EWOD在芯片实验室方面的应用研究

利用介质电湿润控制液滴技术的应用方向

1. 芯片实验室(Lab-on-Chip)

EWOD在芯片实验室方面的应用研究最主要是由Duke University的Richanrd Fair和UCLA的Kim等课题组推进的。EWOD的优点在于可以利用可编程的电极阵列对液滴进行精确、迅速的控制。Kim、Fair等课题组对液滴的移动、分裂、合并、混合等做了大量研究。对于微升体积的液滴，当外加电压超过某一阈值时，便可使液滴产生移动。液滴移动速度随外加电压增大而迅速增大，其速度量级可达到 cm/s。目前对 EWOD研究的主要目标是使其运动激活电压降到 20V 以下，这样可大大简化并促进便携医疗、检测设备的发展。

Huh等人提出了利用EWOD来控制微流道中水-空气两相流体(图1)，通过激活微流道底部的电极板可以在毫秒级的时间内改变水流的路径。Cheng、Hsiung等设计了基于EWOD的微阀(图2)，通过外加电压控制微阀的开关。当外加电压时，流体对Teflon的亲水性增加，从而流入管道;当撤去外加电压时，Telfon的疏水性使得流体在此区域断开，达到关闭阀门的作用。

2. 芯片实验室具体应用领域

应用领域：

(1)微流控检测分析：POCT

POCT(Point-of-Care Test )是体外诊断器械(IVD)的一个细分行业，指在病人身边快速诊断，因此又被称为即时检验。POCT也常被称为床旁检测、医生诊所检测、实验室外检测、分散测试、现场替代检测、“卫星化”检测、患者自我检测等。能快速而恰当地进行诊疗、护理、病程观察，进而提高医疗质量和患者满意度。目前POCT已经广泛应用在ICU、手术、急诊、诊所及患者家中。

• 可控制复杂的反应和应用

• 高通量

• 设备小型化

• 操作简单

• 节约检体

• 生产成本低廉

(2)微流控反应控制：单细胞测序/高通量

与传统的全基因组测序相比，单细胞测序不仅测量基因表达水平更加精确，而且还能检测到微量的基因表达子或罕见非编码RNA，其优势是全方位和多层次的。目前单细胞测序的领先厂商为美国企业Fluidigm，具有全世界超过六成的市占率。然而，其单细胞测序芯片仍使用传统之连续微流控技术，具有使用样本多于浪费、实验速度慢、检测结果良率低等缺点。

市场情况：

Bio-Rad公司和Illumina公司达成合作协议共同开发针对单细胞的新一代测序工作站，单细胞分析领域在过去几年里发生着翻天覆地地变化，而两家公司的这项合作也将会对很多竞争性技术的企业带来一定影响。Illumina公司目前主要集中于围绕数字流体来改善开发工具的标准化;Flatley说道，目前公司的目的就是为第三方开发者提供新技术，从而帮助其利用数字流体技术来开发新的应用。

(3)微流控模拟：细胞/器官

随着基因组，合成化学的高通量方法的出现，药物筛选者面临着愈来愈多的新靶标或潜在的有效成分。高通量筛选就是在这样的背景下应运而生的。所谓高通量筛选指以分子水平和细胞水平的实验方法为基础，以微流体芯片作为实验工具载体，以自动化操作系统执行试验过程，以灵敏快速的检测仪器采集实验结果数据，以计算机对实验数据进行分析处理，同一时间对数以千万样品检测，并以相应的数据库支持整体系运转的技术体系;微流控芯片液滴已被认为是迄今为止最重要的微反应器，能提供一种在单分子和单细胞层面快速开展超大规模超低含量反应的平台。液滴操控灵活，形状可变，大小均一，，在高通量药物筛选和材料筛选领域显示了巨大的潜力。

2.1 微透镜

Peseux和Berge最早提出了利用EWOD原理的微流体变焦透镜。在平衡状态下，液气表面会形成一个光滑完整的曲面。与常规固态透镜相比，液体透镜是柔性的，其曲率、焦距可通过改变液体形状调节。显然的，液滴的形状的变化可以通过利用EWOD原理改变液滴的接触角来实现。Peseux和Berge设计了一个封闭小空间，里面充满了非极性油滴和盐水溶液的混合液(两者不相溶)，这两种液体的密度差别在 10-3以下，可以减小重力和外界环境对油滴表面形状引起的干扰，使得即使在倾斜状态下，界面也是标准球面。绝缘层采用中间厚边缘薄的凸形特殊结构，这样使得透镜光轴在外加电压不为零的情况下能稳定在中心位置，而不会受外界的影响。

2.2 纤维光学

在 20世纪 80年代，Jackel等人利用电润湿现象设计了光开关。他们通过控制微流道中水银液滴的运动，通过其表面反射来控制光复用器中光线的传播。

2002 年，Mach等人进行了利用电润湿调制光波导的研究。研究中将部分光纤表面覆盖物剥离，使光纤与周围流体介质相接触;通过调节剥离处流体的折射率对光纤传输的光束进行调制。

2.3 显示技术

2003 年，Philips公司的Feenstra与Hayes等首先研制出基于EWOD的反射式显示器件的原型。当没有外加驱动电压时，油滴自动平铺在水层和疏水性绝缘层之间，此时显示自然的油的颜色，当施加足够大的驱动电压时，水将浸润到下面的绝缘层，将油挤到侧面，此时，正面就呈现出底层的绝缘层的颜色。

2.4 其他应用

除上述的应用之外，介质上电湿润还在微流体搅拌、散热等各方面得到应用。Baret等巧妙地构造了一个基于电润湿的振动模型，利用此模型可以搅拌体积很小的液体。Aggarwal等运用电润湿动力学制备出纯电润湿驱动的液体流，其有望在微器件散热方面得到应用。Yi和Kim等研究发现，通过电润湿可以实现无喷头印刷。它结合了EWOD动力学、不同的表面润湿性以及几何学，没有固体和固体直接接触。Kim的研究小组利用电润湿中液体形状会改变的特点，构造出基于电润湿的液体场效应管[28]，并对其输出特性进行测量，其不但有传统半导体场效应管所具备的开关特性，而且具备漏电流较小、没有漏电流饱和等优点。

审核编辑：汤梓红