用于可重寫芯片上實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的聲波傳輸水滴

杜克大學(xué)(Duke University)的工程師展示了一種多功能微流體芯片實(shí)驗(yàn)室，它利用聲波在石油中創(chuàng)建隧道，以非接觸式操作和運(yùn)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(xué)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?yàn)室研究成為可能。

杜克大學(xué)機(jī)械工程和材料科學(xué)William Bevan杰出教授Tony Jun Huang說:“我們的新系統(tǒng)實(shí)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(shí)控制更多的液滴。”

自動(dòng)化液體處理已經(jīng)推動(dòng)了許多科學(xué)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(xué)研究和制藥工業(yè)中無處不在，但這些系統(tǒng)體積龐大，價(jià)格昂貴，而且不能很好地處理小體積的液體。

芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)已經(jīng)能夠在一定程度上填補(bǔ)這一空間，但大多數(shù)系統(tǒng)都受到一個(gè)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(yùn)輸過程中不可避免地會(huì)留下可能導(dǎo)致污染的痕跡。

這個(gè)新的芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)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(dāng)電流通過壓電換能器時(shí)，壓電換能器的網(wǎng)格就會(huì)振動(dòng)。就像低音炮的表面一樣，這些振動(dòng)在其上方的薄油層中產(chǎn)生聲波。

當(dāng)聲波從芯片的頂部和底部反彈時(shí)，以及它們相互碰撞時(shí)，就會(huì)形成復(fù)雜的圖案。通過精心設(shè)計(jì)傳感器的設(shè)計(jì)，并控制引起波的振動(dòng)頻率和強(qiáng)度，研究人員能夠創(chuàng)造漩渦，當(dāng)這些漩渦結(jié)合在一起時(shí)，就能形成隧道，沿著設(shè)備表面的任何方向推動(dòng)和拉動(dòng)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?！薄芭c我們之前的系統(tǒng)相比，這是一個(gè)很大的進(jìn)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(gè)軸上流過。”

幫助黃創(chuàng)建這一升級(jí)系統(tǒng)的是杜克大學(xué)約翰?科克(John Cocke)電子與計(jì)算機(jī)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(jì)了新芯片實(shí)驗(yàn)室演示的核心電子器件，并極大地升級(jí)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(gè)軸移動(dòng)液滴，同時(shí)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(shí)控制8個(gè)液滴。通過在裝置中引入一個(gè)微控制器，研究人員能夠?qū)Υ蟛糠忠旱芜\(yùn)動(dòng)進(jìn)行編程和自動(dòng)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(gè)實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)液滴在一個(gè)正方形的表面迅速旋轉(zhuǎn)。另一些實(shí)驗(yàn)則顯示液滴到達(dá)一個(gè)“T”十字路口，然后向左或向右轉(zhuǎn)，以及一個(gè)“邏輯門”的創(chuàng)建，這個(gè)“邏輯門”既可以中斷液滴沿著走廊的運(yùn)動(dòng)，也可以允許它通過走廊。

以類似于計(jì)算機(jī)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)規(guī)劃。”“我們還計(jì)劃整合無需接觸液滴就能將液滴一分為二的能力。”