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  隨著微分析系統(tǒng)在血液分析、細(xì)胞篩選、核酸檢測等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展，作為其核心的微流控技術(shù)越來越受到人們的重視。利用光作為驅(qū)動(dòng)力操控微量液體的運(yùn)動(dòng)，可以免去外部連結(jié)的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)管路，有利于微流控系統(tǒng)的集成和簡化，并實(shí)現(xiàn)微流體的遠(yuǎn)程、非接觸、定點(diǎn)精確控制。然而，目前已報(bào)道的光控微流體技術(shù)（光鑷、光熱效應(yīng)、光致電滲流等）只能完成泵、閥或攪拌器的單一功能，無法構(gòu)建集成化的光控微流體平臺(tái)，因而急需找到一種強(qiáng)有力的光驅(qū)動(dòng)新機(jī)制來打破其發(fā)展瓶頸。

  在前期工作中，俞燕蕾教授課題組報(bào)道了一種全新概念的光控微流體技術(shù)(Nature 2016, 537, 179; Small 2019, 15, 1901847; Adv. Intell. Syst. 2019, 1, 1900060)。他們設(shè)計(jì)了全線型光致形變液晶高分子新材料，通過溶液加工法構(gòu)筑了三維結(jié)構(gòu)的微管執(zhí)行器，利用微管由圓柱形變成圓錐形的不對稱光致形變產(chǎn)生拉普拉斯壓差，驅(qū)動(dòng)管內(nèi)液體定向運(yùn)輸。在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)“Y”形的微管實(shí)現(xiàn)了液滴的融合。然而，在拉普拉斯壓差的作用下，液滴只能由大通道進(jìn)入小通道，因此融合后的液滴被“鎖”在“Y”形微管的分岔口處，既不能被光控繼續(xù)運(yùn)輸進(jìn)行下一步操作，也無法被分離提取其中的部分液體。

圖1. (a)全光控微流體芯片的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑；(b)線型光致形變液晶高分子的結(jié)構(gòu)式；(c)集成液滴運(yùn)輸、融合、分離及混合功能的光控微流體平臺(tái)示意圖；(d)全光控微流體芯片的實(shí)物圖。

  經(jīng)過多學(xué)科交叉的研究，俞燕蕾教授課題組設(shè)計(jì)并創(chuàng)制出全光控微流體芯片，在一個(gè)微流體平臺(tái)上集成了液滴的運(yùn)輸、融合、分離及混合等功能，利用自主研發(fā)的光控微流體技術(shù)開發(fā)新型集成化微流控器件。將光致形變液晶高分子材料作為致動(dòng)層與具有微通道結(jié)構(gòu)的PMMA基底結(jié)合，構(gòu)筑全光控微流體芯片。利用微通道的不對稱光致形變產(chǎn)生拉普拉斯壓差，驅(qū)動(dòng)通道內(nèi)液滴運(yùn)輸；利用微通道分岔口處的精巧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引入毛細(xì)凝結(jié)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)下液滴的融合與分離；利用在運(yùn)輸過程中由毛細(xì)作用誘導(dǎo)引發(fā)的液滴內(nèi)部漩渦，促進(jìn)樣品的攪拌混合。控制單個(gè)LED光源便可以完成上述運(yùn)輸、融合、分離及混合功能的精確操控（圖1）。該芯片作為全光控微分析平臺(tái)的雛形，完全擺脫了傳統(tǒng)微流控芯片上泵、閥、攪拌器等外接單元的束縛。

圖2. (a)具有小傾斜角λ的等腰梯形通道截面；(b)液體段塞潤濕邊緣后推進(jìn)側(cè)增加的面積ΔS_Adv與兩通道之間夾角θ的關(guān)系；(c)照射過程中兩個(gè)液滴在毛細(xì)凝結(jié)作用下融合與分離的模擬；(d)光控融合與分離過程的示意圖；(e)光控融合與分離過程的實(shí)物圖。

  微通道連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)液滴融合和分離的關(guān)鍵（圖2）。通過設(shè)計(jì)具有小傾斜角λ的等腰梯形通道截面使通道的交匯點(diǎn)形成楔形，從而發(fā)生毛細(xì)凝結(jié)。光照時(shí)，兩段液體在毛細(xì)凝結(jié)作用下被拉合連接，使其融合；撤去光照后，液柱之間的連接在拉普拉斯壓差作用下斷開，發(fā)生液體分離。進(jìn)一步結(jié)合流體力學(xué)理論計(jì)算，擬合出液體融合、分離的速度與通道夾角θ以及通道橫截面傾斜角λ的關(guān)系方程，為光流控芯片的軌道設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。該全光控微流體芯片集成了多種液滴操控，能夠?qū)崿F(xiàn)多種生化反應(yīng)和檢測的集成與簡化，如5-羥基糠醛的催化氧化、蛋白的熒光檢測等，為全光控微分析平臺(tái)的構(gòu)筑奠定了基礎(chǔ)。該平臺(tái)具有樣品用量少、操作簡便、用時(shí)短等優(yōu)勢，有望開發(fā)便攜式、即時(shí)分析設(shè)備，將在生物、化學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

  該成果以“An Integrated Droplet Manipulation Platform with Photodeformable Microfluidic Channels”為題發(fā)表在Small Methods期刊上。論文第一作者為復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系劉荃博士，通訊作者為復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系俞燕蕾教授。

  論文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202100969