有源矩阵数字微流控芯片，用于生成高分辨率浓度梯度

在生物化学研究中，样本的浓度梯度制备对于理解复杂的生物学过程至关重要。浓度梯度在例如DNA分析、药物筛选和免疫学分析等多种生物化学实验中起核心作用。传统的浓度梯度制备方法涉及使用分析板，通常需要繁琐且重复的手动或机械操作，不仅操作复杂，而且难以保证实验的准确性和重复性。

近年来，基于微流控技术的浓度梯度生成方法逐渐成为一种重要的实验工具。其相较于宏观系统具有试剂消耗低、控制简便、自动化程度高等优点，特别适用于处理小体积样本。然而，传统的微流控系统通常依赖于复杂的微通道结构、微泵和阀门来实现控制，这些元件的存在限制了系统的操作灵活性和扩展性。

电润湿技术（EWOD）作为一种先进的微流控技术，提供了一种通过电信号控制液滴运动的方法，不依赖于传统的微通道结构，从而为液滴的精确操控和多样化操作提供了可能。这种技术能够实现液滴的移动、生成、分裂和混合，为微流控器件的灵活性和功能多样性开辟了新的路径。然而，要实现更高精度的浓度梯度生成，仍需要进一步的技术创新和设计优化。发展一种新型微流控系统，以提高浓度梯度生成的分辨率和精确度，对于推动生物化学研究和相关应用的进步具有重要意义。

近日，长春理工大学李金华教授团队、中国科学院苏州生物医学工程技术研究所马汉彬教授团队、联合奥素科技，基于有源矩阵数字微流控（AM-DMF）技术开发了一种新型芯片，与传统的矩形坐标电极布局不同，本芯片创新性地按照极坐标形式排列33种尺寸共1797个电极。这种独特的布局方式允许电极围绕中心点呈同心圆排列，使得液滴的操控更为灵活高效。同时，由于每个电极可以独立寻址，也便于调整液滴生成的大小和位置，极大地提高了液滴操控的灵活性和精确度。芯片能够介于0.03 nL至3.29 nL体积之间生成高分辨率的液滴，在总样本体积为14.8 nL的条件下，极坐标AM-EWOD能够生成207种不同的浓度梯度，而传统矩形坐标设计仅能产生10种。这种极高的体积控制能力对于实现精细的浓度梯度调节至关重要。实验证实该芯片外圈电极具有近100%的单液滴生成效率，且变异系数（CV）值小于3%，在液滴生成和操控方面具有极高的可靠性和重复性。



图1 用于高分辨率浓度梯度生成的AM-EWOD芯片：（a）AM-EWOD芯片的照片；（b）极坐标电极布局；（c）像素电路示意图；（d）两种芯片设计的参数图。

此外，研究团队还分别进行了荧光检测系统和吸收检测系统的设计，荧光检测系统通过DMF液滴控制模块、双轴控制模块和自定义的控制软件来定义液滴的运动路径，并采用20倍目镜进行光点大小的调节。吸收检测系统使用光纤光谱仪作为检测端，通过定制的0.4米光纤光缆与准直透镜连接。使用505 nm的LED光源检测芯片上不同浓度的葡萄糖反应的线性曲线，实验结果显示生成的数据具有高度的线性关系（相关系数为0.99045），证实了实验的高重复性和准确性，也体现了其在复杂生物化学分析中的应用潜力。

图2 定量荧光分析实验：（a）不同浓度的荧光溶液的明场、暗场及叠加图像；（b）不同浓度荧光溶液的热图；（c）不同浓度溶液的明场、暗场和热图叠加图像；（d）描述荧光强度与荧光溶液浓度关系的图表。

该成果以“Polar coordinate active-matrix digital microfluidics for high-resolution concentration gradient generation”为题，发表在英国皇家化学会期刊Lab on a Chip上，并入选为封面文章。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D3LC00979C

审核编辑：刘清