有源矩阵数字微流控芯片，用于高通量单液滴的操纵和生成
2023-08-12 11:51:26   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

利用基于介电润湿（EWOD）的数字微流控（DMF）技术可以独立处理和操纵单个液滴。通过对介电润湿芯片施加特定的时控电压，可以对芯片上的多个液滴进行并行操纵。目前，基于介电润湿的数字微流控平台可以实现多种生物化学应用，包括平行化学发光免疫测定、多肽液滴合成、自动微生物电穿孔和单细胞全基因组测序等。制造小阵列数字微流控芯片是一项简单的任务，因为在设计芯片时，可以很容易地通过导线将每个电极连接到相应的衬底上，从而构建无源矩阵（PM）芯片。然而，当阵列尺寸较大时，数字微流控芯片的布线和外部驱动非常复杂。因此，高通量数字微流控芯片通常采用有源矩阵（AM）技术。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自中国科学院苏州生物医学工程技术研究所、西交利物浦大学以及山东大学的研究人员共同设计了一种有源矩阵数字微流控芯片，并且对其驱动信号策略进行了研究。研究人员首先优化了有源矩阵驱动时序中的“保持时间”和“延迟时间”驱动因子以及液滴操纵的稳定性。然后，研究人员对驱动信号进行了优化，最终实现了对两种不同的高通量单液滴的稳定控制。在此过程中，研究人员还研究了如何在保持液滴驱动稳定性的同时减少电极失效，以延长电极和薄膜场效应晶体管（TFT）电路的寿命，从而进一步增加有源矩阵-数字微流控（AM-DMF）芯片的使用寿命。上述工作为单细胞的稳定操纵和高通量液滴驱动的应用提供了经验，并且具有成本效益。相关研究成果以“Active-Matrix Digital Microfluidics Design and Optimization for High-Throughput Droplets Manipulation”为题，发表在IEEE Journal of the Electron Devices Society期刊上。

图1 设计的有源矩阵-数字微流控（AM-DMF）芯片横截面图

图2 数字微流控（DMF）芯片驱动时序

不同保持时间的液滴驱动实验

图3为三种不同保持时间（10 μs、50 μs和100 μs）下的液滴运动稳定性测试。测试结果表明，通过减少每次在电极上保持电压的时间，可以大大增加电极的寿命，从而保证液滴或细胞的长时运动。

图3 （a）保持时间分别为10 μs、50 μs和100 μs时，1 × 1液滴的持续运动时间；（b）保持时间分别为10 μs、50 μs和100 μs时，2 × 2液滴的持续运动时间

不同延迟时间的液滴驱动实验

图4为不同延迟时间下的液滴运动稳定性测试。测试结果表明，通过增加延迟时间，可以大大增加电极的寿命，从而保证液滴或细胞的长时运动，这为进行一些耗时的生物实验提供了可能。

图4 三种不同延迟时间下三个尺度液滴的运动情况：（a）延迟时间设置为1 ms、15 ms和70 ms时，1 × 1液滴的持续运动时间；（b）延迟时间分别为1 ms、15 ms、70 ms时，2 × 2液滴的持续运动时间

八倍二分法实验和双区高产单液滴生成实验

通过优化芯片的驱动时间，特别是电极保持时间和延迟时间，该研究最终实现了高通量单液滴的稳定操纵和生成。图5和图6分别为采用八倍二分法驱动16 × 16液滴获得256个1 × 1液滴的步骤示意图和采用高通量法生成234个液滴的步骤示意图。因此，利用所开发的3T1C有源矩阵数字微流控芯片可以实现稳定的高通量液滴驱动，有望用于未来的小规模生物实验。总体而言，该研究所取得的结果超越了目前其他研究者在有源矩阵数字微流控芯片上所展示的精度和通量。

图5 利用八倍二分法驱动16 × 16液滴以获得256个1 × 1液滴的步骤示意图

图6 生成234个单液滴的双区高产单液滴生成方法的步骤示意图

综上所述，该研究的重点是实现有源矩阵-数字微流控芯片的稳定工作状态，并实现对高通量单液滴的精确和连续控制。为了实现这一目标，研究人员深入研究了不同保持时间和延迟时间对液滴驱动可持续性的影响。通过优化驱动时间，该研究成功地实现了两种不同的高通量单液滴的稳定操纵。结果表明，驱动时间越短，电极的保持时间越长，设置的延迟时间越长，电极的寿命越长，液滴的持续运动时间越长。最后，研究人员利用自行开发的计算机程序，采用二分法在15 s内分离生成了64个液滴，并且采用高通量液滴生成法在16 s内生成了234个单液滴，显示了条件优化后驱动时序的可靠性和稳定性。总体而言，通过这种方式，该工作可以大大延长芯片的使用寿命，降低使用微流控驱动芯片的成本，从而减少耗时的生物实验成本，实现高通量液滴的稳定驱动。

论文链接：http://doi.org/10.1109/JEDS.2023.3293234

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