數(shù)字微流控是一種利用電信號操縱液滴在基底上的行為，被廣泛應用于光學、熱學、電學以及生物醫(yī)藥等領域，并在液體透鏡和診斷試劑盒領域實現(xiàn)了商業(yè)化。這種電驅動主要是通過電潤濕實現(xiàn)，在電壓的作用下，液滴吸附在導電基底上并發(fā)生運動。

電潤濕通過在液體和固體之間施加電壓，來改變液體和固體之間的表面張力，1993年，Berge引入介電層，以避免發(fā)生電解作用，該技術被稱為介質上的電潤濕（electrowetting-on-dielectric，EWOD）。也就是說，為了實現(xiàn)強有力的電學驅動，導電基底上往往需要覆蓋一層絕緣層，然后再覆蓋一層疏水層。

微流控技術是利用電信號操縱極少量液滴的技術?；谖⒘骺丶夹g的微機電加工系統(tǒng)（MEMS）所依賴的MEMS芯片，正是智能手機、麥克風、加速度計、GPS定位等智能電子設備中的核心組件。MEMS芯片依賴的卻是一顆小小的液滴，其體積僅為納升至皮升。正是在液滴的分離、形成、流動和融合下，MEMS芯片才得以在智能化電子器件展現(xiàn)瞬息萬變的風姿。

以往MEMS芯往往采用基于電潤濕原理的微流控技術。在這種傳統(tǒng)技術中，為了保證液滴驅動效果的顯著和可靠，需要先在導電基底上覆蓋一層介電薄膜，再在其上覆蓋一層疏水層。這種“層層覆蓋”的工藝（EWOD技術）使液滴在高達100 V的外加電壓下才能開始運動，并且容易引起介電擊穿、電荷累積、生物污染等問題，從而導致可靠性降低、靜電、生物污垢等一系列困擾。

近日，美國加州大學洛杉磯分校的Chang-Jin ‘CJ’ Kim（通訊作者）等提出了一種全新的電潤濕機制，可以使驅動電壓降低一個數(shù)量級，最低可達到2.5V左右，液體透鏡和診斷試劑盒或將迎來變革！

研究人員向液滴中引入極低濃度的離子型表面活性劑，在外加直流電場下實現(xiàn)了液滴的操控。這種借離子型表面活性劑之手用外電場驅動液滴的新方法能達到與傳統(tǒng)的EWOD技術相近的液滴驅動效果，而其可靠性及工作壽命卻有大幅度的飛躍。

當外電場的極性改變時，離子型表面活性劑分子的帶電端基向液滴的表面或內部移動，從而帶動液滴的鋪展或蜷縮，引起接觸角的改變。

值得一提的是，含有離子型表面活性劑的液滴能在外電場下反復的發(fā)生潤濕/去潤濕，而不是像傳統(tǒng)的微流控技術一樣只能發(fā)生潤濕。此外，該工作提出的新方法能在親水導電基底上實現(xiàn)液滴的操縱，而不需要引入任何介電層或疏水層。

該方法普遍適用于不同的陰、陽離子表面活性劑，并能對水溶液和有機溶液的液滴運動實現(xiàn)精確操縱。

對于摻雜硅晶片表面的小水滴，只需要向其中加入濃度為0.015 CMC（臨界膠束濃度）的離子型表面活性劑，就能用±2.5 V的直流電壓實現(xiàn)液滴的驅動和接觸角的調控。該過程對應的電流為mA級。

總之，這項研究獨辟蹊徑，為實現(xiàn)簡便可靠的微流控平臺提供了廣闊的思路。

圖一：含有離子型表面活性劑的水滴在硅基片上收縮和鋪展，其接觸角隨直流電壓改變。 

用能發(fā)出熒光的離子型表面活性劑檢測 研究微流控原理，驗證了液滴的變形及接觸角變化具有很高的可逆性。

圖二：離子型表面活性劑的濃度和直流電壓對電去潤濕的影響

在等電點下（pH 2.3）對四種不同的陰、陽離子表面活性劑進行測試，發(fā)現(xiàn)液滴對硅片的潤濕/去潤濕效果顯著，即短時間內能產生較大的接觸角變化。 

液滴對外電場的響應時間約為0.5 s，比傳統(tǒng)的EWOD略慢（0.02 s）。這是因為表面活性劑分子在液滴中遷移需要時間，而不能像介電材料一樣立即極化。

圖三：液滴在MEMS芯片的液流通道中產生、移動和融合

盡管該方法對液滴的操縱效果與傳統(tǒng)的EWOD方法大同小異，其壽命和可靠性卻實現(xiàn)了大幅度的飛躍。在4 V，0.2 mA的直流電場下，盡管水分解產生了氣泡，液滴的操縱卻仍能繼續(xù)進行。而傳統(tǒng)的EWOD方法就不能容忍氣泡的產生。該電流是通常工作電流的100倍。

圖四：該工作提出的液滴操縱方法廣泛適用于有機液滴及緩沖溶液

在液體蒸發(fā)最少的情況下，該器件能在空氣中持續(xù)工作1萬圈，其壽命長達6h以上。而傳統(tǒng)的EWOD器件在空氣中工作幾百圈就會因介電材料性能衰退而失效。由此可見，借表面活性劑之手，用外電場操縱液滴，使MEMS芯片的可靠性和壽命實現(xiàn)了大幅度的飛躍！

參考文獻：

JiaLi, Chang-Jin ‘CJ’ Kim et al. Ionic-surfactant-mediated electro-dewetting for digital microfluidics. Nature 2019, 572, 507-510.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1491-x#Bib1

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