細菌和流行病不可避免的爆發(fā)，使得對高效微流控和低消耗劑量的新型診斷芯片的需求日益增加，F(xiàn)有的酶聯(lián)免疫吸附法、聚合酶鏈反應(yīng)法和重組酶聚合酶鏈反應(yīng)法等一系列檢測技術(shù)已被應(yīng)用于臨床診斷。然而，盡管這些方法具有較高的精度和靈敏度，但由于過程耗時、儀器復(fù)雜昂貴和非智能的液滴操控等缺點，限制了在偏遠地區(qū)或特定場景的廣泛應(yīng)用。此外，這些方法通常需要較大的檢測體積和繁瑣的室溫操作，難以滿足對便攜式和微量檢測的需求。微量檢測或分析主要是利用10-100 μL的待測樣品進行篩選或檢測，受采集策略和試驗劑量的影響。另外，離散的微液滴還可作為隔離容器，對化學試劑、生物化合物、微生物等有效載荷進行精確計量，具有重要研究意義。然而，微液滴檢測還存在一些局限性，如缺乏微液滴的定量采集和精確控制。幸運的是，具有特殊濕性表面的微液滴控制對于上述問題的解決有很大希望，因為它可以智能操控液滴的體積和運動狀態(tài)。例如，自驅(qū)動液滴檢測、基于磁場、光電或光電效應(yīng)和溫度響應(yīng)的潤滑油注入表面（LIS）檢測。這些基于液滴操控的檢測，具有劑量小、可控、操作方便等優(yōu)點。然而，LIS診斷往往需要笨重、昂貴的儀器和嚴格的環(huán)境條件。此外，自驅(qū)動結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)對液滴的智能操控。另外，用于水霧收集或乳液分離的一維結(jié)構(gòu)（蜘蛛絲和仙人掌刺）相比于用于液滴操控的二維結(jié)構(gòu)在某些情況下是有限的。因此，開發(fā)一種新的微量取樣或微量分析策略來解決當前檢測技術(shù)所遇到的局限性是迫切需要的。
近日，受仙人掌刺形狀梯度和豬籠草光滑表面的啟發(fā)，西南科技大學李國強教授領(lǐng)銜的微納仿生系統(tǒng)與智能化團隊與天津大學化工學院的曹墨源團隊合作，開發(fā)設(shè)計了一種基于自推進和電刺激協(xié)同的用于微樣分析的液滴操控器（SES-SDM）。評審人高度評價本工作，認為該項工作通過巧妙的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計，制備了一個可原位電控液滴和微檢測裝置，表現(xiàn)出良好的液滴滑落/釘扎以及表面微流體控制性，想法很新穎。該項成果以“Self-Propelled and Electrobraking Synergetic Liquid Manipulator toward Microsampling and Bioanalysis”為題發(fā)表在國際著名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，團隊的2018級機械工程專業(yè)碩士生方佳浩和張亞斌教授為共同一作，通訊作者為李國強教授、曹墨源副研究員、鐘良教授。
受仙人掌尖刺通過結(jié)構(gòu)梯度實現(xiàn)高效水霧收集的啟發(fā)，基于豬籠草光滑表面對液滴的排斥性，利用飛秒激光微納精密制造技術(shù)制備了光滑的多微碗楔形襯底并采用在外加超低電壓刺激下，實現(xiàn)了對多流態(tài)液滴的自驅(qū)動和電制動協(xié)同控制以及對微樣的分析與檢測。
通過在楔形結(jié)構(gòu)表面構(gòu)建出具有多微碗結(jié)構(gòu)的超親水界面，并將其表面功能化和注入潤滑液體，在外加低電壓條件下，作者構(gòu)建了依靠拉普拉斯壓力差驅(qū)動和電壓提供的靜電力制動的高效協(xié)同微液滴操控。另外，對微結(jié)構(gòu)的參數(shù)、表面潤濕性、潤滑油以及電制動液滴的影響因素進行了對比實驗，并得出最佳參數(shù)區(qū)間。
此外，在對影響微液滴操控的參數(shù)研究基礎(chǔ)上，優(yōu)化了基于液滴自驅(qū)動與電壓控制的協(xié)同操控理論模型，并總結(jié)了相關(guān)機理。
得益于液滴操控器件的巧妙設(shè)計與便攜性，研究者將多個液滴操控器裝置組合安裝后，構(gòu)建了基于十字軌道的高效微樣分析與檢測系統(tǒng)。此外，在不同環(huán)境溫度下（常溫與-5℃）以及利用實際環(huán)境中的湖水液滴進行了微樣分析與檢測實驗，展現(xiàn)了該裝置的可組合性、便攜性以及實際條件中的微樣檢測實用性。
綜上所述，通過結(jié)合仙人掌形狀特征和豬籠草光滑表面特性的啟發(fā)，制備了用于微分析的自推進與電刺激協(xié)同的液滴控制器。在楔形襯底、微納米結(jié)構(gòu)以及電響應(yīng)的協(xié)同作用下，SES-SDM可以實現(xiàn)對液滴的自發(fā)和可控地操作。此外，SES-SDM可在5 μL的微滴下進行微采樣、微反應(yīng)和低溫分析，為低溫保存生物樣品提供了新思路。更重要的是，SES-SDM通過自推進和電制動的配合，實現(xiàn)了對過量重金屬的實時、便捷檢測。這項工作為在惡劣環(huán)境下的協(xié)同操作和微生物分析提供了新的策略。
原文鏈接：
Jiahao Fang, Yabin Zhang, Lin Xiao, et al. Self-Propelled and Electrobraking Synergetic Liquid Manipulator toward Microsampling and Bioanalysis. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021.
http://dx.doi.org/10.1021/acsami.1c01494
