清华大学设计一种新型可偏转的离心微流控系统

微流控（Microfluidics）指的是使用微管道（尺寸为数十到数百微米）处理或操纵微小流体（体积为纳升到阿升）的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。微流控的重要特征之一是微尺度环境下具有独特的流体性质，如层流和液滴等。借助这些独特的流体现象，微流控可以实现一系列常规方法所难以完成的微加工和微操作。过去十年，通过将最多达数千个阀门和泵集成到单个芯片平台上，实现高度多路复用的自动化复杂性液滴控制系统的研究爆炸式增长。

传统的方法大多使用串行控制来处理单个液滴，这种异步的控制方法不能高效和稳定地控制微流体的存储路径或运动方位。其次，作为流体逻辑元件的微阀，通常需要通过施加包括外部压力、加热、电场或磁场来实现功能。在此背景下，缩小阀门及其驱动系统非常困难，对制造工艺提出了巨大的挑战。

清华大学深圳国际研究生院弥胜利课题组通过设计一种新型可偏转的离心微流控系统（图1），通过控制伺服电机相位角差就能实现芯片工作平台的逆时针偏转、无偏转、顺时针偏转三种状态，其中逆时针偏转和顺时针偏转可通过改变相位角差大小实现位姿偏转角的控制，借由实现微流控芯片阀门的开关。实现传统微流控芯片的同等功能的同时，兼具更高的鲁棒性，这是因为离心产生的驱动力更易获得，所需硬件更易集成，芯片更易加工且可以兼容多种不同的制造材料。

图1 可偏转离心平台设计

该平台与传统离心微流控平台不同点在于，除了可以实现精确的阀门控制，其对电机控制要求并不需要十分精准，离心力就像电子电路中的电源，驱动液滴运动，而我们通过控制偏转角的周期性偏转，其能为液体提供脉冲信号，每一次经历偏转周期液滴执行一次指令，这就为逻辑门水路提供了运算的可能，实现液滴的逻辑控制，具有更高的控制自由度和鲁棒性（图2）。

图2 基于偏转脉冲的微流控

微流控在应用中主要用到的功能包括溶液定量、可中断进液、流路选通、顺序进液。上述的四项基础功能的组合可实现大多数情况下的离心微流控芯片的操作需求，例如微流控芯片上的核酸检测、蛋白质检测等所需操作，其能有效地提高离心微流控芯片的工作效率和系统稳定性。研究团队用所设计平台实现传统微流控的功能（图3）。

图3 实现传统微流控基础功能

在前文研究团队所演示的功能更多是基于单进程的控制，针对如何依靠偏转角和偏转速度实现多进程的控制研究团队展开进一步研究。可变位姿微流控芯片在工作过程中能不断进行顺时针和逆时针的偏转，这令研究团队想到电路设计中的晶振元件为系统提供时钟信号，而离心力又与电源十分相似同样为系统提供动力，于是研究团队从逻辑电路角度去构思芯片设计，通常称之为逻辑水路。通过对偏转脉冲的控制，研究团队实现逻辑液滴的加法器（图4），证明在离心微流控平台实现液滴逻辑控制的可行性。

图4 基于逻辑门的液滴加法器

液滴可携带大量的生物信息，实现对液滴的逻辑控制能高效解决一些问题。研究团队构建了一种仅由两个逻辑开关单元组成的液体混合器，它们并行运行，其中ABCD端口代表四种携带生物信息的液体输入，ABCD端口输入的控制可以通过前文所展示的逻辑寻址来实现液体输入，该混合逻辑芯片能备份中间层（Middle Tier，即MT）的信息，根据输入的不同，其能排列组合合成所有混合产物，共计16种组合方式。通过对液滴逻辑控制应用，研究团队提出的具备中间层信息保存的混合器（图5），能快速实现对生物信息的匹配，可应用于核酸大规模自动筛查。

图5 混合器

上述成果以“变位离心平台实现液滴操作和片上逻辑控制” (Variable-position centrifugal platform achieves droplet manipulation and logic circuitries on-chip) 为题，发表在微流控领域国际期刊《芯片实验室》（LAB ON A CHIP）。论文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院弥胜利教授和黄嘉骏博士，第一作者为清华大学深圳国际研究生院2020级硕士生蔡港培和徐菲，其他作者为清华大学深圳国际研究生院2019级硕士李想和2020级硕士生陈百良。

审核编辑：刘清