清華大學設計一種新型可偏轉(zhuǎn)的離心微流控系統(tǒng)

微流控（Microfluidics）指的是使用微管道（尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米）處理或操縱微小流體（體積為納升到阿升）的系統(tǒng)所涉及的科學和技術，是一門涉及化學、流體物理、微電子、新材料、生物學和生物醫(yī)學工程的新興交叉學科。微流控的重要特征之一是微尺度環(huán)境下具有獨特的流體性質(zhì)，如層流和液滴等。借助這些獨特的流體現(xiàn)象，微流控可以實現(xiàn)一系列常規(guī)方法所難以完成的微加工和微操作。過去十年，通過將最多達數(shù)千個閥門和泵集成到單個芯片平臺上，實現(xiàn)高度多路復用的自動化復雜性液滴控制系統(tǒng)的研究爆炸式增長。

傳統(tǒng)的方法大多使用串行控制來處理單個液滴，這種異步的控制方法不能高效和穩(wěn)定地控制微流體的存儲路徑或運動方位。其次，作為流體邏輯元件的微閥，通常需要通過施加包括外部壓力、加熱、電場或磁場來實現(xiàn)功能。在此背景下，縮小閥門及其驅(qū)動系統(tǒng)非常困難，對制造工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)。

清華大學深圳國際研究生院彌勝利課題組通過設計一種新型可偏轉(zhuǎn)的離心微流控系統(tǒng)（圖1），通過控制伺服電機相位角差就能實現(xiàn)芯片工作平臺的逆時針偏轉(zhuǎn)、無偏轉(zhuǎn)、順時針偏轉(zhuǎn)三種狀態(tài)，其中逆時針偏轉(zhuǎn)和順時針偏轉(zhuǎn)可通過改變相位角差大小實現(xiàn)位姿偏轉(zhuǎn)角的控制，借由實現(xiàn)微流控芯片閥門的開關。實現(xiàn)傳統(tǒng)微流控芯片的同等功能的同時，兼具更高的魯棒性，這是因為離心產(chǎn)生的驅(qū)動力更易獲得，所需硬件更易集成，芯片更易加工且可以兼容多種不同的制造材料。

圖1 可偏轉(zhuǎn)離心平臺設計

該平臺與傳統(tǒng)離心微流控平臺不同點在于，除了可以實現(xiàn)精確的閥門控制，其對電機控制要求并不需要十分精準，離心力就像電子電路中的電源，驅(qū)動液滴運動，而我們通過控制偏轉(zhuǎn)角的周期性偏轉(zhuǎn)，其能為液體提供脈沖信號，每一次經(jīng)歷偏轉(zhuǎn)周期液滴執(zhí)行一次指令，這就為邏輯門水路提供了運算的可能，實現(xiàn)液滴的邏輯控制，具有更高的控制自由度和魯棒性（圖2）。

圖2 基于偏轉(zhuǎn)脈沖的微流控

微流控在應用中主要用到的功能包括溶液定量、可中斷進液、流路選通、順序進液。上述的四項基礎功能的組合可實現(xiàn)大多數(shù)情況下的離心微流控芯片的操作需求，例如微流控芯片上的核酸檢測、蛋白質(zhì)檢測等所需操作，其能有效地提高離心微流控芯片的工作效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。研究團隊用所設計平臺實現(xiàn)傳統(tǒng)微流控的功能（圖3）。

圖3 實現(xiàn)傳統(tǒng)微流控基礎功能

在前文研究團隊所演示的功能更多是基于單進程的控制，針對如何依靠偏轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)速度實現(xiàn)多進程的控制研究團隊展開進一步研究?？勺兾蛔宋⒘骺匦酒诠ぷ鬟^程中能不斷進行順時針和逆時針的偏轉(zhuǎn)，這令研究團隊想到電路設計中的晶振元件為系統(tǒng)提供時鐘信號，而離心力又與電源十分相似同樣為系統(tǒng)提供動力，于是研究團隊從邏輯電路角度去構思芯片設計，通常稱之為邏輯水路。通過對偏轉(zhuǎn)脈沖的控制，研究團隊實現(xiàn)邏輯液滴的加法器（圖4），證明在離心微流控平臺實現(xiàn)液滴邏輯控制的可行性。

圖4 基于邏輯門的液滴加法器

液滴可攜帶大量的生物信息，實現(xiàn)對液滴的邏輯控制能高效解決一些問題。研究團隊構建了一種僅由兩個邏輯開關單元組成的液體混合器，它們并行運行，其中ABCD端口代表四種攜帶生物信息的液體輸入，ABCD端口輸入的控制可以通過前文所展示的邏輯尋址來實現(xiàn)液體輸入，該混合邏輯芯片能備份中間層（Middle Tier，即MT）的信息，根據(jù)輸入的不同，其能排列組合合成所有混合產(chǎn)物，共計16種組合方式。通過對液滴邏輯控制應用，研究團隊提出的具備中間層信息保存的混合器（圖5），能快速實現(xiàn)對生物信息的匹配，可應用于核酸大規(guī)模自動篩查。

圖5 混合器

上述成果以“變位離心平臺實現(xiàn)液滴操作和片上邏輯控制” (Variable-position centrifugal platform achieves droplet manipulation and logic circuitries on-chip) 為題，發(fā)表在微流控領域國際期刊《芯片實驗室》（LAB ON A CHIP）。論文通訊作者為清華大學深圳國際研究生院彌勝利教授和黃嘉駿博士，第一作者為清華大學深圳國際研究生院2020級碩士生蔡港培和徐菲，其他作者為清華大學深圳國際研究生院2019級碩士李想和2020級碩士生陳百良。

審核編輯：劉清