数字微流控技术的基本工作原理

据麦姆斯咨询报道，数字微流控（Digital microfluidics, DMF）是一种强大的新兴技术，它利用微升至纳升范围内的液滴精准操作来实现复杂的实验室分析。

数字微流控通常与其他分析工具结合使用，如质谱、比色、电化学分析和电化学发光分析等。

通过在一系列步骤中以一系列层次组合并重复多次操作，得以实现复杂的实验程序。数字微流控的基本机制类似于更传统的方法，但是所涉及的液体体积要小得多，其流程也高度自动化。

数字微流控技术中，微滴的生成和操作由电润湿、介电电泳和不混溶流体流动三大原理支撑。

数字微流控技术的基本工作原理

数字微流控技术依赖于由液体表面张力引起的液滴生成。表面越疏水，液体渗透性越差。疏水性可以利用电场产生，该过程被称为介质上电湿润（Electrowetting on Dielectric, EWOD）。运用电场产生液体表面的极性亲水性，使液滴变平。控制极化位置以生成张力梯度，使受控液滴位移发生在微流控平台表面。

数字微流控平台的设置基于基板、电极及其配置，使用的电介质及其厚度，疏水层和施加的电压。各个电极在底层以阵列形式图案化，连续电极则位于顶层。

介电材料（如玻璃）围绕着底层电极，负责电荷和电场梯度的积累。顶层通常涂有疏水层，以在微滴接触点处生成低表面能。

当施加电压时，电极被激活，导致表面液滴或多或少变得易被润湿。如果附近的电极被控制电压激活而下层电极未激活，则液滴将移动。因此可以通过沿着电极线的线性阵列电势变化来操纵液滴。

数字微流控技术的最新进展

由数字微流控技术引起的液滴3D运动允许微流控装置同时执行两个不同的任务。通过使液滴可以进入两种环境，广泛开辟了生物学应用。此外，芯片尺寸也得以减小，为平台设计提供了更大的自由度。

另一种称为全地形液滴驱动的方法可以用于非传统表面的液滴输送，如弯曲、倒置或非水平形状。

数字微流控技术的优势所在

数字微流控技术，也称之为芯片实验室技术，在生命科学研究领域拥有众多优势。包括其在便携性方面的高潜力，以及（稀有或昂贵）试剂或样品消耗量的显著减少。

其他显著优势包括数字微流控系统提供的高通量容量，以及因其尺寸小而不需要过多的功耗。

数字微流控技术的应用

数字微流控装置通常使用磁性颗粒、光学镊子、液液萃取或流体动力效应，用于分离和提取所需分析物。

例如，液滴可以穿过数字微流控装置上的电极阵列到磁性电极，其中的磁性颗粒被功能化，使它们可以与目标分析物结合。

下一步，液滴在磁体上移动，磁场消除，磁性颗粒得以悬浮在液滴中。然后磁场被恢复以固定颗粒，同时使液滴移动。重复上述过程并伴随洗涤和洗脱缓冲区以生成纯分析物。

该步骤已经使用抗人血清血蛋白抗体进行试验，证明了数字微流控技术在免疫学方面的潜力。

由于数字微流控技术使用的样品体积较小，对生物原理的提取通常较为困难。然而，数字微流控技术与宏观流体系统的组合则可以绕过这一障碍。

数字微流控技术也已经应用于创建免疫测定装置，在异质免疫测定情况下，数字微流控技术通过自动递送、混合、培养和洗涤芯片上的分析物，极大地简化并扩展了复杂的实验程序。一些实例包括检测人胰岛素、肌钙蛋白I、TSH（促甲状腺激素）和17-β雌二醇。

此外，数字微流控技术可以与质谱联用以减少对溶剂和试剂的使用，同时降低分析所需时间。

其他领域的应用包括核磁共振光谱学，小规模反应化学合成以生成肽模拟物或PET示踪剂，其需求量只有纳克。数字微流控技术加快了实验流程并实现了自动化，同时又保留了传统大规模合成90-95%的效率。