DMF芯片的設(shè)計與制作

近年來，數(shù)字微流控（digital microfluidic，DMF）芯片技術(shù)憑借其可配置性強(qiáng)、可并行處理多個液滴和試劑消耗速率低等優(yōu)勢，受到了廣大科研工作者的青睞，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、臨床診斷、DNA測序和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域?；诮殡姖櫇裥?yīng)（electrowetting ondielectric，EWOD）的平面液滴驅(qū)動技術(shù)憑借其集成性好、操控便捷等優(yōu)勢已成為芯片上液滴控制技術(shù)的主流。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展的基于EWOD的DMF系統(tǒng)研究，主要集中在EWOD芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計、疏水介電層材料的選型與制備、微液滴驅(qū)動機(jī)理等方面，很少有將微液滴驅(qū)動、位置檢測和路徑規(guī)劃進(jìn)行集成化的研究。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自重慶理工大學(xué)的研究人員將三者融為一體，從正交矩陣電極設(shè)計、液滴驅(qū)動、位置檢測的集成化研究出發(fā)，驅(qū)動與檢測裝置共用正交電極矩陣，利用液滴驅(qū)動的時間間歇實現(xiàn)電極間電容量檢測，進(jìn)而判斷液滴的位置，再根據(jù)液滴的位置規(guī)劃其行進(jìn)路徑，實驗結(jié)果證明了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操控性，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成微液滴的有效控制，較好實現(xiàn)了軟硬件系統(tǒng)的人機(jī)交互。相關(guān)研究成果以論文形式發(fā)表于《微納電子技術(shù)》期刊。

DMF芯片的設(shè)計與制作

結(jié)合方形電極結(jié)構(gòu)簡單、制作難度低、高度對稱等優(yōu)點，研究人員提出了雙極板正交矩陣電極設(shè)計，如圖1所示。接著，利用自制的數(shù)字光刻投影系統(tǒng)進(jìn)行DMF芯片電極結(jié)構(gòu)的加工制作。制作完成的上下極板如圖2（a）所示，最終制作完成的DMF芯片如圖2（b）所示。

圖1 正交矩陣電極設(shè)計

圖2 制作的上下極板DMF芯片實物圖

DMF芯片系統(tǒng)構(gòu)建

整個DMF芯片系統(tǒng)主要由下位機(jī)硬件電路、上位機(jī)控制軟件和DMF芯片三部分組成。為了便于驗證位置檢測的準(zhǔn)確性，使用初期采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行液滴的位置觀測。通過操控上位機(jī)軟件可實現(xiàn)液滴運(yùn)動路徑規(guī)劃、下位機(jī)位置信號采集和驅(qū)動電壓信號輸出，通過給不同行列的電極施加電壓，可以實現(xiàn)液滴的控制和移動，通過比對檢測電路所采集的電容值可以獲得液滴所處位置。下位機(jī)硬件電路利用定時器對電壓驅(qū)動電路與電容檢測電路進(jìn)行分時復(fù)用，兩者的脈沖時序圖如圖3（b）所示。

圖3 搭建完成的DMF芯片系統(tǒng)

DMF芯片系統(tǒng)性能測試及應(yīng)用

研究人員首先進(jìn)行了液滴驅(qū)動測試，液滴初始位置如圖4（a）所示，為了實現(xiàn)兩液滴的混合，需在行方向上施加電壓，此處選擇移動液滴B，使液滴B向上運(yùn)動，如圖4（b）所示，再對第2行施加電壓使液滴B繼續(xù)向前運(yùn)動，最后完成混合得到液滴C，如圖4（c）所示。

圖4 液滴在DMF芯片中的驅(qū)動

接著，研究人員進(jìn)行了液滴位置檢測及路徑規(guī)劃測試，液滴運(yùn)動到終點的實際顯微鏡觀測位置和系統(tǒng)檢測的目標(biāo)位置，分別如圖5（e）和（f）所示，符合實驗預(yù)期要求，說明該檢測方法可行，而且該方法對于透明或者不可見光液滴的位置檢測具有突出優(yōu)勢。

圖5 液滴在DMF芯片系統(tǒng)中的位置檢測與路徑規(guī)劃

最后，為了對比DMF芯片技術(shù)與常規(guī)技術(shù)之間的差異，研究人員選用高錳酸鉀與維生素C（VC）溶液進(jìn)行褪色反應(yīng)實驗。在常規(guī)技術(shù)條件下，高錳酸鉀與VC的反應(yīng)時間約為48s，該研究中使用DMF芯片進(jìn)行實驗，反應(yīng)時間為34s，明顯縮短了反應(yīng)時間，且反應(yīng)過程直觀明顯，整個實驗過程如圖6所示。

圖6 DMF芯片中高錳酸鉀與VC的反應(yīng)過程

綜上所述，研究人員在DMF芯片電極設(shè)計、系統(tǒng)集成搭建方面開展了相關(guān)研究，實現(xiàn)了液滴的驅(qū)動、檢測與路徑規(guī)劃一體化集成。首先，結(jié)合雙極板結(jié)構(gòu)提出了正交矩陣電極設(shè)計，在很大程度上減小了電極引線密度，降低了芯片加工難度，電極陣列在空間中呈現(xiàn)網(wǎng)格分布，實現(xiàn)了液滴在任意位置處的自由運(yùn)動。其次，在驅(qū)動間隙對液滴的位置進(jìn)行檢測尋址，并根據(jù)液滴目標(biāo)位置利用搭建完成的DMF芯片系統(tǒng)實現(xiàn)了液滴的路徑規(guī)劃。最后，利用本系統(tǒng)對液滴進(jìn)行了驅(qū)動、位置檢測、路徑規(guī)劃和褪色反應(yīng)測試，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成微液滴的有效控制，驗證了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操控性，較好地實現(xiàn)了軟硬件系統(tǒng)的人機(jī)交互。測試結(jié)果體現(xiàn)了DMF芯片技術(shù)使用反應(yīng)試劑少、反應(yīng)速度快、反應(yīng)效果更加直觀的優(yōu)點，當(dāng)液滴為透明或者不能見光狀態(tài)時，本系統(tǒng)具有突出的應(yīng)用價值。后期借助液滴初始標(biāo)定和電容檢測數(shù)據(jù)的深入分析，還可用于反應(yīng)狀態(tài)的監(jiān)測，這將使本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更加廣泛。