近日，浙江工业大学机械工程学院胡艳军教授和焦龙副教授团队，通过多种仿生技术和巧妙的表面微纳结构设计，解决了液滴微流控芯片中微小液滴蒸发导致的检测失效这一瓶颈问题。
他们将体积为微升或纳升级的液滴作为载体，利用表面的特殊浸润性或外部刺激（光、声、磁、电等）实现液滴的操控并完成特定的功能，借此可以制备液滴微流控芯片。受纳米布沙漠甲虫在沙漠中用异质图案化背部角质层收集水雾的启发，在人工异质图案化表面上创建具有预设几何形状和体积的液滴阵列，逐渐发展成为一种性能卓越的液滴微流控芯片，可以实现高通量、可编程的液滴试剂处理。该表面上，超疏水（SHB surface）或超双疏（同时具有超疏水性和超疏油性，SAB surface）背景区域的液滴驱避性，以及亲水（SHL surface）或两亲性（SAL surface）区域的液滴锚定性可以有机结合，发挥出组合优势。基于图案化表面的液滴微流控芯片，具备批量化反应/检测响应迅速、所需试剂量小、结构紧凑、集成化程度高等优势，对于分析平台的并行化和微小型化具有重要意义，在污染物识别、微环境模拟、COVID-19等病毒初筛和研究、合成化学等领域具有广阔的应用前景。然而，该技术面临的难点问题是液滴蒸发制约了反应/检测的时效和精度。液滴会向周边空气环境中不断蒸发，从而引起试剂质量快速损失、浓度失真、生物质失活和检测失效等问题。如何获得相互独立、没有交叉污染风险的液滴阵列，同时避免液滴快速蒸发造成的靶标物质浓度偏离和反应/检测失效，依旧具有相当大的挑战性。一些反应如荧光测试、基因芯片中的DNA探针，以及用于色谱-质谱仪的液体收集，需要独立的反应试剂操控和精确的试剂浓度控制。以往方案比如增加专用设备或将整个装置浸入油池，会严重增加系统复杂性或导致交叉污染。受马赛克壁画艺术理念的启发，该团队提出了一种新策略：通过制造马赛克图案化表面，提供相互独立的油滴和超两亲性气体阻隔模块（SAL gasproof layer），以获得难挥发的胶囊液滴阵列。马赛克图案化表面结合了具有不同润湿性和微介观结构的基底材料，其概念类似于马赛克壁画，即通过小块基础单元的拼接获得整体的卓越功能。在胶囊液滴阵列中，每个液滴作为一个被空气分离的单元，避免了交叉污染。胶囊液滴的蒸发抑制效率，比普通液滴提升了1700多倍。该工作中，这种马赛克图案表面芯片被成功用于检测有害金属离子（Ni²⁺）和分装存储COVID-19抗原试剂，可以启发更集成和更高效的功能表面以及新一代开放表面液滴微流控芯片的设计。
近日，相关论文以“Mosaic Patterned Surfaces toward Generating Hardly-Volatile Capsular Droplet Arrays for High-Precision Droplet-Based Storage and Detection”为题发表在Small上。
图 | 相关论文（来源：Small ）
焦龙为第一作者，浙江工业大学机械工程学院胡艳军教授和大连理工大学能源与动力工程学院李林副教授为共同通讯作者。图 | 从左到右：浙江工业大学机械工程学院胡艳军教授和焦龙副教授（来源：资料图）
在该研究的早期阶段，他们总结了领域内需要解决的重要问题，即表面上液滴的快速蒸发导致的反应/检测失效。结合研究团队的积淀和优势，他们想到通过新型图案化表面，获得被油滴防护层包裹的液滴阵列以解决上述问题，并通过查阅资料和分析整理提出了初步设计方案。
其次，在实验阶段，该团队发现最初的实验结果与预想结果相去甚远，并出现了一些意想不到的界面现象和技术难点。即使液滴完全被上部的油滴包裹，其蒸发速度依然较快，在2-3天内就会完全蒸发。通过与油池中的液滴蒸发现象进行对比，课题组分析可能是底部微纳结构中残留的气体通道导致了液滴的蒸发。但是，这一现象从未被深入研究过，因此很难从已有论文中获得直接的解释和证明。为此他们抱着大胆猜想、小心求证的心态，通过多种对比实验和微纳表征技术，发现液滴底部界面存在比气液界面低一个数量级的微弱蒸发，从而证明液滴周边的气泡正是蒸汽在表面部分微纳区域聚集的结果。然而，找不到解决这一问题的方法，导致这项工作再次陷入停顿。在一次偶然机会中，该团队与国际学术会议参会人员交流起了各国的绘画艺术。受到马赛克壁画的启发，他们想到了传统表面均属于一体化基底结构，这种基底材料和介观拓扑结构的单一性，极大制约了表面功能的进一步丰富和完善。因此，课题组提出构建新型马赛克图案化表面芯片，来解决液滴底部界面的蒸发问题。在预实验中他们发现，马赛克图案化表面上胶囊液滴的蒸发抑制效果比普通液滴高近1700倍，比非马赛克图案化表面上的油层包裹液滴高近40倍。这一性能飞跃不仅进一步证明了该团队对于微纳孔隙中润湿和蒸发机理的猜想，也为设计制造新型的功能表面提供了新思路。于是，他们设计了一个切实可行的实验方案，进行了细致、详实的研究和结果分析。同时，该团队还多次请教相关领域的专家，依据对方意见丰富表征手段、加强理论分析环节、以及提炼概念的创新性和意义，让研究成果能以更好的形式呈现。最后，依据期刊提出的修改意见，对论文中的相关内容进行了细致的修改。事实上，在最初的工作中，课题组专注于润湿现象和理论分析，对应用部分的呈现不够重视。而依托研究团队的交叉学科背景，他们在论文修改阶段加强了应用部分的比重。利用马赛克图案化表面芯片上的显色反应，研究人员实现了重金属离子污染物的精确检测，并通过图像处理软件提取了量化指标，为将来进一步将液滴微流控芯片与手机、电脑等个人终端设备相结合构建微型反应/检测平台提供了方案。而结合当时COVID-19大流行的背景，他们将胶体金法抗原检测技术结合到马赛克图案化表面芯片上，验证了利用这种新型液滴微流控技术搭建微型病毒诊断和研究平台的可行性。液滴微流控技术，是极具潜力的新型反应/检测技术。该成果提出的马赛克图案化表面芯片，拓展了表面设计的边界，解决了传统开放表面液滴蒸发导致的检测失效这一难题，为新型高性能液滴微反应器设计制造及其在高精度、批量化、可长期保存的病毒和微量污染物检测等领域的利用提供了新的技术方法。在COVID-19大流行中，病毒检测需要多种生化试剂的添加和反应，并需要指定的温度、浓度等条件。该工作提出的马赛克图案化表面芯片，有望构建高性能的微量试剂智能化检测平台，完成病毒诊断和药物效果测试等。作为病毒临床诊断“金标准”的PCR检测技术、以及快捷方便适合家庭等小单位使用的胶体金法病毒抗原检测技术等，均可集成至马赛克图案化表面芯片中，从而有望制造出占用面积仅数平方厘米的“微型诊疗室”或“微型医院”。
此外，当下人们对生态环境保护越来越重视，针对全球工业化的推进和环境污染物的排放，马赛克图案化表面芯片有望制造针对多种水溶性污染物的微型检测平台。即通过显色反应、荧光反应等，得到污染物浓度检测结果，将以往需要色谱仪等大型专用设备才能完成的污染物分析，集成到一个非专业人士即可操纵的微小型装置中。同时，液滴微流控技术中一些重要问题的突破，依赖于多学科的深度交叉融合和优势互补。因此，该团队期望依托浙江工业大学机械工程学院科研平台，和其他学院、高校、公司开展合作，通过多学科交叉解决更多难点问题，构建全周期的技术体系。未来，胡艳军教授和焦龙副教授课题组将聚焦于整合前端的先进微纳制造技术和后端的高精度检测、分析和合成技术，以期制备出性能卓越、实用性强、操作简单的新型液滴反应/分析平台。https://doi.org/10.1002/smll.202206274延伸阅读：
《微流控初创公司调研》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
