目前，微流控技術(shù)在分子生物學(xué)、合成化學(xué)、診斷學(xué)和組織工程等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，微流控技術(shù)一直迫切需要能夠?qū)崿F(xiàn)以電子電路的精度、模塊化且可擴(kuò)展地操縱流體和懸浮物。正如電子晶體管使電子芯片上的電力自動(dòng)控制取得了前所未有的進(jìn)步一樣，與晶體管類似的微流控元件也可以改善對(duì)微流控芯片上的試劑、液滴和單一細(xì)胞的自動(dòng)控制。以往的研究已經(jīng)構(gòu)建出了一種類似于電子晶體管的微流控元件，但其并不能重現(xiàn)電子晶體管的飽和狀態(tài)，也不能實(shí)現(xiàn)比例放大，而這是現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決上述挑戰(zhàn)，來(lái)自美國(guó)麻省總醫(yī)院（Massachusetts General Hospital）的研究人員利用流體的流動(dòng)限制現(xiàn)象開發(fā)出了一種能夠比例放大的微流控元件，其流量壓力特性完全類似于電子晶體管的電流電壓特性。由于該元件在流體領(lǐng)域重現(xiàn)了電子晶體管的所有工作狀態(tài)（線性、截止和飽和），因此被稱為微流控晶體管。研究結(jié)果表明，這種單一元件能夠?qū)⑺腥N基本晶體管電路拓?fù)浜痛罅康慕?jīng)典電子模塊一對(duì)一轉(zhuǎn)換到微流控領(lǐng)域，包括放大器、調(diào)節(jié)器、電平轉(zhuǎn)換器、與非（NAND）門和設(shè)置-復(fù)位（SR）鎖存器。此外，這些電路模塊可以在沒(méi)有外部控制器的情況下處理芯片上的流體信號(hào)。相關(guān)研究成果近期以“A microfluidic transistor for automatic control of liquids”為題發(fā)表在Nature期刊上。

如圖1a所示，這種微流控晶體管整體是利用彈性體和標(biāo)準(zhǔn)軟光刻工藝制備而成，其由兩個(gè)被可變形膜隔開的交叉流體通道組成。當(dāng)源極和漏極之間存在壓力差（PSD）時(shí)，交叉流體通道之間的膜就會(huì)變形。利用精心選擇的幾何結(jié)構(gòu)，這種自變形可以以一種特殊的非線性方式限制通過(guò)漏極的體積流量（Q），這一效應(yīng)被稱為流量限制，這是晶體管放大能力的關(guān)鍵。這種流量限制效應(yīng)的程度可以通過(guò)在柵極和源極之間施加壓力（PGS）來(lái)調(diào)節(jié)。

圖1 類似于電子晶體管，彈性微流控通道表現(xiàn)出基于壓力控制的流量限制效應(yīng)

圖2 基于微流控晶體管的電路重現(xiàn)了關(guān)鍵電子電路的工作狀態(tài)

隨后，研究人員演示了如何將圖2中的電子模塊級(jí)聯(lián)在一起以形成更復(fù)雜的電路。如圖3a、3b所示，該研究描述了一個(gè)序列延遲計(jì)時(shí)器，它可以用來(lái)計(jì)時(shí)序列流體事件。這種序列延遲計(jì)時(shí)器是由一系列被低通濾波器分隔的逆變器級(jí)聯(lián)而成的。每個(gè)逆變器由單輸入放大器和電平轉(zhuǎn)換器模塊組成。在激活隨后的逆變器之前，階躍信號(hào)（起始）被第一低通濾波器延遲固定的時(shí)間段。隨后，階躍信號(hào)將移動(dòng)到下一個(gè)低通濾波器，并再次產(chǎn)生固定延遲，并且根據(jù)應(yīng)用所需，階躍信號(hào)被逐步地以盡可能多的步驟進(jìn)行傳播。每個(gè)步驟之間的時(shí)間間隔可以通過(guò)改變逆變器前濾波器的電阻或電容來(lái)調(diào)整。圖3b顯示了流體計(jì)時(shí)器以不同的計(jì)時(shí)間隔依次計(jì)時(shí)出五個(gè)事件的過(guò)程。所顯示的數(shù)據(jù)是利用該電路進(jìn)行的三次試驗(yàn)的疊加，展示了多次試驗(yàn)中定時(shí)間隔的良好重復(fù)性。

最后，研究人員將基于晶體管的電路的信號(hào)處理能力與微流控捕獲通道的物理樣品操縱能力相結(jié)合，創(chuàng)建了一個(gè)自動(dòng)化粒子分配器。作為概念驗(yàn)證，該分配器展示了其作為一個(gè)完全自動(dòng)化的芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的潛力，可以使用流體控制器電路來(lái)檢測(cè)、操縱和處理單一物理樣品。

圖3 微流控晶體管可以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)操作，并通過(guò)構(gòu)建智能分配器電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化單粒子操縱

綜上所述，該研究開發(fā)的微流控晶體管能夠在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高固有增益的比例放大?；谖⒘骺鼐w管的電路功能不需要任何外部的氣動(dòng)、電子或光學(xué)控制。展望未來(lái)，基于微流控晶體管的電路既能處理流體信號(hào)，又能根據(jù)這些信號(hào)自動(dòng)控制單個(gè)粒子，這將拓展電子電路設(shè)計(jì)的廣度和深度，從而解決微流控芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的自動(dòng)控制問(wèn)題。







審核編輯：劉清