一文详解数字微流控芯片技术

什么是数字微流控芯片技术

数字微流控芯片是指对不连续液滴的控制，核心技术在于利用电子电路控制液体表面张力，从而控制液滴的产生、移动、分裂、合并等操作。

1.介质上电湿润原理

电润湿是指通过调整施加在液体-固体电极之间的电势，来改变液体和固体之间的表面张力，从而改变两者之间的接触角。早在 1875 年，法国科学家Lippmann观察到在汞和电解液之间加电压，会出现的毛细下降现象;并提出了著名的Lippmann-Young方程。1993年Berge在电润湿模型中引入了介电层，以尽量消除电解的发生，这被称为介质上电润湿(electrowetting-on-dielectric，EWOD)(图1)

图1 介质上的电湿润(EWOD)

附件视频说明：

(1)视频1(WeiXin:microfluidic_Cchip)

在一疏水材质的表面有一个水滴。当电压作用于水滴，产生电湿润效应，水滴在材质表面“坐下来”，去掉电压，水滴在材质表面“站起来”。

(2)视频2(WeiXin:microfluidic_Cchip)

储液池加入约10ml的液体(为了便于观察加入了蓝色染料)。然后立即启动，“墨盒”开始制备液滴。

(3)视频3(WeiXin:microfluidic_Cchip)

运用电湿润的原理，可以使液滴在疏水材质的表面“走起来”。

(4)视频4(WeiXin:microfluidic_Cchip)

运用ALL公司专有的先进液体控制技术，在复杂的阵列结构中，实现对液滴的灵活控制。在此，运用电湿润效应来操纵液滴。

(5)视频5(WeiXin:microfluidic_Cchip)

数字微流控芯片中有十几个液滴。ALL公司的技术可以对液滴的移动路径进行独立控制，在复杂的分析流程中具有高度的并行处理能力。

2. 介质上电湿润器件的结构

介质上电润湿是一种电控表面张力驱动方式。它通过在介质膜下面的微电极阵列上施加电势来改变介质膜与表面液体的润湿特性。典型的EWOD器件通常采用三层结构(图2)，即受控液滴被夹在上、下两极板之间。下极板由衬底、微电极阵列、绝缘层以及疏水层构成。疏水层可以保证液滴运动过程的平滑和稳定。上下极板之间的填充物质可以是空气或者是硅油，硅油可以作为润滑剂，降低液滴的驱动阻尼，使驱动电压下降，而且可以减少液滴的蒸发，但它可能会对液滴产生污染，从而一定程度上限制了它在生物化学等方面的应用。在EWOD装置中，绝缘层材料也有多种选择，如表面覆盖Teflon的SiO2、Teflon。

图2 典型EWOD的三层结构

另一种EWOD装置采用共面电极设计，正负电极全部做在下极板。如图3所示，这种共面电极装置无需上极板;并且可以加工在PCB电路板上，同时可集成高密度电极。

图3 (a)单层共面微电极阵列 (b)PCB上的EWOD电极板剖面

3. 介质上电湿润三相接触角θυ的计算

图4 介质上电润湿系统示意图

由Lippmann-Young方程可以看出，液滴的三相接触角随外加电势v的绝对值增大而变小，而且它与介质层的厚度、介电常数都有关。

4. 利用介质上电湿润效应对液滴进行操作和控制的原理

图5 三层结构驱动器的截面图

5. 介质上电湿润技术的难点

虽然电润湿的理论研究和应用都取得了很大的进展，可是仍面对以下难题：

(1)触角饱和。根据 Lippmann-Young 方程可得，随着外加电压的增加，接触角会趋向于0。但实验研究表明，当接触角达到一个临界值时，通过外加电压很难使它再减小。这个现象引起了众多研究者的兴趣。但到目前仍没有一个大家共同认可的解释。

(2)接触角滞后。接触角滞后是指在液体的接触角变化时存在前进接触角和后退接触角。电压增加时和电压减少时，同一电压所对应的接触角也不相同。如何消除接触角滞后对电润湿的影响是电润湿实际应用中需要考虑的一个重要问题。

(3)电润湿中的电解。在介电材料和液体确定的情况下，获得较大接触角改变的两种途径是提高外加电压或减少介电层的厚度。这两种方法都有可能加速介电层的击穿，导致电润湿中的液体发生电解，液体在还没发生接触角变化时就会电解，产生气泡。电润湿中的电解将造成器件的损坏。

审核编辑：汤梓红