用于可重寫芯片上實驗室設(shè)備的聲波傳輸水滴

杜克大學(Duke University)的工程師展示了一種多功能微流體芯片實驗室，它利用聲波在石油中創(chuàng)建隧道，以非接觸式操作和運輸液滴。該技術(shù)可以形成一種小型、可編程、可重寫的生物醫(yī)學芯片的基礎(chǔ)，這種芯片可以完全重復(fù)使用，使現(xiàn)場診斷或?qū)嶒炇已芯砍蔀榭赡堋?/p>

杜克大學機械工程和材料科學William Bevan杰出教授Tony Jun Huang說:“我們的新系統(tǒng)實現(xiàn)了液滴的可重寫路由、分類和澆門，外部控制最小，這是液滴數(shù)字邏輯控制的基本功能?！薄芭c以前的系統(tǒng)相比，我們用更少的能源和更簡單的裝置可以同時控制更多的液滴。”

自動化液體處理已經(jīng)推動了許多科學領(lǐng)域的發(fā)展，如臨床診斷和大規(guī)?；衔锖Y選。雖然在現(xiàn)代生物醫(yī)學研究和制藥工業(yè)中無處不在，但這些系統(tǒng)體積龐大，價格昂貴，而且不能很好地處理小體積的液體。

芯片實驗室系統(tǒng)已經(jīng)能夠在一定程度上填補這一空間，但大多數(shù)系統(tǒng)都受到一個主要的拉回表面吸收的阻礙。由于這些設(shè)備依賴于固體表面，樣品在運輸過程中不可避免地會留下可能導致污染的痕跡。

這個新的芯片實驗室平臺使用了一層薄薄的惰性不溶性油來防止液滴自身留下任何痕跡。就在油的下方，當電流通過壓電換能器時，壓電換能器的網(wǎng)格就會振動。就像低音炮的表面一樣，這些振動在其上方的薄油層中產(chǎn)生聲波。

當聲波從芯片的頂部和底部反彈時，以及它們相互碰撞時，就會形成復(fù)雜的圖案。通過精心設(shè)計傳感器的設(shè)計，并控制引起波的振動頻率和強度，研究人員能夠創(chuàng)造漩渦，當這些漩渦結(jié)合在一起時，就能形成隧道，沿著設(shè)備表面的任何方向推動和拉動水滴。

黃說:“新系統(tǒng)采用雙模換能器，可以根據(jù)兩種不同的流模式，沿x軸或y軸輸送液滴。”“與我們之前的系統(tǒng)相比，這是一個很大的進步。我們之前的系統(tǒng)只是在油中創(chuàng)建了一系列凹痕，讓油滴在一個軸上流過。”

幫助黃創(chuàng)建這一升級系統(tǒng)的是杜克大學約翰?科克(John Cocke)電子與計算機工程杰出教授克里希內(nèi)杜?查克拉巴蒂(Krishnendu Chakrabarty)和他的博士生鐘zhanwei Zhong。這兩人幫助設(shè)計了新芯片實驗室演示的核心電子器件，并極大地升級和縮小了系統(tǒng)中使用的電線連接、控制器和其他硬件。

通過使用雙模傳感器，研究人員能夠沿著兩個軸移動液滴，同時將電子器件的復(fù)雜性降低四倍。他們還能將傳感器的工作電壓降低3 - 7倍，使其能夠同時控制8個液滴。通過在裝置中引入一個微控制器，研究人員能夠?qū)Υ蟛糠忠旱芜\動進行編程和自動化。

研究人員在一系列視頻中展示了他們的新設(shè)備的能力。在其中一個實驗中，一個液滴在一個正方形的表面迅速旋轉(zhuǎn)。另一些實驗則顯示液滴到達一個“T”十字路口，然后向左或向右轉(zhuǎn)，以及一個“邏輯門”的創(chuàng)建，這個“邏輯門”既可以中斷液滴沿著走廊的運動，也可以允許它通過走廊。

以類似于計算機芯片上的邏輯系統(tǒng)的方式來控制液滴的能力，在各種臨床和研究程序中都是必不可少的。

黃說:“我們的下一步是將Chakrabarty教授團隊設(shè)計的微型射頻電源和控制板結(jié)合起來，用于大規(guī)模集成和動態(tài)規(guī)劃?！薄拔覀冞€計劃整合無需接觸液滴就能將液滴一分為二的能力。”