有源矩陣數字微流控芯片，用于生成高分辨率濃度梯度

在生物化學研究中，樣本的濃度梯度制備對于理解復雜的生物學過程至關重要。濃度梯度在例如DNA分析、藥物篩選和免疫學分析等多種生物化學實驗中起核心作用。傳統的濃度梯度制備方法涉及使用分析板，通常需要繁瑣且重復的手動或機械操作，不僅操作復雜，而且難以保證實驗的準確性和重復性。

近年來，基于微流控技術的濃度梯度生成方法逐漸成為一種重要的實驗工具。其相較于宏觀系統具有試劑消耗低、控制簡便、自動化程度高等優點，特別適用于處理小體積樣本。然而，傳統的微流控系統通常依賴于復雜的微通道結構、微泵和閥門來實現控制，這些元件的存在限制了系統的操作靈活性和擴展性。

電潤濕技術（EWOD）作為一種先進的微流控技術，提供了一種通過電信號控制液滴運動的方法，不依賴于傳統的微通道結構，從而為液滴的精確操控和多樣化操作提供了可能。這種技術能夠實現液滴的移動、生成、分裂和混合，為微流控器件的靈活性和功能多樣性開辟了新的路徑。然而，要實現更高精度的濃度梯度生成，仍需要進一步的技術創新和設計優化。發展一種新型微流控系統，以提高濃度梯度生成的分辨率和精確度，對于推動生物化學研究和相關應用的進步具有重要意義。

近日，長春理工大學李金華教授團隊、中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所馬漢彬教授團隊、聯合奧素科技，基于有源矩陣數字微流控（AM-DMF）技術開發了一種新型芯片，與傳統的矩形坐標電極布局不同，本芯片創新性地按照極坐標形式排列33種尺寸共1797個電極。這種獨特的布局方式允許電極圍繞中心點呈同心圓排列，使得液滴的操控更為靈活高效。同時，由于每個電極可以獨立尋址，也便于調整液滴生成的大小和位置，極大地提高了液滴操控的靈活性和精確度。芯片能夠介于0.03 nL至3.29 nL體積之間生成高分辨率的液滴，在總樣本體積為14.8 nL的條件下，極坐標AM-EWOD能夠生成207種不同的濃度梯度，而傳統矩形坐標設計僅能產生10種。這種極高的體積控制能力對于實現精細的濃度梯度調節至關重要。實驗證實該芯片外圈電極具有近100%的單液滴生成效率，且變異系數（CV）值小于3%，在液滴生成和操控方面具有極高的可靠性和重復性。



圖1 用于高分辨率濃度梯度生成的AM-EWOD芯片：（a）AM-EWOD芯片的照片；（b）極坐標電極布局；（c）像素電路示意圖；（d）兩種芯片設計的參數圖。

此外，研究團隊還分別進行了熒光檢測系統和吸收檢測系統的設計，熒光檢測系統通過DMF液滴控制模塊、雙軸控制模塊和自定義的控制軟件來定義液滴的運動路徑，并采用20倍目鏡進行光點大小的調節。吸收檢測系統使用光纖光譜儀作為檢測端，通過定制的0.4米光纖光纜與準直透鏡連接。使用505 nm的LED光源檢測芯片上不同濃度的葡萄糖反應的線性曲線，實驗結果顯示生成的數據具有高度的線性關系（相關系數為0.99045），證實了實驗的高重復性和準確性，也體現了其在復雜生物化學分析中的應用潛力。

圖2 定量熒光分析實驗：（a）不同濃度的熒光溶液的明場、暗場及疊加圖像；（b）不同濃度熒光溶液的熱圖；（c）不同濃度溶液的明場、暗場和熱圖疊加圖像；（d）描述熒光強度與熒光溶液濃度關系的圖表。

該成果以“Polar coordinate active-matrix digital microfluidics for high-resolution concentration gradient generation”為題，發表在英國皇家化學會期刊Lab on a Chip上，并入選為封面文章。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D3LC00979C