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(xué)和技術(shù)，是一門涉及化學(xué)、流體物理、微電子、新材料、生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程的新興交叉學(xué)科。微流控的重要特征之一是微尺度環(huán)境下具有獨(dú)特的流體性質(zhì)，如層流和液滴等。借助這些獨(dú)特的流體現(xiàn)象，微流控可以實(shí)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(dá)數(shù)千個(gè)閥門和泵集成到單個(gè)芯片平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)高度多路復(fù)用的自動(dòng)化復(fù)雜性液滴控制系統(tǒng)的研究爆炸式增長(zhǎng)。

傳統(tǒng)的方法大多使用串行控制來處理單個(gè)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(chǔ)路徑或運(yùn)動(dòng)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(chǎng)或磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)功能。在此背景下，縮小閥門及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)非常困難，對(duì)制造工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)。

清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院彌勝利課題組通過設(shè)計(jì)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(jī)相位角差就能實(shí)現(xiàn)芯片工作平臺(tái)的逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)、無偏轉(zhuǎn)、順時(shí)針偏轉(zhuǎn)三種狀態(tài)，其中逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)和順時(shí)針偏轉(zhuǎn)可通過改變相位角差大小實(shí)現(xiàn)位姿偏轉(zhuǎn)角的控制，借由實(shí)現(xiàn)微流控芯片閥門的開關(guān)。實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)微流控芯片的同等功能的同時(shí)，兼具更高的魯棒性，這是因?yàn)殡x心產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)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(tái)設(shè)計(jì)

該平臺(tái)與傳統(tǒng)離心微流控平臺(tái)不同點(diǎn)在于，除了可以實(shí)現(xiàn)精確的閥門控制，其對(duì)電機(jī)控制要求并不需要十分精準(zhǔn)，離心力就像電子電路中的電源，驅(qū)動(dòng)液滴運(yùn)動(dòng)，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(hào)，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(yùn)算的可能，實(shí)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(yīng)用中主要用到的功能包括溶液定量、可中斷進(jìn)液、流路選通、順序進(jìn)液。上述的四項(xiàng)基礎(chǔ)功能的組合可實(shí)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(cè)、蛋白質(zhì)檢測(cè)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(tuán)隊(duì)用所設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)微流控的功能（圖3）。

圖3 實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)微流控基礎(chǔ)功能

在前文研究團(tuán)隊(duì)所演示的功能更多是基于單進(jìn)程的控制，針對(duì)如何依靠偏轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程的控制研究團(tuán)隊(duì)展開進(jìn)一步研究。可變位姿微流控芯片在工作過程中能不斷進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針的偏轉(zhuǎn)，這令研究團(tuán)隊(duì)想到電路設(shè)計(jì)中的晶振元件為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)，而離心力又與電源十分相似同樣為系統(tǒng)提供動(dòng)力，于是研究團(tuán)隊(duì)從邏輯電路角度去構(gòu)思芯片設(shè)計(jì)，通常稱之為邏輯水路。通過對(duì)偏轉(zhuǎn)脈沖的控制，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)邏輯液滴的加法器（圖4），證明在離心微流控平臺(tái)實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的邏輯控制能高效解決一些問題。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種僅由兩個(gè)邏輯開關(guān)單元組成的液體混合器，它們并行運(yùn)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(shí)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(jì)16種組合方式。通過對(duì)液滴邏輯控制應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)提出的具備中間層信息保存的混合器（圖5），能快速實(shí)現(xiàn)對(duì)生物信息的匹配，可應(yīng)用于核酸大規(guī)模自動(dòng)篩查。

圖5 混合器

上述成果以“變位離心平臺(tái)實(shí)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(lǐng)域國(guó)際期刊《芯片實(shí)驗(yàn)室》（LAB ON A CHIP）。論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)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(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)碩士生蔡港培和徐菲，其他作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2019級(jí)碩士李想和2020級(jí)碩士生陳百良。

審核編輯：劉清