数字微流控今日Nature:可控电润湿液滴

数字微流控是一种利用电信号操纵液滴在基底上的行为，被广泛应用于光学、热学、电学以及生物医药等领域，并在液体透镜和诊断试剂盒领域实现了商业化。这种电驱动主要是通过电润湿实现，在电压的作用下，液滴吸附在导电基底上并发生运动。

电润湿通过在液体和固体之间施加电压，来改变液体和固体之间的表面张力，1993年，Berge引入介电层，以避免发生电解作用，该技术被称为介质上的电润湿（electrowetting-on-dielectric，EWOD）。也就是说，为了实现强有力的电学驱动，导电基底上往往需要覆盖一层绝缘层，然后再覆盖一层疏水层。

微流控技术是利用电信号操纵极少量液滴的技术。基于微流控技术的微机电加工系统（MEMS）所依赖的MEMS芯片，正是智能手机、麦克风、加速度计、GPS定位等智能电子设备中的核心组件。MEMS芯片依赖的却是一颗小小的液滴，其体积仅为纳升至皮升。正是在液滴的分离、形成、流动和融合下，MEMS芯片才得以在智能化电子器件展现瞬息万变的风姿。

以往MEMS芯往往采用基于电润湿原理的微流控技术。在这种传统技术中，为了保证液滴驱动效果的显著和可靠，需要先在导电基底上覆盖一层介电薄膜，再在其上覆盖一层疏水层。这种“层层覆盖”的工艺（EWOD技术）使液滴在高达100 V的外加电压下才能开始运动，并且容易引起介电击穿、电荷累积、生物污染等问题，从而导致可靠性降低、静电、生物污垢等一系列困扰。

近日，美国加州大学洛杉矶分校的Chang-Jin ‘CJ’ Kim（通讯作者）等提出了一种全新的电润湿机制，可以使驱动电压降低一个数量级，最低可达到2.5V左右，液体透镜和诊断试剂盒或将迎来变革！

研究人员向液滴中引入极低浓度的离子型表面活性剂，在外加直流电场下实现了液滴的操控。这种借离子型表面活性剂之手用外电场驱动液滴的新方法能达到与传统的EWOD技术相近的液滴驱动效果，而其可靠性及工作寿命却有大幅度的飞跃。

当外电场的极性改变时，离子型表面活性剂分子的带电端基向液滴的表面或内部移动，从而带动液滴的铺展或蜷缩，引起接触角的改变。

值得一提的是，含有离子型表面活性剂的液滴能在外电场下反复的发生润湿/去润湿，而不是像传统的微流控技术一样只能发生润湿。此外，该工作提出的新方法能在亲水导电基底上实现液滴的操纵，而不需要引入任何介电层或疏水层。

该方法普遍适用于不同的阴、阳离子表面活性剂，并能对水溶液和有机溶液的液滴运动实现精确操纵。

对于掺杂硅晶片表面的小水滴，只需要向其中加入浓度为0.015 CMC（临界胶束浓度）的离子型表面活性剂，就能用±2.5 V的直流电压实现液滴的驱动和接触角的调控。该过程对应的电流为mA级。

总之，这项研究独辟蹊径，为实现简便可靠的微流控平台提供了广阔的思路。

图一：含有离子型表面活性剂的水滴在硅基片上收缩和铺展，其接触角随直流电压改变。 

用能发出荧光的离子型表面活性剂检测 研究微流控原理，验证了液滴的变形及接触角变化具有很高的可逆性。

图二：离子型表面活性剂的浓度和直流电压对电去润湿的影响

在等电点下（pH 2.3）对四种不同的阴、阳离子表面活性剂进行测试，发现液滴对硅片的润湿/去润湿效果显著，即短时间内能产生较大的接触角变化。 

液滴对外电场的响应时间约为0.5 s，比传统的EWOD略慢（0.02 s）。这是因为表面活性剂分子在液滴中迁移需要时间，而不能像介电材料一样立即极化。

图三：液滴在MEMS芯片的液流通道中产生、移动和融合

尽管该方法对液滴的操纵效果与传统的EWOD方法大同小异，其寿命和可靠性却实现了大幅度的飞跃。在4 V，0.2 mA的直流电场下，尽管水分解产生了气泡，液滴的操纵却仍能继续进行。而传统的EWOD方法就不能容忍气泡的产生。该电流是通常工作电流的100倍。

图四：该工作提出的液滴操纵方法广泛适用于有机液滴及缓冲溶液

在液体蒸发最少的情况下，该器件能在空气中持续工作1万圈，其寿命长达6h以上。而传统的EWOD器件在空气中工作几百圈就会因介电材料性能衰退而失效。由此可见，借表面活性剂之手，用外电场操纵液滴，使MEMS芯片的可靠性和寿命实现了大幅度的飞跃！

参考文献：

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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