主動式數(shù)字微流控芯片的研究步入了嶄新的階段

近日，由廣東奧素液芯微納科技有限公司（ACXEL）、杭州領(lǐng)摯科技有限公司（LINKZILL）、天馬微電子（TIANMA）等機構(gòu)合作開發(fā)的有源矩陣數(shù)字微流控芯片（AM-EWOD）作為重要研究成果于微電子器件領(lǐng)域的頂級會議 IEDM會議成功發(fā)表。此芯片基于極簡的電路設(shè)計而獲得了極高的像素密度，實現(xiàn)片上高通量、并行處理多通道的生物樣本，且樣本的處理具有密封性和各通道的獨立性，有效避免了交叉污染的產(chǎn)生。基于此芯片生成的微液滴，其密度、均一性和穩(wěn)定性均處于該領(lǐng)域的頂尖水平，象征著主動式數(shù)字微流控芯片的研究步入了嶄新的階段。

圖1 主動式數(shù)字微流控平臺（來源：ACXEL）

微流控技術(shù)的核心思想，是以最小的消耗來獲得最大的產(chǎn)出，僅需極少的樣本采集便可獲得所需的各項信息。具體來講，微流控追求的是最小的反應(yīng)體系（皮升、納升級別），保持最低的試劑和樣品消耗，并行最多的獨立反應(yīng)，同時保持反應(yīng)體系的封閉性，減少污染，等等。微流體作為微流控技術(shù)操控的對象，可以廣泛涵蓋血液，尿液，唾液等各種生物樣本，因此在體外診斷（IVD）領(lǐng)域逐步發(fā)展成為面向即時診斷（POCT）的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 傳統(tǒng)體外診斷消耗大量生物樣本

數(shù)字微流控芯片是微流控技術(shù)的重要分支，也最具有技術(shù)含量和應(yīng)用前景。其中微流體的控制是基于介質(zhì)上的電潤濕（EWOD）原理：當電極上存在液體，并給電極施加一個電位時，電極對應(yīng)位置的固液界面的潤濕性可以被改變，液滴與電極界面的接觸角隨之發(fā)生變化，如果液滴區(qū)域的電極間存在電位差異，導致接觸角不同時，便會產(chǎn)生橫向的推動力，使液滴在電極基板上發(fā)生橫向移動。如果我們通過控制外圍電路，向電極陣列輸入調(diào)制電壓信號，則可以控制液滴在微流控芯片的二維平面上任意地分布和移動。高的陣列像素規(guī)模和高通量地處理生物樣本是緊密相關(guān)的，可以說，一個具有大規(guī)模像素陣列的數(shù)字微流控芯片是實現(xiàn)片上高通量和自動化處理生物樣本的先決條件。然而，目前大多數(shù)傳統(tǒng)的數(shù)字微流控芯片使用的是無源電極陣列，即每個像素電極都通過單獨的導線與控制電路直接相連。若要大幅度提高像素數(shù)量，則意味著增加龐大的信號線數(shù)量以及控制電路復(fù)雜程度，這無疑使陣列的設(shè)計和制造難度大大提升。較弱的陣列可擴展性已經(jīng)成為這項技術(shù)進一步發(fā)展的巨大障礙。

圖3 可自由操控的液滴運動

傳統(tǒng)上，像素數(shù)量和控制線路的復(fù)雜程度看似具有不可調(diào)和的矛盾，然而新型的電路卻可以通過巧妙的設(shè)計加以解決。創(chuàng)新的路線之一就是有源矩陣技術(shù)。所謂有源矩陣技術(shù)，就是將薄膜晶體管（TFT）集成到了每個像素電極中，每個TFT都相當于是一個電子開關(guān)，其包含柵極（G）、源極（S）和漏極（D），對柵極施加電壓可以控制源漏電極之間導通和關(guān)斷。如圖4所示，晶體管的柵極與行信號連接，漏極與列信號連接，源極與像素電極連接，當一個行信號對柵極施加脈沖電壓時，對應(yīng)行的TFT開關(guān)就會打開，使列信號與像素電極之間導通，此時便可以給每個像素電極“寫入”對應(yīng)的驅(qū)動電壓。通過這種行列掃描的驅(qū)動方式，N（行）×M（列）的陣列只需要N+M個信號線即可對陣列中的每個像素進行獨立控制。與無源陣列相比，有源矩陣極大地縮減了信號線數(shù)量，簡化了控制電路的結(jié)構(gòu)。理論上，將有源矩陣技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字微流控芯片具備解決陣列擴展性問題的獨特優(yōu)勢，實踐中卻由于跨學科技術(shù)融合存在一定的難度，致使迄今為止將有源矩陣技術(shù)應(yīng)用于微流控芯片的成果并不多見。

圖4 AM-EWOD數(shù)字微流控芯片

近日，由中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所團隊牽頭，奧素液芯、領(lǐng)擎科技、天馬微電子、劍橋大學、上海交大團隊共同合作，成功開發(fā)了一款基于薄膜電子有源背板技術(shù)的數(shù)字微流控芯片（AM-EWOD）及配套系統(tǒng)。這一工作為在微流控芯片上實現(xiàn)大規(guī)模、高通量的數(shù)字化生物實驗全流程提供了可能性可能性。該成果發(fā)布在近日結(jié)束的2020國際電子器件會議(International Electron Devices Meeting，IEDM)，論文題目為“Large-area manufacturable active matrix digital microfluidics platform for high-throughput biosample handling”。

在此項研究中，有源數(shù)字微流控芯片可對多種生物樣本進行數(shù)字化并行處理，在提高通量的同時，保證了樣本的密封性和各個通道的獨立性，有效避免了交叉污染的產(chǎn)生。研究團隊將平板顯示中常用的有源矩陣技術(shù)（active matrix，AM）應(yīng)用到數(shù)字微流控芯片中，在10 cm2的有效面積內(nèi)集成了32×32共1024個像素，使片上集成陣列的像素數(shù)量指數(shù)級地增加，并完成了單像素級別的微液滴操控?；谠摂?shù)字微流控平臺生成的液滴具備高度的均一性，其體積變化系數(shù)僅為1%。指標對比已報道的其它微流控芯片的最優(yōu)性能（9像素分辨率和4%的變化率）具有顯著提升。單像素級的液滴操控能夠極大地提高陣列像素使用率，并提高液滴控制精度和樣本處理通量。本項目的有源陣列基板由天馬微電子提供設(shè)計與制造服務(wù)；天馬微電子可提供玻璃基芯片開發(fā)的MPG（multi-project glass）平臺技術(shù)服務(wù)和穩(wěn)定的量產(chǎn)制造服務(wù)。

圖5 單液滴的生成、操控和排列

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