又快又经济！利用市售喷墨打印机制作数字微流控器件原型
2025-02-09 14:07:56   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

数字微流控（DMF）为芯片实验室（LoC）系统提供了一种多功能平台，可以高精度、高重现性地分配、混合、合并和分离纳升到微升量级的离散液滴。凭借自动化和可编程流体处理技术，数字微流控系统可以在通用平面平台上执行各种各样的生物检测。数字微流控技术还消除了对泵和阀门等外部组件的需求，而这在传统的流通式微流控系统中则是必要的。数字微流控系统的其它优点还包括减少的操作时间和样品用量。

单平板和双平板数字微流控器件示意图。电极是数字微流控系统不可或缺的部分。

数字微流控器件通常采用上图所示的两种配置。单平板器件由包含驱动电极和接地电极的单个基板组成，可在单个平面上对液滴进行操作。相比之下，双平板器件将液滴夹在带反电极的顶板和包含驱动电极阵列的底板之间。电极是数字微流控系统不可或缺的部分。这是因为数字微流控依赖电润湿现象，即利用电压改变电极上液滴的接触角，从而实现液滴操纵。此外，液滴在数字微流控器件中的平滑和受控运动取决于电极阵列上介电和疏水层的选择和应用。

为了在数字微流控器件中嵌入导电轨道，大多采用MEMS微加工或印刷电路板（PCB）技术。虽然MEMS微加工技术在构建数字微流控器件原型方面具有无与伦比的精度，但相关的成本、设备要求和复杂的微加工步骤，可能会对新创意的研究和开发构成障碍。对于原型制作而言，印刷电路板技术也相对昂贵。此外，在基于PCB的数字微流控器件上沉积介电层和疏水层是一个耗时耗力的过程，需要大量的生产前设计考量。因此，尽管PCB或MEMS微加工技术可能适合大规模生产，但它们并不适合原型设计与制作。这已成为限制数字微流控实际应用的主要障碍之一，凸显了进一步开发创新制造技术的必要性，以便让更多的人能够使用数字微流控原型。

喷墨打印技术为制造电极提供了一种无尘室替代方法，通过降低设计复杂性、缩短制造时间和降低成本，有可能取代现有的方法，甚至可用于数字微流控器件的批量生产。最近的研究探索了在多种基板上喷墨打印铜、金、银、石墨烯和碳基油墨等各种导电材料。喷墨打印数字微流控器件已实现多种应用，包括13步风疹病毒IgG免疫测定、微流控癌症生物标志物检测以及用于检测皮摩尔浓度水平重金属的电化学阻抗谱等。文献分析表明，当前的研究仍然依赖于昂贵的材料打印机，例如用于喷墨打印电极的FUJIFILM Dimatix材料打印机。据悉，这种材料打印机的价格高达40000美元，因此许多研究人员可能没有条件使用这类设备。因此，有必要研究利用未经改装的台式喷墨打印机开发快速、经济的电极打印方案，借此还有望大幅降低数字微流控器件批量生产的相关成本。

据麦姆斯咨询报道，德黑兰大学的研究人员近期在Scientific Reports期刊上发表了一篇题为“Inkjet-printed electronics for rapid and low-cost prototyping of digital microfluidic devices using an off-the-shelf printer”的论文。文章详细报道了如何利用市售办公用的喷墨打印机和现成电子模块构建单平板数字微流控器件，从而无需无尘室环境，实现快速、经济的数字微流控原型制作。该研究之所以重点研究单平板数字微流控器件，是因为它们的制作过程更简单，操作更方便，更适合快速原型制作和实验。

研究人员全面研究了爱普生（EPSON）SC-P400喷墨打印机的特性，以在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和玻璃载玻片基板上打印最大电导率的Ag-ink电极。众所周知，Ag具有高导电性，与金和导电氧化物相比价格相对低廉，而且具有出色的化学稳定性。研究人员根据最小交流和直流驱动电压评估了三种不同的介电材料：SU8、派拉膜和胶带。此外，文章还介绍了使用常规电子模块和元件完全自主设计的驱动装置。研究人员在基于喷墨打印数字微流控芯片制造的微型混合器设计中操纵液滴，证明了所提出方法的有效性。混合是芯片实验室器件的基本功能，这突出了该研究所提出的印刷电子方法在开发各种芯片实验室应用方面的潜力。此外，该研究还采用图像处理技术评估了混合过程，进一步证明了所开发喷墨打印工作流的易用性和有效性。

（a）展示了印刷电极工艺流程的各个阶段。所提出的印刷电子方法利用了现成的、具有成本效益的设备和材料，因此前景广阔。（b）展示了喷墨打印轨道和电极的光学显微镜图像。所提供的快照证明了本文所开发的喷墨打印工艺的质量。（c）展示了PET（上）和玻璃（下）基板上喷墨打印电极。

（a）最终器件的制作步骤；（b）数字微流控器件示意图；（c）展示了玻璃载玻片基板上的喷墨打印器件，该设计包括12个2.75 mm x 2.75 mm 电极，中间有300 µm的间隙，用于液滴传输。每个电极都与一个2 mm x 2 mm的焊盘相连，以便通过15 mm的印刷轨道与电源接口连接。红色血滴表示准备使用数字微流控机制传输的全血血滴。使用光学显微镜目测打印质量，以确保电极之间有适当的间距。

两个液滴分别在t = 5 s、t = 11 s、t = 17 s、t = 23 s、t = 29 s和t = 35 s时的混合过程快照，在大约35 s左右基本混合。

总结来说，本文介绍了一种利用未经改装的市售台式喷墨打印机和廉价材料快速、经济地制作数字微流控器件原型的方法，旨在降低该领域研究人员的准入门槛。通过对EPSON SC-P400喷墨打印机在PET和玻璃载玻片基板上打印导电轨道的特性进行研究分析，实现了7.69 Ω⁻¹/cm²的最大表面电导率。利用胶带、派拉膜、SU8以及硅油层，成功制造出了功能性数字微流控芯片，全血液滴的驱动电压低至144 VDC和92 VAC@100kHz。该研究详细介绍了使用普通电子元件设计的驱动和控制电路，并制作了一个数字微流控混合器，以展示该方法的可行性。通过利用喷墨打印的经济性，这项研究为基于数字微流控的即时诊断应用开辟了道路，并有望应用于可穿戴传感器和柔性电子产品，展示了打印电子产品在推进芯片实验室技术方面的潜力，且无需高成本的微加工工艺。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-025-89343-z

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》