利用微流控与热泡喷墨技术实现微流控液滴

近年来，随着微流控芯片的发展，微流控液滴技术逐步走进人们的视野。微液滴常作为微反应单元，能够完成生化反应、试剂快速融合等功能，对微流控芯片的低消耗、自动化和高通量等优点起到了大大的增强作用。随着微流控与MEMS技术的不断发展，微流控液滴技术在生物工程、化学分析、疾病防护、细胞研究、药物传输和材料合成等众多领域得到了广泛应用，并发挥着重要作用。

据麦姆斯咨询报道，近期，上海大学微电子学院联合上海微技术工业研究院提出了一种新的微液滴制备方法，该方法将微流控与热泡喷墨技术结合，能够在1s内形成超过3万个皮升（pL）级液滴。相关研究成果以论文形式发表于《传感器与微系统》期刊。

该研究采用的热发泡喷墨打印技术，其原理如图1所示。打印装置主要分为薄膜加热电阻、喷嘴（吸取水相）和油相储存区3个部分。其中，加热电阻能够将喷出区域中的水相瞬间加热至300℃以上，从而形成无数微小气泡。随后，气泡以极快的速度聚集成为大气泡并扩展，迫使喷嘴中的水相从喷嘴中喷出进入油相形成油包水微液滴。

而后，气泡继续成长几秒后，便会消失，而由于水相的表面张力所产生的吸力，会把新的水相拉引到水相喷出区准备下次的循环喷射。采用该原理可以得到体积更小，形成频率更高，数量更多的微液滴。

图1 热发泡喷墨打印原理

此外，微液滴形成装置的设计如图2所示。研究人员首先基于设计原理进行了微流控芯片的设计，结构如图2（a）所示，沟槽结构的设计是为了涂敷胶水便于进行封装。收集腔含有2个腔室，下腔室用于储存油相和收集微液滴，上腔室是为了收集液孔中流出的溶液，减少微液滴的不必要损失（图2（b））。

液滴发生器功能的实现需要将半导体芯片上的加热电阻连接到控制电路上，因而该研究设计了含有26个顶针孔的卡槽结构（图2（c）），以及用于压紧液滴发生器的卡夹（图2（d）），并在卡夹与液滴发生器接触的地方贴上橡胶垫，使两者的接触为软接触，从而压得更紧更牢。整个微液滴形成装置如图2（e）所示，按照其组装，连接电源即可完成液滴生成。

图2 液滴形成装置结构设计  

随后，研究人员结合微流控与MEMS半导体技术，利用热发泡喷墨打印原理形成微液滴。微液滴的制备流程如图３（a）所示，MEMS半导体芯片有640个喷嘴用于形成微型液滴。微流控芯片和收集腔的材料选择为透明聚碳酸酯（PC），因为，该材料具有良好的耐溶剂性、耐老化性、尺寸稳定性、电化学性，且强度高、蠕变性小，另外其良好的透光性使得直接观察液滴流动状况成为可能。将封装好的液滴发生芯片放入控制器的卡槽中连接电路，通过软件可控制液滴的形成，可生成体积为24 pL的微型液滴。

该生成液滴的技术可应用于数字PCR，其原理为：将微型液滴作为一个反应单元，经过PCR仪扩增，将反应单元中的目的基因指数级扩增；将扩增后的液滴打进结果阅读芯片中，它的结构设计能将微型液滴平铺在其内部流道中；随后将结果阅读芯片放入光学检测仪器中，进行微型液滴形貌与荧光信号的检测。

图３ 微液滴的制备流程和检测过程  

最后，针对这种新的液滴发生方法，该文系统研究了喷孔位置、分散相黏度、分散相与MEMS半导体芯片的接触角等因素对液滴生成的影响。研究结果发现，通过控制以上因素，可以获得大量的CV值低于6%的微液滴。这种液滴生成方式在数字PCR技术的应用中有巨大的应用潜力，能够在短时间内产生大量的微型液滴，并且密封良好，能够有效避免数字PCR试剂的污染，对于液滴数字PCR是个全新的、更好的平台，而且能够为小型一体化数字PCR仪的研究提供可能。

审核编辑：刘清