西南科大微纳仿生系统与智能化团队《ACS AMI》：一种用于微样分析的仿生微滴操控器

细菌和流行病不可避免的爆发，使得对高效微流控和低消耗剂量的新型诊断芯片的需求日益增加。现有的酶联免疫吸附法、聚合酶链反应法和重组酶聚合酶链反应法等一系列检测技术已被应用于临床诊断。然而，尽管这些方法具有较高的精度和灵敏度，但由于过程耗时、仪器复杂昂贵和非智能的液滴操控等缺点，限制了在偏远地区或特定场景的广泛应用。此外，这些方法通常需要较大的检测体积和繁琐的室温操作，难以满足对便携式和微量检测的需求。微量检测或分析主要是利用10-100 μL的待测样品进行筛选或检测，受采集策略和试验剂量的影响。另外，离散的微液滴还可作为隔离容器，对化学试剂、生物化合物、微生物等有效载荷进行精确计量，具有重要研究意义。然而，微液滴检测还存在一些局限性，如缺乏微液滴的定量采集和精确控制。幸运的是，具有特殊湿性表面的微液滴控制对于上述问题的解决有很大希望，因为它可以智能操控液滴的体积和运动状态。例如，自驱动液滴检测、基于磁场、光电或光电效应和温度响应的润滑油注入表面（LIS）检测。这些基于液滴操控的检测，具有剂量小、可控、操作方便等优点。然而，LIS诊断往往需要笨重、昂贵的仪器和严格的环境条件。此外，自驱动结构难以实现对液滴的智能操控。另外，用于水雾收集或乳液分离的一维结构（蜘蛛丝和仙人掌刺）相比于用于液滴操控的二维结构在某些情况下是有限的。因此，开发一种新的微量取样或微量分析策略来解决当前检测技术所遇到的局限性是迫切需要的。

近日，受仙人掌刺形状梯度和猪笼草光滑表面的启发，西南科技大学李国强教授领衔的微纳仿生系统与智能化团队与天津大学化工学院的曹墨源团队合作，开发设计了一种基于自推进和电刺激协同的用于微样分析的液滴操控器（SES-SDM）。评审人高度评价本工作，认为该项工作通过巧妙的结构和功能设计，制备了一个可原位电控液滴和微检测装置，表现出良好的液滴滑落/钉扎以及表面微流体控制性，想法很新颖。该项成果以“Self-Propelled and Electrobraking Synergetic Liquid Manipulator toward Microsampling and Bioanalysis”为题发表在国际著名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，团队的2018级机械工程专业硕士生方佳浩和张亚斌教授为共同一作，通讯作者为李国强教授、曹墨源副研究员、钟良教授。

受仙人掌尖刺通过结构梯度实现高效水雾收集的启发，基于猪笼草光滑表面对液滴的排斥性，利用飞秒激光微纳精密制造技术制备了光滑的多微碗楔形衬底并采用在外加超低电压刺激下，实现了对多流态液滴的自驱动和电制动协同控制以及对微样的分析与检测。

通过在楔形结构表面构建出具有多微碗结构的超亲水界面，并将其表面功能化和注入润滑液体，在外加低电压条件下，作者构建了依靠拉普拉斯压力差驱动和电压提供的静电力制动的高效协同微液滴操控。另外，对微结构的参数、表面润湿性、润滑油以及电制动液滴的影响因素进行了对比实验，并得出最佳参数区间。

此外，在对影响微液滴操控的参数研究基础上，优化了基于液滴自驱动与电压控制的协同操控理论模型，并总结了相关机理。

得益于液滴操控器件的巧妙设计与便携性，研究者将多个液滴操控器装置组合安装后，构建了基于十字轨道的高效微样分析与检测系统。此外，在不同环境温度下（常温与-5℃）以及利用实际环境中的湖水液滴进行了微样分析与检测实验，展现了该装置的可组合性、便携性以及实际条件中的微样检测实用性。

小结

综上所述，通过结合仙人掌形状特征和猪笼草光滑表面特性的启发，制备了用于微分析的自推进与电刺激协同的液滴控制器。在楔形衬底、微纳米结构以及电响应的协同作用下，SES-SDM可以实现对液滴的自发和可控地操作。此外，SES-SDM可在5 μL的微滴下进行微采样、微反应和低温分析，为低温保存生物样品提供了新思路。更重要的是，SES-SDM通过自推进和电制动的配合，实现了对过量重金属的实时、便捷检测。这项工作为在恶劣环境下的协同操作和微生物分析提供了新的策略。

参考文献

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.

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