2018年11月19日，清華大學醫學院生物醫學工程系郭永研究員團隊在Sensors and Actuators B： chemical（傳感器和執行器B：化學）雜志在線發表題為“One-step Bonding and Hydrophobic Surface Modification Method for Rapid Fabrication of Polycarbonate-based Droplet Microfluidic Chips”（一種同步實現芯片鍵合與表面疏水改性的工藝方法用于快速制備聚碳酸酯材質的液滴微流控芯片）的研究成果，首次提出一種“一步法”對液滴微流控芯片實現快速鍵合和微管道表面疏水化改性的方法。該方法工藝流程簡單高效，僅耗時不到10秒。相比于現有的普遍耗時在數十分鐘到數小時的方法，一步法極大地提高了液滴微流控芯片的制備效率，不僅能廣泛應用于液滴微流控相關的研究領域，在工業化應用中也具有很大的潛力。
近年來，液滴微流控技術（也稱微液滴技術）引起了人們極大的研究興趣，并在生物醫學研究領域取得了許多重要進展，如數字PCR和高通量單細胞測序。微液滴芯片的大規模應用需要低成本、高通量、簡易和快速的芯片制備方法。芯片鍵合與表面疏水改性是微液滴芯片制備過程兩個重要的環節，目前已經報道的方法往往都存在工藝復雜、耗時長的問題。微液滴芯片為一次性使用耗材，其使用量較大，芯片制備的復雜過程影響了微液滴技術產業化的進展。
圖1：一步法工作流程圖及其分子機理
為了解決上述問題，郭永研究員團隊提出了一種新的基于聚碳酸酯（polycarbonate, PC）材料的微液滴芯片制備方法，能夠在實現快速芯片鍵合的同時完成微管道的表面疏水改性，工作流程圖及其分子機理如圖1所示。PC作為微液滴芯片的基底材料具有突出優秀特性，注塑性能好、透光性好、成本低。在兩片PC基底的鍵合面上涂抹上包含有丙酮、正戊烷和全氟辛基三氯硅烷（FOTS）的一步法溶液。在丙酮的作用下，PC表面的長鏈分子釋放到溶液中。然后，將兩片PC基底對齊并送入熱壓滾輪當中。由于丙酮與正戊烷的沸點較低，受熱后迅速氣化，游離的PC分子與鍵合面上的PC分子形成纏結，實現芯片鍵合。最后，在丙酮和正戊烷氣化后，FOTS析出粘附在芯片管道表面，并在空氣中水分子的作用下，自發交聯成網絡形成穩定的疏水層，實現表面疏水改性。一步法整個操作流程僅需10秒即可完成，這有助于實現微液滴芯片的大規模加工制備。與現有研究工作相比，一步法制備的微液滴芯片不僅具有較高的鍵合強度、良好的疏水性能，而且極大地縮短了芯片的制備時間，如表1所示。
表1：與已有研究工作的比較
一步法制備的微液滴芯片能穩定生成尺寸均一的微液滴，完全滿足微液滴技術對芯片提出的要求。數字PCR是微液滴技術十分重要的應用，具有單分子檢測靈敏度和絕對定量的特點，在分子診斷領域擁有重要的應用價值。數字PCR對微液滴芯片的生物相容性有較高的要求。該方法加工的微液滴芯片生成的液滴經過數字PCR后，液滴形態和熒光信號穩定。與商業化儀器相比，在目標分子的定量上也獲得了相當的結果。這說明一步法制備的芯片具有良好的生物相容性。本研究表明“一步法”具有低成本、低耗時、操作簡單和性能優異的特點，在液滴微流控研究、尤其是產業化領域有廣泛的應用潛力。
清華大學生物醫學工程系博士生蘇世圣及清華大學精儀系荊高山博士為本文共同第一作者，博士后劉寶霞在“一步法”分子機理研究部分有重要貢獻，郭永研究員對該研究進行了指導。這項研究得到了清華大學程京院士實驗室和北京新羿生物科技有限公司的大力支持。本課題得到國家自然科學基金委、中央公益性科研機構基金、企業橫向合作課題等的經費資助。
