自驅(qū)動水下“氣流控”系統(tǒng) 實現(xiàn)微量氣體的傳輸和操控

微流控是一種利用幾十到幾百微米大小的通道來處理或操縱微量（納升甚至阿升）液體的綜合系統(tǒng)。小型化和集成化的特點使微流控芯片能夠?qū)崿F(xiàn)一系列傳統(tǒng)大型測試分析儀器所無法完成的復(fù)雜微過程和微操作。微流控技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于化學(xué)和生物分析（如基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究）、細胞操作和檢測、醫(yī)療衛(wèi)生、高通量藥物篩選和集成光學(xué)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的微流控主要聚焦于處理和操縱液體，然而氣體的微量操作很少被關(guān)注。

由于許多化學(xué)反應(yīng)、分析和檢測對象都涉及到氣體，因此微量氣體的傳輸和操縱同樣具有巨大應(yīng)用潛力。與液體微流控類似，微量氣體也可以通過微通道傳輸和操控。這樣的多功能系統(tǒng)可以被定義為“氣流控”（Aerofluidics）。氣流控芯片致力于在微觀尺度上操控微量氣體，以建立基于氣-氣或氣-液微相互作用的高度集成系統(tǒng)。氣流控在涉及氣體的微分析、微檢測、生物醫(yī)學(xué)工程、傳感器和環(huán)境保護等方面具有開創(chuàng)性的應(yīng)用。然而，不需要在固體基底內(nèi)部制備密閉微通道且不需要外部驅(qū)動能量輸入的情況下實現(xiàn)微量氣體的傳輸依然是個技術(shù)難題。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳東教授、雍佳樂副研究員首次提出了“氣流控”的基本概念，并利用飛秒激光直寫的超疏水微溝槽設(shè)計了一種水下氣流控結(jié)構(gòu)。通過飛秒激光直寫在PDMS材料表面形成幾十微米寬度的微槽結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)壁覆蓋著激光誘導(dǎo)的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)。激光誘導(dǎo)的微結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的超疏水性，能夠排斥水的浸潤。

在液體環(huán)境中，超疏水微溝槽與水環(huán)境之間會形成一種中空的微通道，該通道允許氣體在氣流控結(jié)構(gòu)上自由流通。當將激光直寫的微溝槽連接不同大小的超疏水輸入?yún)^(qū)域和目標區(qū)域時，水下氣體會自發(fā)地從Laplace壓強大的區(qū)域沿著超疏水溝槽傳輸?shù)絃aplace壓強小的區(qū)域。整個微量氣體傳輸過程無需外力輸入，可完全由Laplace壓力自驅(qū)動完成。所設(shè)計的氣流控器件的微通道寬度只有~42.1 μm。這樣狹窄的微通道使得氣流控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精密、微量的氣體傳輸與操作。

圖1 “水下氣流控”的基本概念與自驅(qū)動原理

圖2 飛秒激光設(shè)計制備的簡單水下氣流控結(jié)構(gòu)

圖3 水下氣流控器件上自驅(qū)動氣體傳輸

氣流控芯片的流速可以根據(jù)需要從極慢到超快（例如，在本實驗中從2.5nL/s到572 nL/s）設(shè)計。此外，水下氣流控裝置可以支持超長的氣體自發(fā)傳輸，傳輸距離甚至可以超過1米。飛秒激光加工技術(shù)可以很容易地設(shè)計各種圖案結(jié)構(gòu)，因而可以制備各種傳輸路徑的氣流控器件。微量氣體可以沿著各種復(fù)雜路徑、曲面、甚至跨越不同氣流控器件自發(fā)傳輸。獨立的水下氣流控器件也可以通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式集成為一個多功能綜合系統(tǒng)。

圖4 影響氣體傳輸性能的因素

圖5 水下氣流控器件上豐富多彩的氣體傳輸操作

靈活的自驅(qū)動氣體傳輸性以及超長傳輸距離等特點賦予了所設(shè)計的水下氣流控器件一系列氣體操控功能，如氣體融合、氣體匯集、氣體分裂、氣體陣列化、基于氣泡的氣-氣微反應(yīng)、氣-液微反應(yīng)等。通過巧妙的方式，也可以將氣流控系統(tǒng)與傳統(tǒng)液體微流控系統(tǒng)集成，從而實現(xiàn)氣體和液體的微量交互作用。自驅(qū)動水下氣流控能夠在微觀上傳輸和操控微量氣體，因而在氣體微分析、微檢測、生物醫(yī)學(xué)工程、傳感器和環(huán)境保護等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

圖6 基于水下氣流控器件實現(xiàn)的各種與氣體微操作相關(guān)的功能和應(yīng)用

不同于先前所報道的氣泡宏觀操作方法（氣泡作為一個整體運動），基于氣流控的氣體操作是一種微觀的、連續(xù)的、微分的方式。氣流控能夠精確地、復(fù)雜地操作微量氣體（例如，納升），這是氣泡宏觀整體轉(zhuǎn)運（大氣泡作為一個整體）方法無法實現(xiàn)的。此外，飛秒激光是一種自由靈活的微納加工方法。激光直寫路徑可以精確控制，從而可以設(shè)計制備各種復(fù)雜的氣流控圖案結(jié)構(gòu)。飛秒激光微加工技術(shù)的特點為多功能氣流控器件的制備提供了無限的想象空間。

審核編輯：劉清