复旦大学Nature革新之举：光控微流体新技术！（附央视报道视频）

xiiluu 8年前 (2016-09-10) 7583浏览

【引言】

无论是科学研究还是在实际应用领域中，操纵微量液体以进行生化反应和基础研究分析都具有十分重要的意义。由于能够提供非接触式的空间与时间控制，由光驱动的，特别是由光诱导的毛细力引发的液体操纵具有重要意义。然而，现有的光驱动技术由于在液体运动中受到接触线钉扎效应的阻碍，其应用十分有限。从光能到液体运动的转换通常要借助于光学力（通过放射压和光镊子）、电驱动光调制（光电湿润和光控点渗流）或光诱导的毛细力。光诱导毛细力产生于可湿性梯度和马朗戈尼效应，与前两种相比，此种转换方式既不需要特殊的光学设备也没有复杂的微制备步骤。但是，可湿性梯度产生的毛细力很小，不能克服接触线钉扎效应，所以只有极个别的液体可以且只能在线性轨道中与运动，而且还存在位移距离短、速度慢等不足。此外，利用光诱导马朗戈尼效应需要局部加热或添加光敏性表面活性剂，其所产生的样品污染十分不利于生化领域的应用。

【成果简介】

近日，复旦大学俞燕蕾团队报道了一种新型的光控微型驱动器，实现了对液体的非接触的实时控制。作者从血管壁的构造中获得灵感，采用了光致形变的交联液晶聚合物制备出了管状微型驱动器（TMAs）。这种TMAs提供了一种概念性的新方法：借助光诱导非对称形变产生的毛细力来推动液体，该方法既不依靠湿润性梯度也不需要马朗戈尼效应。它能够利用光控使多相液体混合、液体对微球的捕获甚至是液体爬坡。这种微尺度下的光诱导液体混合和微球的捕获和移动能够极大地简化微流体设备。该微型驱动器可被制备成多种形状（直线形、‘Y’形、蛇形或螺旋形）。无论何种形状，该微型驱动器均能推动非极性乃至极性液体移动，可应用的液体类型十分宽广（包括硅油、己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醇和水），此外还包括一部分复合流体（如乳液、液体-固液混合物甚至是汽油等）以及牛血清蛋白、磷酸盐缓冲溶液、细胞培养介质和细胞分散液等。因此，这种光致形变的TMAs能够广泛应用在微反应器、芯片实验室和微光机系统领域中。

【图文导读】

图1 管状微型驱动器（TMAs）的设计

如图1a和1b所示，在强度呈梯度分布的衰减光的驱动下，液塞流动在TMA中进行。图1c展示的是血管壁的基本结构，包括肌肉层和弹性层，作者以此为启发，制备出了结构如图1d所示的线性液晶聚合物LLCP。

图2 线性液晶聚合物（LLCP）的结构和自支撑TMAs照片

从图2a,b的透射电竞中可以看出LLCP呈层状结构。图2c为LLCP片的堆叠结构示意图，聚芳酯液晶基元自组装为近晶相。图d为TMA的三种自支撑结构，从左往右分别为直线形、蛇形和螺旋形。

图3 液塞的光控流动

从图3a中可以看出，该TMA的也可使两相流体产生光控移动。图3b展示的是光控乳液运输，将菜籽油液塞分散于硅油当中。图3c表明，TMA中光诱导产生的涡环流能够极大地提升二苯甲酮在乙醇中的分散性。而图3d中展示了借助于TMA的光诱导形变，硅油液塞能够有效地捕捉和传递聚乙烯微球（0.43mm）。

图4 TMA的光致形变机理和光诱导液体运动速率

从图4a中可以看出，在入射角为θ非偏振蓝光照射下，含有偶氮苯的液晶体系中的聚芳醚会产生再取向；图4b表明，在470 nm非偏振光的照射下，TMA截面除聚芳醚的再取向会使TMA壁变薄，直径变长；图4c显示，在衰减光的照射下，TMA 的截面积随光强的增加而增加，这正是由于光照产生的液晶再取向造成的。图4d表明，此光诱导运动在循环多次后仍保持很好的重复性；图4e显示出，在光诱导下产生形变后的TMA变为类圆锥结构。而图4f比较了三种不同液体的光诱导运动速率，发现己烷的运动速率最高。图4g表明改变驱动光的强度也可控制液塞的移动速度。

图5 在直线型(a)、蛇形(b)、螺旋形(c)和‘Y’形(d)TMA中的光驱动液体操纵