芯片实验室系统已经能够在某种程度上填补该领域的不足

据麦姆斯咨询报道，杜克大学（Duke University）的工程师们展示了一款多功能微流控芯片实验室，它利用声波在油中创建隧道，以非接触的方式操纵和传输液滴。该技术可以成为构建小型、可编程、可重写的生物医学芯片基础，该芯片可以完全重复使用，以帮助实现现场诊断或实验室研究。

团队成员的研究成果于6月10日在线发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。

用于非接触式和可编程液滴操纵的数字声流控技术

杜克大学机械工程与材料科学学院的William Bevan杰出教授Tony Jun Huang（黄俊）指出，“我们的新系统以最小的外部控制实现了液滴的可重写路由、分选和门控，这是数字逻辑控制液滴的基本功能。而且，与之前的系统相比，我们可以用更少的能量和更简单的设置来实现上述功能，同时控制更多的液滴。”

自动化流体处理已经推动了许多科学领域的发展，如临床诊断和大规模化合物筛选。尽管这些系统在现代生物医学研究和制药行业中无处不在，但它们的体机庞大，价格昂贵，而且不能很好地处理少量液体。

芯片实验室系统已经能够在某种程度上填补该领域的不足，但大多数都受到一个主要缺点的阻碍——表面吸收。由于这些装置依赖于固体表面，样品在运输过程中不可避免地会留下痕迹，从而导致污染。

新型芯片实验室平台使用了一层薄薄的、惰性不混溶油层来防止液滴自身留下任何痕迹。油的下方，压电换能器的格栅在通电时产生振动。就像低音炮的表面一样，这些振动在其上方的薄油层中产生声波。

当声波从芯片的顶部和底部反弹以及相互碰撞时，就会形成复杂的图案。通过精心规划换能器的设计，并控制引起声波振动的频率和强度，研究人员得以创建涡流，这些涡流结合在一起时，会形成可以沿着装置表面的任何方向推动和拉动液体的隧道。

Huang表示，“新系统采用双模换能器，可以基于两种不同的流模式，沿x轴或y轴传输液滴。与之前的系统相比，这是一个很大的进步。之前的研究中，我们只是在油中制造了一系列凹坑以使液滴沿单轴通过。”

帮助Huang一起创建该升级系统的包括来自杜克大学电子与计算机工程学院的John Cocke杰出教授Krishnendu Chakrabarty，以其他的博士生Zhanwei Zhong。他们两个帮助设计了新型芯片实验室演示装置的核心电子元器件，并显著升级和缩小了系统中使用的电线连接、控制器和其它硬件。

通过使用双模换能器，研究人员能够沿着两个轴移动液滴，同时将电子器件的复杂性降低了4倍。他们还将换能器的工作电压降低到比之前的系统低3~7倍，使其能够同时控制8个液滴。通过在装置中引入一个微控制器，研究人员能够对大部分液滴的移动进行编程和自动化操纵。

研究人员通过一系列视频中展示了新装置的功能。在其中一个实验中，液滴在正方形表面周围迅速旋转。其它实验则显示液滴到达一个“T”形交叉点并向左向右转，研究人员还创建了“逻辑门”，既可以中断液滴沿着通道移动，也可以使其通过。

以类似于计算机芯片上的逻辑系统的方式来控制液滴的能力，对各种临床和研究程序而言都至关重要。

Huang补充道，“我们的下一步计划是将Chakrabarty教授团队设计的微型射频电源和控制板结合起来，用于大规模集成和动态规划。我们还计划整合无需接触即可将液滴一分为二的功能。”
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