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一種無污染的光電微流控技術(shù)
來源：高分子科學(xué)前沿 瀏覽 1639 次 發(fā)布時間:2022-06-27
對液體進行移動、分裂、融合和分配在很多領(lǐng)域是必不可少的，例如醫(yī)療檢測、生化分析、微反應(yīng)器等都需要對流體精確控制，但現(xiàn)有的微流控技術(shù)需依賴于復(fù)雜的電極才能實現(xiàn)這些功能，不僅成本高而且液體殘留量大，液體殘留使得醫(yī)療器械不可重復(fù)使用，產(chǎn)生了大量的醫(yī)療廢品，每年造成的損失高達200億美元。
無損操控硅油液滴
光控載貨機器人
為解決這些挑戰(zhàn)，香港大學(xué)王立秋教授研究團隊提出了一種無污染的光電微流控技術(shù)，通過把光熱薄膜、熱釋電晶體和超疏液涂層三種功能材料整合在一起，僅用單束光即可移動、切割、融合、分配任意液滴，不需要復(fù)雜的微納加工或電極，就可以精確操控表面張力18.9-98.0mN/m、體積1nl-1000ul的任意液體而沒有液體殘留，不僅解決了現(xiàn)有數(shù)字微流控平臺上的蛋白質(zhì)等生物分子易于吸附的問題，還能利用光束精準遙控帶有四個液滴輪的載貨機器人作為貨物搬運工實現(xiàn)對微小固體的傳輸。該技術(shù)以題為“Photopyroelectric microfluidics”的論文發(fā)表在《Science Advances》上，香港大學(xué)王立秋教授和唐欣博士為論文的通訊作者，李威博士為第一作者。
光電微流控平臺的設(shè)計：微流控平臺包括底層的光熱薄膜（石墨烯摻雜的PDMS），中間層的熱釋電晶體（LiNbO3）和上層的超疏液涂層（SiO2納米空心球分形網(wǎng)絡(luò)）（圖1）。光束可以穿過上層透明的超疏液涂層和熱釋電晶體照射到底面的光熱薄膜，光熱薄膜將光能轉(zhuǎn)換成熱能使自身溫度升高，從而加熱上方的熱釋電晶體在光束照射處產(chǎn)生表面電荷，當(dāng)電荷引起的介電泳力足以克服液滴在超疏液涂層上的粘附力，液滴則被吸引至光束下方。超疏液涂層不僅為液滴移動創(chuàng)造了極低的阻力，而且避免了液體殘留，使得無損液滴操控成為可能，可以對包括硅油、乙醇、正庚烷和甘油在內(nèi)的30多種液體（表面張力18.9-98.0mN/m）進行無損光控操作。
圖1.光電微流控平臺的設(shè)計
四項基本操作：光電微流控平臺產(chǎn)生的波浪形的介電泳力場可以對液滴執(zhí)行包括移動、分裂、融合和分配在內(nèi)的四種基本操作（圖2）。移動：可以指引表面張力18.9~98.0mN/m、體積1nL~1000uL的任意液滴以任意方向進行無限距離的運動，瞬時速度高達150mm/s,連續(xù)移動速度可達50mm/s。融合：處于不同位置的多個液滴，可由單束光吸引至光束下方，多個液滴即可相互融合在一起。分裂：當(dāng)液滴處于光束正下方時，液滴受到兩個大小一致、方向相反的介電泳力，當(dāng)兩個力的作用足以克服液體的表面張力，液滴即被撕裂成兩個獨立的小液滴。分配：當(dāng)液滴處于光斑邊緣時，液滴受到兩個不對等的作用力，一個子液滴即被從母液滴中濺射出來，而母液滴仍被限制在光斑邊緣，從而可以連續(xù)進行分配操作。
圖2.微流控四項基本操作
多樣化應(yīng)用：光電微流控技術(shù)可將液滴定向傳輸甚至反重力爬升，在霧氣收集、3D打印、傳熱傳質(zhì)等領(lǐng)域極具應(yīng)用前景；對液滴的精確操控還造就了以液滴為驅(qū)動元件的軟體機器人，可用于信息通訊、固體傳輸、載藥釋放等關(guān)鍵領(lǐng)域；對高濃度蛋白質(zhì)等生物流體的無損操控使得微反應(yīng)裝置的重復(fù)再用成為可能，有利于減少一次性塑料的使用、減少醫(yī)療廢品、降低成本，助力醫(yī)療檢測、生化分析、微流控等領(lǐng)域的綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展。利用光束精準遙控各種微液滴，應(yīng)用于病理測試，可避免與感染性流體直接接觸，有利降低一線醫(yī)務(wù)人員在大流行病中測試病毒或細菌的感染風(fēng)險，以及減少樣本在操控過程中污染的機會。
圖3.多樣化應(yīng)用。（A）液滴爬坡，（B）液滴反重力垂直爬壁，（C）光控軟體機器人,（D）避免蛋白質(zhì)殘留,（E）氨基酸檢測.
總結(jié)：在單束光的作用下，光電微流控平臺可以作為一只“魔力”的防潤濕的手來移動、切割、融合和分配任意液體，遙控且無損的精確操控液滴不僅在醫(yī)療檢測和生化分析等領(lǐng)域具有重要意義，而且在軟體機器人、3D打印、微流控加工制造等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用場景。
文章鏈接：W.Li,X.Tang,L.Wang,Photopyroelectric microfluidics.Sci.Adv.6,eabc1693(2020).https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abc1693