數(shù)字微流控是一種利用電信號(hào)操縱液滴在基底上的行為，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，并在液體透鏡和診斷試劑盒領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化。這種電驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)電潤(rùn)濕實(shí)現(xiàn)，在電壓的作用下，液滴吸附在導(dǎo)電基底上并發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

電潤(rùn)濕通過(guò)在液體和固體之間施加電壓，來(lái)改變液體和固體之間的表面張力，1993年，Berge引入介電層，以避免發(fā)生電解作用，該技術(shù)被稱(chēng)為介質(zhì)上的電潤(rùn)濕（electrowetting-on-dielectric，EWOD）。也就是說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)有力的電學(xué)驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)電基底上往往需要覆蓋一層絕緣層，然后再覆蓋一層疏水層。

微流控技術(shù)是利用電信號(hào)操縱極少量液滴的技術(shù)。基于微流控技術(shù)的微機(jī)電加工系統(tǒng)（MEMS）所依賴(lài)的MEMS芯片，正是智能手機(jī)、麥克風(fēng)、加速度計(jì)、GPS定位等智能電子設(shè)備中的核心組件。MEMS芯片依賴(lài)的卻是一顆小小的液滴，其體積僅為納升至皮升。正是在液滴的分離、形成、流動(dòng)和融合下，MEMS芯片才得以在智能化電子器件展現(xiàn)瞬息萬(wàn)變的風(fēng)姿。

以往MEMS芯往往采用基于電潤(rùn)濕原理的微流控技術(shù)。在這種傳統(tǒng)技術(shù)中，為了保證液滴驅(qū)動(dòng)效果的顯著和可靠，需要先在導(dǎo)電基底上覆蓋一層介電薄膜，再在其上覆蓋一層疏水層。這種“層層覆蓋”的工藝（EWOD技術(shù)）使液滴在高達(dá)100 V的外加電壓下才能開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并且容易引起介電擊穿、電荷累積、生物污染等問(wèn)題，從而導(dǎo)致可靠性降低、靜電、生物污垢等一系列困擾。

近日，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的Chang-Jin ‘CJ’ Kim（通訊作者）等提出了一種全新的電潤(rùn)濕機(jī)制，可以使驅(qū)動(dòng)電壓降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，最低可達(dá)到2.5V左右，液體透鏡和診斷試劑盒或?qū)⒂瓉?lái)變革！

研究人員向液滴中引入極低濃度的離子型表面活性劑，在外加直流電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)了液滴的操控。這種借離子型表面活性劑之手用外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液滴的新方法能達(dá)到與傳統(tǒng)的EWOD技術(shù)相近的液滴驅(qū)動(dòng)效果，而其可靠性及工作壽命卻有大幅度的飛躍。

當(dāng)外電場(chǎng)的極性改變時(shí)，離子型表面活性劑分子的帶電端基向液滴的表面或內(nèi)部移動(dòng)，從而帶動(dòng)液滴的鋪展或蜷縮，引起接觸角的改變。

值得一提的是，含有離子型表面活性劑的液滴能在外電場(chǎng)下反復(fù)的發(fā)生潤(rùn)濕/去潤(rùn)濕，而不是像傳統(tǒng)的微流控技術(shù)一樣只能發(fā)生潤(rùn)濕。此外，該工作提出的新方法能在親水導(dǎo)電基底上實(shí)現(xiàn)液滴的操縱，而不需要引入任何介電層或疏水層。

該方法普遍適用于不同的陰、陽(yáng)離子表面活性劑，并能對(duì)水溶液和有機(jī)溶液的液滴運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確操縱。

對(duì)于摻雜硅晶片表面的小水滴，只需要向其中加入濃度為0.015 CMC（臨界膠束濃度）的離子型表面活性劑，就能用±2.5 V的直流電壓實(shí)現(xiàn)液滴的驅(qū)動(dòng)和接觸角的調(diào)控。該過(guò)程對(duì)應(yīng)的電流為mA級(jí)。

總之，這項(xiàng)研究獨(dú)辟蹊徑，為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便可靠的微流控平臺(tái)提供了廣闊的思路。

圖一：含有離子型表面活性劑的水滴在硅基片上收縮和鋪展，其接觸角隨直流電壓改變。 

用能發(fā)出熒光的離子型表面活性劑檢測(cè) 研究微流控原理，驗(yàn)證了液滴的變形及接觸角變化具有很高的可逆性。

圖二：離子型表面活性劑的濃度和直流電壓對(duì)電去潤(rùn)濕的影響

在等電點(diǎn)下（pH 2.3）對(duì)四種不同的陰、陽(yáng)離子表面活性劑進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)液滴對(duì)硅片的潤(rùn)濕/去潤(rùn)濕效果顯著，即短時(shí)間內(nèi)能產(chǎn)生較大的接觸角變化。 

液滴對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間約為0.5 s，比傳統(tǒng)的EWOD略慢（0.02 s）。這是因?yàn)楸砻婊钚詣┓肿釉谝旱沃羞w移需要時(shí)間，而不能像介電材料一樣立即極化。

圖三：液滴在MEMS芯片的液流通道中產(chǎn)生、移動(dòng)和融合

盡管該方法對(duì)液滴的操縱效果與傳統(tǒng)的EWOD方法大同小異，其壽命和可靠性卻實(shí)現(xiàn)了大幅度的飛躍。在4 V，0.2 mA的直流電場(chǎng)下，盡管水分解產(chǎn)生了氣泡，液滴的操縱卻仍能繼續(xù)進(jìn)行。而傳統(tǒng)的EWOD方法就不能容忍氣泡的產(chǎn)生。該電流是通常工作電流的100倍。

圖四：該工作提出的液滴操縱方法廣泛適用于有機(jī)液滴及緩沖溶液

在液體蒸發(fā)最少的情況下，該器件能在空氣中持續(xù)工作1萬(wàn)圈，其壽命長(zhǎng)達(dá)6h以上。而傳統(tǒng)的EWOD器件在空氣中工作幾百圈就會(huì)因介電材料性能衰退而失效。由此可見(jiàn)，借表面活性劑之手，用外電場(chǎng)操縱液滴，使MEMS芯片的可靠性和壽命實(shí)現(xiàn)了大幅度的飛躍！

參考文獻(xiàn)：

JiaLi, Chang-Jin ‘CJ’ Kim et al. Ionic-surfactant-mediated electro-dewetting for digital microfluidics. Nature 2019, 572, 507-510.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1491-x#Bib1

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