數字微流控技術的基本工作原理

2021-01-17 電子發燒友

據麥姆斯諮詢報導，數字微流控（Digital microfluidics, DMF）是一種強大的新興技術，它利用微升至納升範圍內的液滴精準操作來實現複雜的實驗室分析。

數字微流控通常與其他分析工具結合使用，如質譜、比色、電化學分析和電化學發光分析等。

通過在一系列步驟中以一系列層次組合併重複多次操作，得以實現複雜的實驗程序。數字微流控的基本機制類似於更傳統的方法，但是所涉及的液體體積要小得多，其流程也高度自動化。

數字微流控技術中，微滴的生成和操作由電潤溼、介電電泳和不混溶流體流動三大原理支撐。

數字微流控技術的基本工作原理

數字微流控技術依賴於由液體表面張力引起的液滴生成。表面越疏水，液體滲透性越差。疏水性可以利用電場產生，該過程被稱為介質上電溼潤（Electrowetting on Dielectric, EWOD）。運用電場產生液體表面的極性親水性，使液滴變平。控制極化位置以生成張力梯度，使受控液滴位移發生在微流控平臺表面。

數字微流控平臺的設置基於基板、電極及其配置，使用的電介質及其厚度，疏水層和施加的電壓。各個電極在底層以陣列形式圖案化，連續電極則位於頂層。

介電材料（如玻璃）圍繞著底層電極，負責電荷和電場梯度的積累。頂層通常塗有疏水層，以在微滴接觸點處生成低表面能。

當施加電壓時，電極被激活，導致表面液滴或多或少變得易被潤溼。如果附近的電極被控制電壓激活而下層電極未激活，則液滴將移動。因此可以通過沿著電極線的線性陣列電勢變化來操縱液滴。

數字微流控技術的最新進展

由數字微流控技術引起的液滴3D運動允許微流控裝置同時執行兩個不同的任務。通過使液滴可以進入兩種環境，廣泛開闢了生物學應用。此外，晶片尺寸也得以減小，為平臺設計提供了更大的自由度。

另一種稱為全地形液滴驅動的方法可以用於非傳統表面的液滴輸送，如彎曲、倒置或非水平形狀。

數字微流控技術的優勢所在

數字微流控技術，也稱之為晶片實驗室技術，在生命科學研究領域擁有眾多優勢。包括其在便攜性方面的高潛力，以及（稀有或昂貴）試劑或樣品消耗量的顯著減少。

其他顯著優勢包括數字微流控系統提供的高通量容量，以及因其尺寸小而不需要過多的功耗。

數字微流控技術的應用

數字微流控裝置通常使用磁性顆粒、光學鑷子、液液萃取或流體動力效應，用於分離和提取所需分析物。

例如，液滴可以穿過數字微流控裝置上的電極陣列到磁性電極，其中的磁性顆粒被功能化，使它們可以與目標分析物結合。

下一步，液滴在磁體上移動，磁場消除，磁性顆粒得以懸浮在液滴中。然後磁場被恢復以固定顆粒，同時使液滴移動。重複上述過程並伴隨洗滌和洗脫緩衝區以生成純分析物。

該步驟已經使用抗人血清血蛋白抗體進行試驗，證明了數字微流控技術在免疫學方面的潛力。

由於數字微流控技術使用的樣品體積較小，對生物原理的提取通常較為困難。然而，數字微流控技術與宏觀流體系統的組合則可以繞過這一障礙。

數字微流控技術也已經應用於創建免疫測定裝置，在異質免疫測定情況下，數字微流控技術通過自動遞送、混合、培養和洗滌晶片上的分析物，極大地簡化並擴展了複雜的實驗程序。一些實例包括檢測人胰島素、肌鈣蛋白I、TSH（促甲狀腺激素）和17-β雌二醇。

此外，數字微流控技術可以與質譜聯用以減少對溶劑和試劑的使用，同時降低分析所需時間。

其他領域的應用包括核磁共振光譜學，小規模反應化學合成以生成肽模擬物或PET示蹤劑，其需求量只有納克。數字微流控技術加快了實驗流程並實現了自動化，同時又保留了傳統大規模合成90-95%的效率。

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