利用介質電濕潤控制液滴技術的應用方向

1. 芯片實驗室(Lab-on-Chip)

EWOD在芯片實驗室方面的應用研究最主要是由Duke University的Richanrd Fair和UCLA的Kim等課題組推進的。EWOD的優(yōu)點在于可以利用可編程的電極陣列對液滴進行精確、迅速的控制。Kim、Fair等課題組對液滴的移動、分裂、合并、混合等做了大量研究。對于微升體積的液滴，當外加電壓超過某一閾值時，便可使液滴產生移動。液滴移動速度隨外加電壓增大而迅速增大，其速度量級可達到 cm/s。目前對 EWOD研究的主要目標是使其運動激活電壓降到 20V 以下，這樣可大大簡化并促進便攜醫(yī)療、檢測設備的發(fā)展。

Huh等人提出了利用EWOD來控制微流道中水-空氣兩相流體(圖1)，通過激活微流道底部的電極板可以在毫秒級的時間內改變水流的路徑。Cheng、Hsiung等設計了基于EWOD的微閥(圖2)，通過外加電壓控制微閥的開關。當外加電壓時，流體對Teflon的親水性增加，從而流入管道;當撤去外加電壓時，Telfon的疏水性使得流體在此區(qū)域斷開，達到關閉閥門的作用。

2. 芯片實驗室具體應用領域

應用領域：

(1)微流控檢測分析：POCT

POCT(Point-of-Care Test )是體外診斷器械(IVD)的一個細分行業(yè)，指在病人身邊快速診斷，因此又被稱為即時檢驗。POCT也常被稱為床旁檢測、醫(yī)生診所檢測、實驗室外檢測、分散測試、現(xiàn)場替代檢測、“衛(wèi)星化”檢測、患者自我檢測等。能快速而恰當地進行診療、護理、病程觀察，進而提高醫(yī)療質量和患者滿意度。目前POCT已經廣泛應用在ICU、手術、急診、診所及患者家中。

? 可控制復雜的反應和應用

? 高通量

? 設備小型化

? 操作簡單

? 節(jié)約檢體

? 生產成本低廉

(2)微流控反應控制：單細胞測序/高通量

與傳統(tǒng)的全基因組測序相比，單細胞測序不僅測量基因表達水平更加精確，而且還能檢測到微量的基因表達子或罕見非編碼RNA，其優(yōu)勢是全方位和多層次的。目前單細胞測序的領先廠商為美國企業(yè)Fluidigm，具有全世界超過六成的市占率。然而，其單細胞測序芯片仍使用傳統(tǒng)之連續(xù)微流控技術，具有使用樣本多于浪費、實驗速度慢、檢測結果良率低等缺點。

市場情況：

Bio-Rad公司和Illumina公司達成合作協(xié)議共同開發(fā)針對單細胞的新一代測序工作站，單細胞分析領域在過去幾年里發(fā)生著翻天覆地地變化，而兩家公司的這項合作也將會對很多競爭性技術的企業(yè)帶來一定影響。Illumina公司目前主要集中于圍繞數字流體來改善開發(fā)工具的標準化;Flatley說道，目前公司的目的就是為第三方開發(fā)者提供新技術，從而幫助其利用數字流體技術來開發(fā)新的應用。

(3)微流控模擬：細胞/器官

隨著基因組，合成化學的高通量方法的出現(xiàn)，藥物篩選者面臨著愈來愈多的新靶標或潛在的有效成分。高通量篩選就是在這樣的背景下應運而生的。所謂高通量篩選指以分子水平和細胞水平的實驗方法為基礎，以微流體芯片作為實驗工具載體，以自動化操作系統(tǒng)執(zhí)行試驗過程，以靈敏快速的檢測儀器采集實驗結果數據，以計算機對實驗數據進行分析處理，同一時間對數以千萬樣品檢測，并以相應的數據庫支持整體系運轉的技術體系;微流控芯片液滴已被認為是迄今為止最重要的微反應器，能提供一種在單分子和單細胞層面快速開展超大規(guī)模超低含量反應的平臺。液滴操控靈活，形狀可變，大小均一，，在高通量藥物篩選和材料篩選領域顯示了巨大的潛力。

2.1 微透鏡

Peseux和Berge最早提出了利用EWOD原理的微流體變焦透鏡。在平衡狀態(tài)下，液氣表面會形成一個光滑完整的曲面。與常規(guī)固態(tài)透鏡相比，液體透鏡是柔性的，其曲率、焦距可通過改變液體形狀調節(jié)。顯然的，液滴的形狀的變化可以通過利用EWOD原理改變液滴的接觸角來實現(xiàn)。Peseux和Berge設計了一個封閉小空間，里面充滿了非極性油滴和鹽水溶液的混合液(兩者不相溶)，這兩種液體的密度差別在 10-3以下，可以減小重力和外界環(huán)境對油滴表面形狀引起的干擾，使得即使在傾斜狀態(tài)下，界面也是標準球面。絕緣層采用中間厚邊緣薄的凸形特殊結構，這樣使得透鏡光軸在外加電壓不為零的情況下能穩(wěn)定在中心位置，而不會受外界的影響。

2.2 纖維光學

在 20世紀 80年代，Jackel等人利用電潤濕現(xiàn)象設計了光開關。他們通過控制微流道中水銀液滴的運動，通過其表面反射來控制光復用器中光線的傳播。

2002 年，Mach等人進行了利用電潤濕調制光波導的研究。研究中將部分光纖表面覆蓋物剝離，使光纖與周圍流體介質相接觸;通過調節(jié)剝離處流體的折射率對光纖傳輸的光束進行調制。

2.3 顯示技術

2003 年，Philips公司的Feenstra與Hayes等首先研制出基于EWOD的反射式顯示器件的原型。當沒有外加驅動電壓時，油滴自動平鋪在水層和疏水性絕緣層之間，此時顯示自然的油的顏色，當施加足夠大的驅動電壓時，水將浸潤到下面的絕緣層，將油擠到側面，此時，正面就呈現(xiàn)出底層的絕緣層的顏色。

2.4 其他應用

除上述的應用之外，介質上電濕潤還在微流體攪拌、散熱等各方面得到應用。Baret等巧妙地構造了一個基于電潤濕的振動模型，利用此模型可以攪拌體積很小的液體。Aggarwal等運用電潤濕動力學制備出純電潤濕驅動的液體流，其有望在微器件散熱方面得到應用。Yi和Kim等研究發(fā)現(xiàn)，通過電潤濕可以實現(xiàn)無噴頭印刷。它結合了EWOD動力學、不同的表面潤濕性以及幾何學，沒有固體和固體直接接觸。Kim的研究小組利用電潤濕中液體形狀會改變的特點，構造出基于電潤濕的液體場效應管[28]，并對其輸出特性進行測量，其不但有傳統(tǒng)半導體場效應管所具備的開關特性，而且具備漏電流較小、沒有漏電流飽和等優(yōu)點。

審核編輯：湯梓紅