自驅(qū)動水下“氣流控”系統(tǒng) 實現(xiàn)微量氣體的傳輸和操控

微流控是一種利用幾十到幾百微米大小的通道來處理或操縱微量（納升甚至阿升）液體的綜合系統(tǒng)。小型化和集成化的特點使微流控芯片能夠?qū)崿F(xiàn)一系列傳統(tǒng)大型測試分析儀器所無法完成的復雜微過程和微操作。微流控技術(shù)已經(jīng)廣泛地應用于化學和生物分析（如基因組學和蛋白質(zhì)組學研究）、細胞操作和檢測、醫(yī)療衛(wèi)生、高通量藥物篩選和集成光學等領域。傳統(tǒng)的微流控主要聚焦于處理和操縱液體，然而氣體的微量操作很少被關注。

由于許多化學反應、分析和檢測對象都涉及到氣體，因此微量氣體的傳輸和操縱同樣具有巨大應用潛力。與液體微流控類似，微量氣體也可以通過微通道傳輸和操控。這樣的多功能系統(tǒng)可以被定義為“氣流控”（Aerofluidics）。氣流控芯片致力于在微觀尺度上操控微量氣體，以建立基于氣-氣或氣-液微相互作用的高度集成系統(tǒng)。氣流控在涉及氣體的微分析、微檢測、生物醫(yī)學工程、傳感器和環(huán)境保護等方面具有開創(chuàng)性的應用。然而，不需要在固體基底內(nèi)部制備密閉微通道且不需要外部驅(qū)動能量輸入的情況下實現(xiàn)微量氣體的傳輸依然是個技術(shù)難題。

近日，中國科學技術(shù)大學吳東教授、雍佳樂副研究員首次提出了“氣流控”的基本概念，并利用飛秒激光直寫的超疏水微溝槽設計了一種水下氣流控結(jié)構(gòu)。通過飛秒激光直寫在PDMS材料表面形成幾十微米寬度的微槽結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)壁覆蓋著激光誘導的微納復合結(jié)構(gòu)。激光誘導的微結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的超疏水性，能夠排斥水的浸潤。

在液體環(huán)境中，超疏水微溝槽與水環(huán)境之間會形成一種中空的微通道，該通道允許氣體在氣流控結(jié)構(gòu)上自由流通。當將激光直寫的微溝槽連接不同大小的超疏水輸入?yún)^(qū)域和目標區(qū)域時，水下氣體會自發(fā)地從Laplace壓強大的區(qū)域沿著超疏水溝槽傳輸?shù)絃aplace壓強小的區(qū)域。整個微量氣體傳輸過程無需外力輸入，可完全由Laplace壓力自驅(qū)動完成。所設計的氣流控器件的微通道寬度只有~42.1 μm。這樣狹窄的微通道使得氣流控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精密、微量的氣體傳輸與操作。

圖1 “水下氣流控”的基本概念與自驅(qū)動原理

圖2 飛秒激光設計制備的簡單水下氣流控結(jié)構(gòu)

圖3 水下氣流控器件上自驅(qū)動氣體傳輸

氣流控芯片的流速可以根據(jù)需要從極慢到超快（例如，在本實驗中從2.5nL/s到572 nL/s）設計。此外，水下氣流控裝置可以支持超長的氣體自發(fā)傳輸，傳輸距離甚至可以超過1米。飛秒激光加工技術(shù)可以很容易地設計各種圖案結(jié)構(gòu)，因而可以制備各種傳輸路徑的氣流控器件。微量氣體可以沿著各種復雜路徑、曲面、甚至跨越不同氣流控器件自發(fā)傳輸。獨立的水下氣流控器件也可以通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式集成為一個多功能綜合系統(tǒng)。

圖4 影響氣體傳輸性能的因素

圖5 水下氣流控器件上豐富多彩的氣體傳輸操作

靈活的自驅(qū)動氣體傳輸性以及超長傳輸距離等特點賦予了所設計的水下氣流控器件一系列氣體操控功能，如氣體融合、氣體匯集、氣體分裂、氣體陣列化、基于氣泡的氣-氣微反應、氣-液微反應等。通過巧妙的方式，也可以將氣流控系統(tǒng)與傳統(tǒng)液體微流控系統(tǒng)集成，從而實現(xiàn)氣體和液體的微量交互作用。自驅(qū)動水下氣流控能夠在微觀上傳輸和操控微量氣體，因而在氣體微分析、微檢測、生物醫(yī)學工程、傳感器和環(huán)境保護等領域具有重要的應用前景。

圖6 基于水下氣流控器件實現(xiàn)的各種與氣體微操作相關的功能和應用

不同于先前所報道的氣泡宏觀操作方法（氣泡作為一個整體運動），基于氣流控的氣體操作是一種微觀的、連續(xù)的、微分的方式。氣流控能夠精確地、復雜地操作微量氣體（例如，納升），這是氣泡宏觀整體轉(zhuǎn)運（大氣泡作為一個整體）方法無法實現(xiàn)的。此外，飛秒激光是一種自由靈活的微納加工方法。激光直寫路徑可以精確控制，從而可以設計制備各種復雜的氣流控圖案結(jié)構(gòu)。飛秒激光微加工技術(shù)的特點為多功能氣流控器件的制備提供了無限的想象空間。

審核編輯：劉清