的廣度和深度，從而解決微流控芯片實驗室技術的自動控制問題。







審核編輯：劉清