一种用于流体自动控制的微流控晶体管

目前，微流控技术在分子生物学、合成化学、诊断学和组织工程等领域的应用已经取得了显著的进展。然而，长期以来，微流控技术一直迫切需要能够实现以电子电路的精度、模块化且可扩展地操纵流体和悬浮物。正如电子晶体管使电子芯片上的电力自动控制取得了前所未有的进步一样，与晶体管类似的微流控元件也可以改善对微流控芯片上的试剂、液滴和单一细胞的自动控制。以往的研究已经构建出了一种类似于电子晶体管的微流控元件，但其并不能重现电子晶体管的饱和状态，也不能实现比例放大，而这是现代电路设计的基础。

据麦姆斯咨询报道，为了解决上述挑战，来自美国麻省总医院（Massachusetts General Hospital）的研究人员利用流体的流动限制现象开发出了一种能够比例放大的微流控元件，其流量压力特性完全类似于电子晶体管的电流电压特性。由于该元件在流体领域重现了电子晶体管的所有工作状态（线性、截止和饱和），因此被称为微流控晶体管。研究结果表明，这种单一元件能够将所有三种基本晶体管电路拓扑和大量的经典电子模块一对一转换到微流控领域，包括放大器、调节器、电平转换器、与非（NAND）门和设置-复位（SR）锁存器。此外，这些电路模块可以在没有外部控制器的情况下处理芯片上的流体信号。相关研究成果近期以“A microfluidic transistor for automatic control of liquids”为题发表在Nature期刊上。

如图1a所示，这种微流控晶体管整体是利用弹性体和标准软光刻工艺制备而成，其由两个被可变形膜隔开的交叉流体通道组成。当源极和漏极之间存在压力差（PSD）时，交叉流体通道之间的膜就会变形。利用精心选择的几何结构，这种自变形可以以一种特殊的非线性方式限制通过漏极的体积流量（Q），这一效应被称为流量限制，这是晶体管放大能力的关键。这种流量限制效应的程度可以通过在栅极和源极之间施加压力（PGS）来调节。

图1 类似于电子晶体管，弹性微流控通道表现出基于压力控制的流量限制效应

图2 基于微流控晶体管的电路重现了关键电子电路的工作状态

随后，研究人员演示了如何将图2中的电子模块级联在一起以形成更复杂的电路。如图3a、3b所示，该研究描述了一个序列延迟计时器，它可以用来计时序列流体事件。这种序列延迟计时器是由一系列被低通滤波器分隔的逆变器级联而成的。每个逆变器由单输入放大器和电平转换器模块组成。在激活随后的逆变器之前，阶跃信号（起始）被第一低通滤波器延迟固定的时间段。随后，阶跃信号将移动到下一个低通滤波器，并再次产生固定延迟，并且根据应用所需，阶跃信号被逐步地以尽可能多的步骤进行传播。每个步骤之间的时间间隔可以通过改变逆变器前滤波器的电阻或电容来调整。图3b显示了流体计时器以不同的计时间隔依次计时出五个事件的过程。所显示的数据是利用该电路进行的三次试验的叠加，展示了多次试验中定时间隔的良好重复性。

最后，研究人员将基于晶体管的电路的信号处理能力与微流控捕获通道的物理样品操纵能力相结合，创建了一个自动化粒子分配器。作为概念验证，该分配器展示了其作为一个完全自动化的芯片实验室系统的潜力，可以使用流体控制器电路来检测、操纵和处理单一物理样品。

图3 微流控晶体管可以实现计时操作，并通过构建智能分配器电路实现自动化单粒子操纵

综上所述，该研究开发的微流控晶体管能够在大范围内实现高固有增益的比例放大。基于微流控晶体管的电路功能不需要任何外部的气动、电子或光学控制。展望未来，基于微流控晶体管的电路既能处理流体信号，又能根据这些信号自动控制单个粒子，这将拓展电子电路设计的广度和深度，从而解决微流控芯片实验室技术的自动控制问题。







审核编辑：刘清