利用基于介電潤濕（EWOD）的數(shù)字微流控（DMF）技術(shù)可以獨立處理和操縱單個液滴。通過對介電潤濕芯片施加特定的時控電壓，可以對芯片上的多個液滴進(jìn)行并行操縱。目前，基于介電潤濕的數(shù)字微流控平臺可以實現(xiàn)多種生物化學(xué)應(yīng)用，包括平行化學(xué)發(fā)光免疫測定、多肽液滴合成、自動微生物電穿孔和單細(xì)胞全基因組測序等。制造小陣列數(shù)字微流控芯片是一項簡單的任務(wù)，因為在設(shè)計芯片時，可以很容易地通過導(dǎo)線將每個電極連接到相應(yīng)的襯底上，從而構(gòu)建無源矩陣（PM）芯片。然而，當(dāng)陣列尺寸較大時，數(shù)字微流控芯片的布線和外部驅(qū)動非常復(fù)雜。因此，高通量數(shù)字微流控芯片通常采用有源矩陣（AM）技術(shù)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所、西交利物浦大學(xué)以及山東大學(xué)的研究人員共同設(shè)計了一種有源矩陣數(shù)字微流控芯片，并且對其驅(qū)動信號策略進(jìn)行了研究。研究人員首先優(yōu)化了有源矩陣驅(qū)動時序中的“保持時間”和“延遲時間”驅(qū)動因子以及液滴操縱的穩(wěn)定性。然后，研究人員對驅(qū)動信號進(jìn)行了優(yōu)化，最終實現(xiàn)了對兩種不同的高通量單液滴的穩(wěn)定控制。在此過程中，研究人員還研究了如何在保持液滴驅(qū)動穩(wěn)定性的同時減少電極失效，以延長電極和薄膜場效應(yīng)晶體管（TFT）電路的壽命，從而進(jìn)一步增加有源矩陣-數(shù)字微流控（AM-DMF）芯片的使用壽命。上述工作為單細(xì)胞的穩(wěn)定操縱和高通量液滴驅(qū)動的應(yīng)用提供了經(jīng)驗，并且具有成本效益。相關(guān)研究成果以“Active-Matrix Digital Microfluidics Design and Optimization for High-Throughput Droplets Manipulation”為題，發(fā)表在IEEE Journal of the Electron Devices Society期刊上。

圖1 設(shè)計的有源矩陣-數(shù)字微流控（AM-DMF）芯片橫截面圖

圖2 數(shù)字微流控（DMF）芯片驅(qū)動時序

不同保持時間的液滴驅(qū)動實驗

圖3為三種不同保持時間（10 μs、50 μs和100 μs）下的液滴運動穩(wěn)定性測試。測試結(jié)果表明，通過減少每次在電極上保持電壓的時間，可以大大增加電極的壽命，從而保證液滴或細(xì)胞的長時運動。

圖3 （a）保持時間分別為10 μs、50 μs和100 μs時，1 × 1液滴的持續(xù)運動時間；（b）保持時間分別為10 μs、50 μs和100 μs時，2 × 2液滴的持續(xù)運動時間

不同延遲時間的液滴驅(qū)動實驗

圖4為不同延遲時間下的液滴運動穩(wěn)定性測試。測試結(jié)果表明，通過增加延遲時間，可以大大增加電極的壽命，從而保證液滴或細(xì)胞的長時運動，這為進(jìn)行一些耗時的生物實驗提供了可能。

圖4 三種不同延遲時間下三個尺度液滴的運動情況：（a）延遲時間設(shè)置為1 ms、15 ms和70 ms時，1 × 1液滴的持續(xù)運動時間；（b）延遲時間分別為1 ms、15 ms、70 ms時，2 × 2液滴的持續(xù)運動時間

八倍二分法實驗和雙區(qū)高產(chǎn)單液滴生成實驗

通過優(yōu)化芯片的驅(qū)動時間，特別是電極保持時間和延遲時間，該研究最終實現(xiàn)了高通量單液滴的穩(wěn)定操縱和生成。圖5和圖6分別為采用八倍二分法驅(qū)動16 × 16液滴獲得256個1 × 1液滴的步驟示意圖和采用高通量法生成234個液滴的步驟示意圖。因此，利用所開發(fā)的3T1C有源矩陣數(shù)字微流控芯片可以實現(xiàn)穩(wěn)定的高通量液滴驅(qū)動，有望用于未來的小規(guī)模生物實驗。總體而言，該研究所取得的結(jié)果超越了目前其他研究者在有源矩陣數(shù)字微流控芯片上所展示的精度和通量。

圖5 利用八倍二分法驅(qū)動16 × 16液滴以獲得256個1 × 1液滴的步驟示意圖

圖6 生成234個單液滴的雙區(qū)高產(chǎn)單液滴生成方法的步驟示意圖

綜上所述，該研究的重點是實現(xiàn)有源矩陣-數(shù)字微流控芯片的穩(wěn)定工作狀態(tài)，并實現(xiàn)對高通量單液滴的精確和連續(xù)控制。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員深入研究了不同保持時間和延遲時間對液滴驅(qū)動可持續(xù)性的影響。通過優(yōu)化驅(qū)動時間，該研究成功地實現(xiàn)了兩種不同的高通量單液滴的穩(wěn)定操縱。結(jié)果表明，驅(qū)動時間越短，電極的保持時間越長，設(shè)置的延遲時間越長，電極的壽命越長，液滴的持續(xù)運動時間越長。最后，研究人員利用自行開發(fā)的計算機(jī)程序，采用二分法在15 s內(nèi)分離生成了64個液滴，并且采用高通量液滴生成法在16 s內(nèi)生成了234個單液滴，顯示了條件優(yōu)化后驅(qū)動時序的可靠性和穩(wěn)定性。總體而言，通過這種方式，該工作可以大大延長芯片的使用壽命，降低使用微流控驅(qū)動芯片的成本，從而減少耗時的生物實驗成本，實現(xiàn)高通量液滴的穩(wěn)定驅(qū)動。

審核編輯：劉清