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  細(xì)菌和流行病不可避免的爆發(fā)，使得對(duì)高效微流控和低消耗劑量的新型診斷芯片的需求日益增加。現(xiàn)有的酶聯(lián)免疫吸附法、聚合酶鏈反應(yīng)法和重組酶聚合酶鏈反應(yīng)法等一系列檢測(cè)技術(shù)已被應(yīng)用于臨床診斷。然而，盡管這些方法具有較高的精度和靈敏度，但由于過程耗時(shí)、儀器復(fù)雜昂貴和非智能的液滴操控等缺點(diǎn)，限制了在偏遠(yuǎn)地區(qū)或特定場(chǎng)景的廣泛應(yīng)用。此外，這些方法通常需要較大的檢測(cè)體積和繁瑣的室溫操作，難以滿足對(duì)便攜式和微量檢測(cè)的需求。微量檢測(cè)或分析主要是利用10-100 μL的待測(cè)樣品進(jìn)行篩選或檢測(cè)，受采集策略和試驗(yàn)劑量的影響。另外，離散的微液滴還可作為隔離容器，對(duì)化學(xué)試劑、生物化合物、微生物等有效載荷進(jìn)行精確計(jì)量，具有重要研究意義。然而，微液滴檢測(cè)還存在一些局限性，如缺乏微液滴的定量采集和精確控制。幸運(yùn)的是，具有特殊濕性表面的微液滴控制對(duì)于上述問題的解決有很大希望，因?yàn)樗梢灾悄懿倏匾旱蔚捏w積和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，自驅(qū)動(dòng)液滴檢測(cè)、基于磁場(chǎng)、光電或光電效應(yīng)和溫度響應(yīng)的潤(rùn)滑油注入表面（LIS）檢測(cè)。這些基于液滴操控的檢測(cè)，具有劑量小、可控、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。然而，LIS診斷往往需要笨重、昂貴的儀器和嚴(yán)格的環(huán)境條件。此外，自驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的智能操控。另外，用于水霧收集或乳液分離的一維結(jié)構(gòu)（蜘蛛絲和仙人掌刺）相比于用于液滴操控的二維結(jié)構(gòu)在某些情況下是有限的。因此，開發(fā)一種新的微量取樣或微量分析策略來解決當(dāng)前檢測(cè)技術(shù)所遇到的局限性是迫切需要的。

  近日，受仙人掌刺形狀梯度和豬籠草光滑表面的啟發(fā)，西南科技大學(xué)李國(guó)強(qiáng)教授領(lǐng)銜的微納仿生系統(tǒng)與智能化團(tuán)隊(duì)與天津大學(xué)化工學(xué)院的曹墨源團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于自推進(jìn)和電刺激協(xié)同的用于微樣分析的液滴操控器（SES-SDM）。評(píng)審人高度評(píng)價(jià)本工作，認(rèn)為該項(xiàng)工作通過巧妙的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)，制備了一個(gè)可原位電控液滴和微檢測(cè)裝置，表現(xiàn)出良好的液滴滑落/釘扎以及表面微流體控制性，想法很新穎。該項(xiàng)成果以“Self-Propelled and Electrobraking Synergetic Liquid Manipulator toward Microsampling and Bioanalysis”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，團(tuán)隊(duì)的2018級(jí)機(jī)械工程專業(yè)碩士生方佳浩和張亞斌教授為共同一作，通訊作者為李國(guó)強(qiáng)教授、曹墨源副研究員、鐘良教授。

  受仙人掌尖刺通過結(jié)構(gòu)梯度實(shí)現(xiàn)高效水霧收集的啟發(fā)，基于豬籠草光滑表面對(duì)液滴的排斥性，利用飛秒激光微納精密制造技術(shù)制備了光滑的多微碗楔形襯底并采用在外加超低電壓刺激下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多流態(tài)液滴的自驅(qū)動(dòng)和電制動(dòng)協(xié)同控制以及對(duì)微樣的分析與檢測(cè)。

  通過在楔形結(jié)構(gòu)表面構(gòu)建出具有多微碗結(jié)構(gòu)的超親水界面，并將其表面功能化和注入潤(rùn)滑液體，在外加低電壓條件下，作者構(gòu)建了依靠拉普拉斯壓力差驅(qū)動(dòng)和電壓提供的靜電力制動(dòng)的高效協(xié)同微液滴操控。另外，對(duì)微結(jié)構(gòu)的參數(shù)、表面潤(rùn)濕性、潤(rùn)滑油以及電制動(dòng)液滴的影響因素進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并得出最佳參數(shù)區(qū)間。

  此外，在對(duì)影響微液滴操控的參數(shù)研究基礎(chǔ)上，優(yōu)化了基于液滴自驅(qū)動(dòng)與電壓控制的協(xié)同操控理論模型，并總結(jié)了相關(guān)機(jī)理。

  得益于液滴操控器件的巧妙設(shè)計(jì)與便攜性，研究者將多個(gè)液滴操控器裝置組合安裝后，構(gòu)建了基于十字軌道的高效微樣分析與檢測(cè)系統(tǒng)。此外，在不同環(huán)境溫度下（常溫與-5℃）以及利用實(shí)際環(huán)境中的湖水液滴進(jìn)行了微樣分析與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，展現(xiàn)了該裝置的可組合性、便攜性以及實(shí)際條件中的微樣檢測(cè)實(shí)用性。

  綜上所述，通過結(jié)合仙人掌形狀特征和豬籠草光滑表面特性的啟發(fā)，制備了用于微分析的自推進(jìn)與電刺激協(xié)同的液滴控制器。在楔形襯底、微納米結(jié)構(gòu)以及電響應(yīng)的協(xié)同作用下，SES-SDM可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的自發(fā)和可控地操作。此外，SES-SDM可在5 μL的微滴下進(jìn)行微采樣、微反應(yīng)和低溫分析，為低溫保存生物樣品提供了新思路。更重要的是，SES-SDM通過自推進(jìn)和電制動(dòng)的配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過量重金屬的實(shí)時(shí)、便捷檢測(cè)。這項(xiàng)工作為在惡劣環(huán)境下的協(xié)同操作和微生物分析提供了新的策略。

  原文鏈接：

  Jiahao Fang, Yabin Zhang, Lin Xiao, et al. Self-Propelled and Electrobraking Synergetic Liquid Manipulator toward Microsampling and Bioanalysis. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021.

  http://dx.doi.org/10.1021/acsami.1c01494