全球领先的表面张力仪测量技术——精确快速测量动静态表面张力

热线:021-66110810,66110819,66110690,13564362870 Email: info@vizai.cn

当前位置首页 > 新闻中心

一种无污染的光电微流控技术

来源:高分子科学前沿 浏览 118 次 发布时间:2022-06-27

对液体进行移动、分裂、融合和分配在很多领域是必不可少的,例如医疗检测、生化分析、微反应器等都需要对流体精确控制,但现有的微流控技术需依赖于复杂的电极才能实现这些功能,不仅成本高而且液体残留量大,液体残留使得医疗器械不可重复使用,产生了大量的医疗废品,每年造成的损失高达200亿美元。

无损操控硅油液滴

光控载货机器人


为解决这些挑战,香港大学王立秋教授研究团队提出了一种无污染的光电微流控技术,通过把光热薄膜、热释电晶体和超疏液涂层三种功能材料整合在一起,仅用单束光即可移动、切割、融合、分配任意液滴,不需要复杂的微纳加工或电极,就可以精确操控表面张力18.9-98.0mN/m、体积1nl-1000ul的任意液体而没有液体残留,不仅解决了现有数字微流控平台上的蛋白质等生物分子易于吸附的问题,还能利用光束精准遥控带有四个液滴轮的载货机器人作为货物搬运工实现对微小固体的传输。该技术以题为“Photopyroelectric microfluidics”的论文发表在《Science Advances》上,香港大学王立秋教授和唐欣博士为论文的通讯作者,李威博士为第一作者。

光电微流控平台的设计:微流控平台包括底层的光热薄膜(石墨烯掺杂的PDMS),中间层的热释电晶体(LiNbO3)和上层的超疏液涂层(SiO2纳米空心球分形网络)(图1)。光束可以穿过上层透明的超疏液涂层和热释电晶体照射到底面的光热薄膜,光热薄膜将光能转换成热能使自身温度升高,从而加热上方的热释电晶体在光束照射处产生表面电荷,当电荷引起的介电泳力足以克服液滴在超疏液涂层上的粘附力,液滴则被吸引至光束下方。超疏液涂层不仅为液滴移动创造了极低的阻力,而且避免了液体残留,使得无损液滴操控成为可能,可以对包括硅油、乙醇、正庚烷和甘油在内的30多种液体(表面张力18.9-98.0mN/m)进行无损光控操作。

图1.光电微流控平台的设计


四项基本操作:光电微流控平台产生的波浪形的介电泳力场可以对液滴执行包括移动、分裂、融合和分配在内的四种基本操作(图2)。移动:可以指引表面张力18.9~98.0mN/m、体积1nL~1000uL的任意液滴以任意方向进行无限距离的运动,瞬时速度高达150mm/s,连续移动速度可达50mm/s。融合:处于不同位置的多个液滴,可由单束光吸引至光束下方,多个液滴即可相互融合在一起。分裂:当液滴处于光束正下方时,液滴受到两个大小一致、方向相反的介电泳力,当两个力的作用足以克服液体的表面张力,液滴即被撕裂成两个独立的小液滴。分配:当液滴处于光斑边缘时,液滴受到两个不对等的作用力,一个子液滴即被从母液滴中溅射出来,而母液滴仍被限制在光斑边缘,从而可以连续进行分配操作。

图2.微流控四项基本操作


多样化应用:光电微流控技术可将液滴定向传输甚至反重力爬升,在雾气收集、3D打印、传热传质等领域极具应用前景;对液滴的精确操控还造就了以液滴为驱动元件的软体机器人,可用于信息通讯、固体传输、载药释放等关键领域;对高浓度蛋白质等生物流体的无损操控使得微反应装置的重复再用成为可能,有利于减少一次性塑料的使用、减少医疗废品、降低成本,助力医疗检测、生化分析、微流控等领域的绿色、环保、可持续发展。利用光束精准遥控各种微液滴,应用于病理测试,可避免与感染性流体直接接触,有利降低一线医务人员在大流行病中测试病毒或细菌的感染风险,以及减少样本在操控过程中污染的机会。

图3.多样化应用。(A)液滴爬坡,(B)液滴反重力垂直爬壁,(C)光控软体机器人,(D)避免蛋白质残留,(E)氨基酸检测.


总结:在单束光的作用下,光电微流控平台可以作为一只“魔力”的防润湿的手来移动、切割、融合和分配任意液体,遥控且无损的精确操控液滴不仅在医疗检测和生化分析等领域具有重要意义,而且在软体机器人、3D打印、微流控加工制造等领域具有广阔应用场景。


文章链接:W.Li,X.Tang,L.Wang,Photopyroelectric microfluidics.Sci.Adv.6,eabc1693(2020).https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abc1693