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

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微閥連接的微通道抽吸。新方法則以計算好的程序通過電控方式移動印刷電路板上的液滴，可以使實驗更高效、更經(jīng)濟、更大規(guī)模地進行。

麻省理工學院媒體實驗室新系統(tǒng)開發(fā)負責人Udayan Umapathi指出，“傳統(tǒng)的微流控裝置會用到微通道、微閥和微泵，意味著它們都是機械式的，會時不時地出故障。三年前我就注意到這個問題，當時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械式裝置。我必須看護著這些裝置，以確保它們不會發(fā)生‘爆炸’”。

Umapathi繼續(xù)說道，“生物學正在走向越來越復雜的過程，我們需要能夠操縱越來越小液滴體積的技術。微通道、微閥和微泵很快變得復雜起來。之前我創(chuàng)建的裝置，花費了我一個星期的時間去組裝100個內(nèi)部連接。假設裝置規(guī)模從100個連接變成100萬個連接，手動組裝就變得不切實際。”

該款新硬件包括軟件部分，允許用戶以高度概括性語言描述他們希望進行的實驗。軟件自動計算液滴在整個表面的路徑，并協(xié)調(diào)后續(xù)操作的時間。

“操作者可以指定實驗的需求，例如，試劑A和試劑B需要混合并‘培養(yǎng)’一段時間，然后與試劑C混合。操作員不需要指定液滴如何流動或在哪里進行混合，這一切都由軟件預先計算完成。”

Umapathi和他的共同研究者——麻省理工學院Jerome B. Wiesner媒體藝術和科學學院教授Hiroshi Ishii，在Ishii實驗室工作的本科生Patrick Shin和Dimitris Koutentakis，以及該實驗室的韋爾斯利學院本科生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。

在過去的十年里，其它研究小組已經(jīng)嘗試過用“數(shù)字微流控”，或電動液滴操縱來進行生物實驗。但是他們的芯片通常使用高端刻蝕技術制作而成，這種技術需要進行環(huán)境控制，達到無塵室級別。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，這是一種商品市場上可以購買到的電子器件，由塑料板組成，上面布置有銅線。

研究人員的首要技術挑戰(zhàn)是為印刷電路板的表面設計一個減少摩擦的涂層，使液滴能夠滑過，此舉能防止生物或者化學分子黏附，這樣它們就不會污染后續(xù)的實驗。印刷電路板采用電級陣列圖案化。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。液滴滑過球體頂部。研究人員也試驗了球體以外的結構，這些結構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閉，旁邊的電極就會逐漸打開，疏水材料將驅動液滴往帶電電極移動。

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

如果液滴移動不夠快，系統(tǒng)會自動提升低頻信號的電壓。系統(tǒng)也能從傳感器信號中預估液滴的體積，與位置信息一起，幫助研究人員追蹤反應的進度。

Umapathi認為，數(shù)字微流控技術能夠大大降低工業(yè)生物學中常用實驗程序的成本。例如，制藥公司會頻繁地進行多個并行的實驗，需要用到配備有數(shù)十，甚至數(shù)百移液器的機器人，以及非常像加長滴管的小測量管。

Umapathi提出，“如果你去了解一家藥物開發(fā)公司，一臺移液機器人一周內(nèi)將使用一百萬個移液器吸頭，這也將轉化為新藥開發(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。”