DMF芯片的设计与制作

近年来，数字微流控（digital microfluidic，DMF）芯片技术凭借其可配置性强、可并行处理多个液滴和试剂消耗速率低等优势，受到了广大科研工作者的青睐，该技术已经广泛应用于分析化学、临床诊断、DNA测序和环境监测等领域。基于介电润湿效应（electrowetting ondielectric，EWOD）的平面液滴驱动技术凭借其集成性好、操控便捷等优势已成为芯片上液滴控制技术的主流。目前，国内外众多学者开展的基于EWOD的DMF系统研究，主要集中在EWOD芯片的结构设计、疏水介电层材料的选型与制备、微液滴驱动机理等方面，很少有将微液滴驱动、位置检测和路径规划进行集成化的研究。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自重庆理工大学的研究人员将三者融为一体，从正交矩阵电极设计、液滴驱动、位置检测的集成化研究出发，驱动与检测装置共用正交电极矩阵，利用液滴驱动的时间间歇实现电极间电容量检测，进而判断液滴的位置，再根据液滴的位置规划其行进路径，实验结果证明了该系统的稳定性和可操控性，可在数分钟内完成微液滴的有效控制，较好实现了软硬件系统的人机交互。相关研究成果以论文形式发表于《微纳电子技术》期刊。

DMF芯片的设计与制作

结合方形电极结构简单、制作难度低、高度对称等优点，研究人员提出了双极板正交矩阵电极设计，如图1所示。接着，利用自制的数字光刻投影系统进行DMF芯片电极结构的加工制作。制作完成的上下极板如图2（a）所示，最终制作完成的DMF芯片如图2（b）所示。

图1 正交矩阵电极设计

图2 制作的上下极板DMF芯片实物图

DMF芯片系统构建

整个DMF芯片系统主要由下位机硬件电路、上位机控制软件和DMF芯片三部分组成。为了便于验证位置检测的准确性，使用初期采用光学显微镜进行液滴的位置观测。通过操控上位机软件可实现液滴运动路径规划、下位机位置信号采集和驱动电压信号输出，通过给不同行列的电极施加电压，可以实现液滴的控制和移动，通过比对检测电路所采集的电容值可以获得液滴所处位置。下位机硬件电路利用定时器对电压驱动电路与电容检测电路进行分时复用，两者的脉冲时序图如图3（b）所示。

图3 搭建完成的DMF芯片系统

DMF芯片系统性能测试及应用

研究人员首先进行了液滴驱动测试，液滴初始位置如图4（a）所示，为了实现两液滴的混合，需在行方向上施加电压，此处选择移动液滴B，使液滴B向上运动，如图4（b）所示，再对第2行施加电压使液滴B继续向前运动，最后完成混合得到液滴C，如图4（c）所示。

图4 液滴在DMF芯片中的驱动

接着，研究人员进行了液滴位置检测及路径规划测试，液滴运动到终点的实际显微镜观测位置和系统检测的目标位置，分别如图5（e）和（f）所示，符合实验预期要求，说明该检测方法可行，而且该方法对于透明或者不可见光液滴的位置检测具有突出优势。

图5 液滴在DMF芯片系统中的位置检测与路径规划

最后，为了对比DMF芯片技术与常规技术之间的差异，研究人员选用高锰酸钾与维生素C（VC）溶液进行褪色反应实验。在常规技术条件下，高锰酸钾与VC的反应时间约为48s，该研究中使用DMF芯片进行实验，反应时间为34s，明显缩短了反应时间，且反应过程直观明显，整个实验过程如图6所示。

图6 DMF芯片中高锰酸钾与VC的反应过程

综上所述，研究人员在DMF芯片电极设计、系统集成搭建方面开展了相关研究，实现了液滴的驱动、检测与路径规划一体化集成。首先，结合双极板结构提出了正交矩阵电极设计，在很大程度上减小了电极引线密度，降低了芯片加工难度，电极阵列在空间中呈现网格分布，实现了液滴在任意位置处的自由运动。其次，在驱动间隙对液滴的位置进行检测寻址，并根据液滴目标位置利用搭建完成的DMF芯片系统实现了液滴的路径规划。最后，利用本系统对液滴进行了驱动、位置检测、路径规划和褪色反应测试，可在数分钟内完成微液滴的有效控制，验证了本系统的稳定性和可操控性，较好地实现了软硬件系统的人机交互。测试结果体现了DMF芯片技术使用反应试剂少、反应速度快、反应效果更加直观的优点，当液滴为透明或者不能见光状态时，本系统具有突出的应用价值。后期借助液滴初始标定和电容检测数据的深入分析，还可用于反应状态的监测，这将使本系统的应用范围更加广泛。

审核编辑：彭静