芯片實驗室設(shè)備利用電信號測量葡萄糖，分辨血型并檢測病毒或癌癥。但是生物樣品需要保護免受電場的影響。一層薄薄的氧化鉿可以解決問題。圖片來源：Sanaz Habibi

微流體設(shè)備可以采用標準的醫(yī)學(xué)實驗室程序，并將每個程序濃縮成可以在水瓶蓋頂部平衡的微芯片。密歇根理工大學(xué)的一個研究小組，研究化學(xué)工程，電氣工程和材料科學(xué)，簡化了微流體裝置的設(shè)計，以便觀察其內(nèi)部工作情況。這些設(shè)備使用毛發(fā)薄的隧道和同樣微小的電極，通過電流漏斗液體，對細胞進行分類，發(fā)現(xiàn)疾病，并進行診斷測試。

問題是生物樣本不是惰性的，它們是充電的并準備好相互作用。當流體與微裝置電極接觸時，可能發(fā)生爆炸。微小的。但爆炸性紅細胞是由離子不平衡引起的，這種離子不平衡會在稱為裂解的過程中破壞細胞膜，從而無法測試血糖水平或血型。在其他測試中，例如癌癥或傳染病，弄亂樣品化學(xué)可能導(dǎo)致嚴重的陰性或假陽性。樣品和電極之間的相互作用，稱為法拉第反應(yīng)，可能是微流體中不需要的副作用。

為了保持樣品的完整性并保持清晰的表面以觀察設(shè)備內(nèi)部的情況，密歇根理工學(xué)院的工程師詳細說明了薄氧化鉿層如何像微型器件的手機屏幕保護膜一樣。他們的工作最近發(fā)表在Thin Solid Films上，一個設(shè)備的視頻顯示了保護層的工作原理。

化學(xué)工程講師Jeana Collins在密歇根理工大學(xué)攻讀博士研究微流體，是該論文的第一作者。她解釋了芯片實驗室如何使用稱為介電電泳的過程。

“介電泳反應(yīng)是一種運動，”她說。“你怎么能說它感動？看著它移動。”

 芯片實驗室設(shè)備利用電信號測量葡萄糖，分辨血型并檢測病毒或癌癥。但是生物樣品需要保護免受電場的影響。一層薄薄的氧化鉿可以解決問題。它可以控制紅細胞裂解，同時保留設(shè)備的電場并且也很清晰，因此工程師仍然可以用顯微鏡觀察微流體和內(nèi)部工作情況。圖片來源：Sanaz Habibi和Ben Jaszczak / Michigan Tech

柯林斯接著解釋說，來自電極的非均勻電場與樣品中的粒子或細胞上的電荷相互作用，導(dǎo)致它們遷移。許多生物芯片實驗室設(shè)備依賴于這種電響應(yīng)。

“作為化學(xué)工程師，我們更多地處理流體方面，”柯林斯說，并補充說電子設(shè)備也是關(guān)鍵，血糖儀就是一個很好的例子。“你已經(jīng)得到了血液 - 這就是你的液體 - 它進入，你做了一個測試，然后你得到一個數(shù)字讀數(shù)。所以它是流體和電子學(xué)的結(jié)合。”

即使像葡萄糖計這樣的商業(yè)化芯片實驗室被覆蓋，柯林斯和其他工程師也需要了解在顯微鏡下獲得清晰圖像的情況。這就是為什么氧化鉿只留下輕微的色調(diào)，在它們的微裝置設(shè)計開發(fā)中是有用的。

此外，該技術(shù)不適用于單個設(shè)備。由于其簡單性，氧化鉿層與許多電極設(shè)計一起工作，保持20.32的一致介電常數(shù)并且是血液相容的 - 也就是說，它最小化可導(dǎo)致細胞溶解的法拉第反應(yīng)，因此當它們來時更少的紅血球細胞爆炸靠近電極。

柯林斯和她的團隊測試了三種不同厚度的氧化鉿--58納米，127納米和239納米。他們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)沉積時間--6.5分鐘，13分鐘和20分鐘 - 可根據(jù)特定設(shè)備的需要調(diào)整粒度和結(jié)構(gòu)。唯一可能的問題是基于熒光的微器件，因為氧化鉿確實會干擾某些波長。然而，該層的光學(xué)透明度使其成為許多生物實驗室芯片測試的良好解決方案。

更多信息： JL Collins等，用于生物實驗室芯片器件的鉿（IV）氧化物薄膜的電學(xué)和化學(xué)表征，薄固體薄膜（2018）。 DOI：10.1016 / j.tsf.2018.07.024 

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