利用介質(zhì)電濕潤控制液滴技術的應用方向

1. 芯片實驗室(Lab-on-Chip)

EWOD在芯片實驗室方面的應用研究最主要是由Duke University的Richanrd Fair和UCLA的Kim等課題組推進的。EWOD的優(yōu)點在于可以利用可編程的電極陣列對液滴進行精確、迅速的控制。Kim、Fair等課題組對液滴的移動、分裂、合并、混合等做了大量研究。對于微升體積的液滴，當外加電壓超過某一閾值時，便可使液滴產(chǎn)生移動。液滴移動速度隨外加電壓增大而迅速增大，其速度量級可達到 cm/s。目前對 EWOD研究的主要目標是使其運動激活電壓降到 20V 以下，這樣可大大簡化并促進便攜醫(yī)療、檢測設備的發(fā)展。

Huh等人提出了利用EWOD來控制微流道中水-空氣兩相流體(圖1)，通過激活微流道底部的電極板可以在毫秒級的時間內(nèi)改變水流的路徑。Cheng、Hsiung等設計了基于EWOD的微閥(圖2)，通過外加電壓控制微閥的開關。當外加電壓時，流體對Teflon的親水性增加，從而流入管道;當撤去外加電壓時，Telfon的疏水性使得流體在此區(qū)域斷開，達到關閉閥門的作用。

2. 芯片實驗室具體應用領域

應用領域：

(1)微流控檢測分析：POCT

POCT(Point-of-Care Test )是體外診斷器械(IVD)的一個細分行業(yè)，指在病人身邊快速診斷，因此又被稱為即時檢驗。POCT也常被稱為床旁檢測、醫(yī)生診所檢測、實驗室外檢測、分散測試、現(xiàn)場替代檢測、“衛(wèi)星化”檢測、患者自我檢測等。能快速而恰當?shù)剡M行診療、護理、病程觀察，進而提高醫(yī)療質(zhì)量和患者滿意度。目前POCT已經(jīng)廣泛應用在ICU、手術、急診、診所及患者家中。

? 可控制復雜的反應和應用

? 高通量

? 設備小型化

? 操作簡單

? 節(jié)約檢體

? 生產(chǎn)成本低廉

(2)微流控反應控制：單細胞測序/高通量

與傳統(tǒng)的全基因組測序相比，單細胞測序不僅測量基因表達水平更加精確，而且還能檢測到微量的基因表達子或罕見非編碼RNA，其優(yōu)勢是全方位和多層次的。目前單細胞測序的領先廠商為美國企業(yè)Fluidigm，具有全世界超過六成的市占率。然而，其單細胞測序芯片仍使用傳統(tǒng)之連續(xù)微流控技術，具有使用樣本多于浪費、實驗速度慢、檢測結果良率低等缺點。

市場情況：

Bio-Rad公司和Illumina公司達成合作協(xié)議共同開發(fā)針對單細胞的新一代測序工作站，單細胞分析領域在過去幾年里發(fā)生著翻天覆地地變化，而兩家公司的這項合作也將會對很多競爭性技術的企業(yè)帶來一定影響。Illumina公司目前主要集中于圍繞數(shù)字流體來改善開發(fā)工具的標準化;Flatley說道，目前公司的目的就是為第三方開發(fā)者提供新技術，從而幫助其利用數(shù)字流體技術來開發(fā)新的應用。

(3)微流控模擬：細胞/器官

隨著基因組，合成化學的高通量方法的出現(xiàn)，藥物篩選者面臨著愈來愈多的新靶標或潛在的有效成分。高通量篩選就是在這樣的背景下應運而生的。所謂高通量篩選指以分子水平和細胞水平的實驗方法為基礎，以微流體芯片作為實驗工具載體，以自動化操作系統(tǒng)執(zhí)行試驗過程，以靈敏快速的檢測儀器采集實驗結果數(shù)據(jù)，以計算機對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，同一時間對數(shù)以千萬樣品檢測，并以相應的數(shù)據(jù)庫支持整體系運轉的技術體系;微流控芯片液滴已被認為是迄今為止最重要的微反應器，能提供一種在單分子和單細胞層面快速開展超大規(guī)模超低含量反應的平臺。液滴操控靈活，形狀可變，大小均一，，在高通量藥物篩選和材料篩選領域顯示了巨大的潛力。

2.1 微透鏡

Peseux和Berge最早提出了利用EWOD原理的微流體變焦透鏡。在平衡狀態(tài)下，液氣表面會形成一個光滑完整的曲面。與常規(guī)固態(tài)透鏡相比，液體透鏡是柔性的，其曲率、焦距可通過改變液體形狀調(diào)節(jié)。顯然的，液滴的形狀的變化可以通過利用EWOD原理改變液滴的接觸角來實現(xiàn)。Peseux和Berge設計了一個封閉小空間，里面充滿了非極性油滴和鹽水溶液的混合液(兩者不相溶)，這兩種液體的密度差別在 10-3以下，可以減小重力和外界環(huán)境對油滴表面形狀引起的干擾，使得即使在傾斜狀態(tài)下，界面也是標準球面。絕緣層采用中間厚邊緣薄的凸形特殊結構，這樣使得透鏡光軸在外加電壓不為零的情況下能穩(wěn)定在中心位置，而不會受外界的影響。

2.2 纖維光學

在 20世紀 80年代，Jackel等人利用電潤濕現(xiàn)象設計了光開關。他們通過控制微流道中水銀液滴的運動，通過其表面反射來控制光復用器中光線的傳播。

2002 年，Mach等人進行了利用電潤濕調(diào)制光波導的研究。研究中將部分光纖表面覆蓋物剝離，使光纖與周圍流體介質(zhì)相接觸;通過調(diào)節(jié)剝離處流體的折射率對光纖傳輸?shù)墓馐M行調(diào)制。

2.3 顯示技術

2003 年，Philips公司的Feenstra與Hayes等首先研制出基于EWOD的反射式顯示器件的原型。當沒有外加驅動電壓時，油滴自動平鋪在水層和疏水性絕緣層之間，此時顯示自然的油的顏色，當施加足夠大的驅動電壓時，水將浸潤到下面的絕緣層，將油擠到側面，此時，正面就呈現(xiàn)出底層的絕緣層的顏色。

2.4 其他應用

除上述的應用之外，介質(zhì)上電濕潤還在微流體攪拌、散熱等各方面得到應用。Baret等巧妙地構造了一個基于電潤濕的振動模型，利用此模型可以攪拌體積很小的液體。Aggarwal等運用電潤濕動力學制備出純電潤濕驅動的液體流，其有望在微器件散熱方面得到應用。Yi和Kim等研究發(fā)現(xiàn)，通過電潤濕可以實現(xiàn)無噴頭印刷。它結合了EWOD動力學、不同的表面潤濕性以及幾何學，沒有固體和固體直接接觸。Kim的研究小組利用電潤濕中液體形狀會改變的特點，構造出基于電潤濕的液體場效應管[28]，并對其輸出特性進行測量，其不但有傳統(tǒng)半導體場效應管所具備的開關特性，而且具備漏電流較小、沒有漏電流飽和等優(yōu)點。

審核編輯：湯梓紅