對液體進(jìn)行移動(dòng)、分裂、融合和分配在很多領(lǐng)域是必不可少的，例如醫療檢測、生化分析、微反應器等都需要對流體精確控制，但現有的微流控技術(shù)需依賴(lài)于復雜的電極才能實(shí)現這些功能，不僅成本高而且液體殘留量大，液體殘留使得醫療器械不可重復使用，產(chǎn)生了大量的醫療廢品，每年造成的損失高達200億美元。

無(wú)損操控硅油液滴

光控載貨機器人

為解決這些挑戰，香港大學(xué)王立秋教授研究團隊提出了一種無(wú)污染的光電微流控技術(shù)，通過(guò)把光熱薄膜、熱釋電晶體和超疏液涂層三種功能材料整合在一起，僅用單束光即可移動(dòng)、切割、融合、分配任意液滴，不需要復雜的微納加工或電極，就可以精確操控表面張力18.9-98.0mN/m、體積1nl-1000ul的任意液體而沒(méi)有液體殘留，不僅解決了現有數字微流控平臺上的蛋白質(zhì)等生物分子易于吸附的問(wèn)題，還能利用光束精準遙控帶有四個(gè)液滴輪的載貨機器人作為貨物搬運工實(shí)現對微小固體的傳輸。該技術(shù)以題為“Photopyroelectric microfluidics”的論文發(fā)表在《Science Advances》上，香港大學(xué)王立秋教授和唐欣博士為論文的通訊作者，李威博士為第一作者。

光電微流控平臺的設計：微流控平臺包括底層的光熱薄膜（石墨烯摻雜的PDMS），中間層的熱釋電晶體（LiNbO3）和上層的超疏液涂層（SiO2納米空心球分形網(wǎng)絡(luò )）（圖1）。光束可以穿過(guò)上層透明的超疏液涂層和熱釋電晶體照射到底面的光熱薄膜，光熱薄膜將光能轉換成熱能使自身溫度升高，從而加熱上方的熱釋電晶體在光束照射處產(chǎn)生表面電荷，當電荷引起的介電泳力足以克服液滴在超疏液涂層上的粘附力，液滴則被吸引至光束下方。超疏液涂層不僅為液滴移動(dòng)創(chuàng )造了極低的阻力，而且避免了液體殘留，使得無(wú)損液滴操控成為可能，可以對包括硅油、乙醇、正庚烷和甘油在內的30多種液體（表面張力18.9-98.0mN/m）進(jìn)行無(wú)損光控操作。

圖1.光電微流控平臺的設計

四項基本操作：光電微流控平臺產(chǎn)生的波浪形的介電泳力場(chǎng)可以對液滴執行包括移動(dòng)、分裂、融合和分配在內的四種基本操作（圖2）。移動(dòng)：可以指引表面張力18.9~98.0mN/m、體積1nL~1000uL的任意液滴以任意方向進(jìn)行無(wú)限距離的運動(dòng)，瞬時(shí)速度高達150mm/s,連續移動(dòng)速度可達50mm/s。融合：處于不同位置的多個(gè)液滴，可由單束光吸引至光束下方，多個(gè)液滴即可相互融合在一起。分裂：當液滴處于光束正下方時(shí)，液滴受到兩個(gè)大小一致、方向相反的介電泳力，當兩個(gè)力的作用足以克服液體的表面張力，液滴即被撕裂成兩個(gè)獨立的小液滴。分配：當液滴處于光斑邊緣時(shí)，液滴受到兩個(gè)不對等的作用力，一個(gè)子液滴即被從母液滴中濺射出來(lái)，而母液滴仍被限制在光斑邊緣，從而可以連續進(jìn)行分配操作。

圖2.微流控四項基本操作

多樣化應用：光電微流控技術(shù)可將液滴定向傳輸甚至反重力爬升，在霧氣收集、3D打印、傳熱傳質(zhì)等領(lǐng)域極具應用前景；對液滴的精確操控還造就了以液滴為驅動(dòng)元件的軟體機器人，可用于信息通訊、固體傳輸、載藥釋放等關(guān)鍵領(lǐng)域；對高濃度蛋白質(zhì)等生物流體的無(wú)損操控使得微反應裝置的重復再用成為可能，有利于減少一次性塑料的使用、減少醫療廢品、降低成本，助力醫療檢測、生化分析、微流控等領(lǐng)域的綠色、環(huán)保、可持續發(fā)展。利用光束精準遙控各種微液滴，應用于病理測試，可避免與感染性流體直接接觸，有利降低一線(xiàn)醫務(wù)人員在大流行病中測試病毒或細菌的感染風(fēng)險，以及減少樣本在操控過(guò)程中污染的機會(huì )。

圖3.多樣化應用。（A）液滴爬坡，（B）液滴反重力垂直爬壁，（C）光控軟體機器人,（D）避免蛋白質(zhì)殘留,（E）氨基酸檢測.

總結：在單束光的作用下，光電微流控平臺可以作為一只“魔力”的防潤濕的手來(lái)移動(dòng)、切割、融合和分配任意液體，遙控且無(wú)損的精確操控液滴不僅在醫療檢測和生化分析等領(lǐng)域具有重要意義，而且在軟體機器人、3D打印、微流控加工制造等領(lǐng)域具有廣闊應用場(chǎng)景。

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