據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，麻省理工學(xué)院(MIT)研究人員開發(fā)出一款創(chuàng)新硬件，利用電場(chǎng)將化學(xué)或生物溶液的液滴移動(dòng)到印刷電路板(PCB)表面，并將它們以各種方式混合，用于并行測(cè)試數(shù)千種反應(yīng)。

研究人員將該硬件視為目前常用于生物研究的微流控裝置的替代品。常用的微流控裝置中的生物溶液通過(guò)微閥連接的微通道抽吸。新方法則以計(jì)算好的程序通過(guò)電控方式移動(dòng)印刷電路板上的液滴，可以使實(shí)驗(yàn)更高效、更經(jīng)濟(jì)、更大規(guī)模地進(jìn)行。

麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室新系統(tǒng)開發(fā)負(fù)責(zé)人Udayan Umapathi指出，“傳統(tǒng)的微流控裝置會(huì)用到微通道、微閥和微泵，意味著它們都是機(jī)械式的，會(huì)時(shí)不時(shí)地出故障。三年前我就注意到這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)時(shí)我在一家合成生物公司，在那里我建立了一些微流控裝置，以及能夠與之相互作用的機(jī)械式裝置。我必須看護(hù)著這些裝置，以確保它們不會(huì)發(fā)生‘爆炸’”。

Umapathi繼續(xù)說(shuō)道，“生物學(xué)正在走向越來(lái)越復(fù)雜的過(guò)程，我們需要能夠操縱越來(lái)越小液滴體積的技術(shù)。微通道、微閥和微泵很快變得復(fù)雜起來(lái)。之前我創(chuàng)建的裝置，花費(fèi)了我一個(gè)星期的時(shí)間去組裝100個(gè)內(nèi)部連接。假設(shè)裝置規(guī)模從100個(gè)連接變成100萬(wàn)個(gè)連接，手動(dòng)組裝就變得不切實(shí)際。”

該款新硬件包括軟件部分，允許用戶以高度概括性語(yǔ)言描述他們希望進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。軟件自動(dòng)計(jì)算液滴在整個(gè)表面的路徑，并協(xié)調(diào)后續(xù)操作的時(shí)間。

“操作者可以指定實(shí)驗(yàn)的需求，例如，試劑A和試劑B需要混合并‘培養(yǎng)’一段時(shí)間，然后與試劑C混合。操作員不需要指定液滴如何流動(dòng)或在哪里進(jìn)行混合，這一切都由軟件預(yù)先計(jì)算完成。”

Umapathi和他的共同研究者——麻省理工學(xué)院Jerome B. Wiesner媒體藝術(shù)和科學(xué)學(xué)院教授Hiroshi Ishii，在Ishii實(shí)驗(yàn)室工作的本科生Patrick Shin和Dimitris Koutentakis，以及該實(shí)驗(yàn)室的韋爾斯利學(xué)院本科生Sam Gen Chin，在本月出版的在線雜志《MRS Advances》上，以論文形式描述了他們的創(chuàng)新硬件。

在過(guò)去的十年里，其它研究小組已經(jīng)嘗試過(guò)用“數(shù)字微流控”，或電動(dòng)液滴操縱來(lái)進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn)。但是他們的芯片通常使用高端刻蝕技術(shù)制作而成，這種技術(shù)需要進(jìn)行環(huán)境控制，達(dá)到無(wú)塵室級(jí)別。Umapathi和他同事專注于降低成本。他們的硬件樣品使用了一塊印刷電路板，這是一種商品市場(chǎng)上可以購(gòu)買到的電子器件，由塑料板組成，上面布置有銅線。

研究人員的首要技術(shù)挑戰(zhàn)是為印刷電路板的表面設(shè)計(jì)一個(gè)減少摩擦的涂層，使液滴能夠滑過(guò)，此舉能防止生物或者化學(xué)分子黏附，這樣它們就不會(huì)污染后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。印刷電路板采用電級(jí)陣列圖案化。在樣品中，研究人員將更密集的微小球體陣列涂在板子上，這些球體只有1微米高，由疏水(防水)材料制作而成。液滴滑過(guò)球體頂部。研究人員也試驗(yàn)了球體以外的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在特定生物材料中效果更好。

由于該裝置的表面是疏水性的，因此沉積在表面的液滴會(huì)自然呈現(xiàn)球形。充電電極將液滴往下拉，將其壓平。如果扁平液滴下方的電極逐漸關(guān)閉，旁邊的電極就會(huì)逐漸打開，疏水材料將驅(qū)動(dòng)液滴往帶電電極移動(dòng)。

移動(dòng)液滴需要高電壓，大約在95~200伏之間。麻省理工學(xué)院研究人員的帶電電極裝置在高壓、低頻(1千赫茲)信號(hào)和3.3伏、高頻(200千赫茲)信號(hào)之間，以每秒300次的頻率進(jìn)行交替。高頻信號(hào)使系統(tǒng)能夠確定液滴的位置，它所使用的技術(shù)與觸屏手機(jī)基本相同。

如果液滴移動(dòng)不夠快，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提升低頻信號(hào)的電壓。系統(tǒng)也能從傳感器信號(hào)中預(yù)估液滴的體積，與位置信息一起，幫助研究人員追蹤反應(yīng)的進(jìn)度。

Umapathi認(rèn)為，數(shù)字微流控技術(shù)能夠大大降低工業(yè)生物學(xué)中常用實(shí)驗(yàn)程序的成本。例如，制藥公司會(huì)頻繁地進(jìn)行多個(gè)并行的實(shí)驗(yàn)，需要用到配備有數(shù)十，甚至數(shù)百移液器的機(jī)器人，以及非常像加長(zhǎng)滴管的小測(cè)量管。

Umapathi提出，“如果你去了解一家藥物開發(fā)公司，一臺(tái)移液機(jī)器人一周內(nèi)將使用一百萬(wàn)個(gè)移液器吸頭，這也將轉(zhuǎn)化為新藥開發(fā)成本的一部分。我正在開發(fā)一些液體分析方法，可以將移液操作次數(shù)減少100倍。”