激光诱导石墨烯基数字微流控平台，可用于低成本即时检测

MEMS 2024-06-01 00:02

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数字微流控（DMF）是一种新兴的液体处理技术，在各种生物和生物医学应用中显示出广阔的潜力。然而，传统DMF芯片的制造通常复杂、耗时且成本高昂，这严重限制了其广泛应用，特别是在即时检测（POCT）领域。尽管基于纸张或薄膜的DMF器件可以提供一种廉价且方便的替代方案，但它们仍然受到平面寻址结构的影响，因此电极数量有限。

据麦姆斯咨询报道，为解决上述问题，近期，浙江大学研究团队在Lab on a Chip期刊上发表题为“Laser-induced graphene-based digital microfluidics (gDMF): a versatile platform with sub-one-dollar cost”的论文，介绍了基于激光诱导石墨烯（LIG）的数字微流控芯片（gDMF）的开发情况。该研究提出的gDMF可以通过计算机控制的激光划线工艺轻松制成（10分钟内，环境条件下，无需昂贵的材料或洁净室的技术）。此外，平面寻址DMF（pgDMF）和垂直寻址DMF（vgDMF）都很容易实现，后者有可能提供更高的电极密度。

图1 （A）激光诱导石墨烯（LIG）制造示意图；（B）激光诱导石墨烯（LIG）的扫描电镜图像；（C）gDMF（pgDMF）平面寻址的照片和剖视图；（E）gDMF（vgDMF）垂直寻址的照片和（F）剖视图。

此外，提出的gDMF的制造成本很低，总体成本低于1美元（其中，pgDMF为0.85美元，vgDMF为0.59美元），令人印象深刻。实验还表明，pgDMF和vgDMF的性能与传统的DMF器件相当，在vgDMF上进行的比色测定证明了它们的适用性。鉴于gDMF制作简单、成本低廉、功能齐全，而且可以根据不同的应用修改电极图案，因此有理由期待所提出的gDMF可以作为POCT的多功能平台提供另一种选择。

图2 （A）pgDMF芯片制造示意图；（B）掺杂不同FAA浓度的硫醇-烯薄膜的接触角；（C）常规介电薄膜和CHD薄膜的相对介电常数比较；（D） pgDMF芯片上液滴操作的视频图像；（E）pgDMF上不同驱动电压（100 Hz）下的液滴移动速度。

图3 （A）vgDMF芯片制造示意图；（B）vgDMF芯片上液滴操作的视频图像；（C）vgDMF上不同驱动电压（100 Hz）下的液滴移动速度。

图4 gDMF器件的应用

综上所述，本文报告了一种基于激光诱导石墨烯（LIG）的DMF器件（gDMF），该器件具有以下显著优势：加工方法简单（计算机控制的激光划线）、易于实现的条件（环境、无需昂贵的材料或洁净室的技术）和较短的制造时间（10分钟内）。此外，平面寻址和垂直寻址DMF（pgDMF和vgDMF）均可轻松实现，电极图案可在需要时轻松更改，因此在各种应用中都具有很高的灵活性。拟议的gDMF还具有令人印象深刻的低于1美元的低成本（pgDMF为0.85美元，vgDMF为0.59美元），而且液滴操作性能经证明与传统芯片相当，满足了DMF技术对功能性和经济性的要求。

因此，我们有理由相信，gDMF可能会在生物和生物医学领域得到广泛应用，尤其是作为经济型一次性消耗品应用于POCT领域。不过，在实际应用之前，仍有一些挑战有待解决，例如更高效的激光划线、批量生产以及LIG图案的多种材料选择，以适应各种情况。此外，各种POCT应用（如检测核酸、蛋白质检测和细胞分析）仍有待在gDMF上开发。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D4LC00258J

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《石墨烯市场和二维材料评估-2022版》