基于TFT电润湿微流控的液滴阵列生物芯片技术研究

Miniaturization and multifunctional integration is the trend of biochips. Fluid is one of the states and commonly used as a substrate medium for many studies in chemistry, biology and optics. Microfluidic controllability is one of the key factors of biochips. Electrowetting can manipulate microfluidic cells via electrical field which size is in the range of micrometer and minimeter, switching speed of ms and flow speed of cm/s. It has been recommended as one of the most suitable principles for microdroplets arrays. However, the bottleneck of this technology is the high throughput control backplane end. According to this, in this project we propose to make use of the active matrix thin film transistor (AM-TFT) as the high efficient backplane and control end for electrowetting. Taking the advantages of these two technologies, the project is to study and achieve high throughput and miniaturized multifunctional microdroplets arrays. The experiments will include: (1) To electrowetting, study the insulation and integrity of dielectric materials and coating method; the wettability, surface coating and patterning of hydrophobic materials; the interfacial properties of fluids and electrowetting managements. (2) To TFT, study their materials and structures, the method of connection to front-plane and driving waveforms. (3) To the device, study its function, integration and control speed. In the end, based on the individual results, to achieve a TFT-based electrowetting microdroplets array device. This project belongs to a multidisciplinary field, its achievements will support and promote microfluidic biochip applications and industrialization.

微型化和集成化是生物芯片技术的发展趋势。流体是物质的一种存在状态和介质，流体单元的操控是生物芯片技术关键之一。电润湿利用电场控制微流体单元，其大小毫微米级，开关速度毫秒级，流速可达厘米/秒，非常适用于微阵列生物芯片技术，目前限制该技术的瓶颈是高通量电子控制端。针对于此，本项目提出利用有源矩阵薄膜晶体管作为电润湿的背板和驱动,结合两者优势，研究高通量和微型化的微液滴阵列新型生物芯片技术。具体开展以下研究：(1)针对电润湿，研究绝缘材料的介电性和致密性，疏水材料的润湿性、表面改性和微图形化，流体材料微观界面性质和传输性；(2)针对TFT背板研究其材料和结构，与前板连接方法和控制波形；(3)针对微液滴阵列研究器件的功能性，集成度和控制速度等。最终,在单元技术研究的基础上，研发一种基于TFT背板的电润湿微液滴阵列生物芯片器件。该研究课题属于一种新型的交叉学科，将会促进微流控生物芯片的应用和推广。

本项目基于有源矩阵薄膜晶体管作为背板，驱动基于电润湿原理的微液滴阵列，结合阵列化的薄膜晶体管和电润湿数字微流控原理，研究高通量和微型化的微液滴阵列技术，并应用于生物芯片技术中。主要研究内容包括：（1）针对电润湿，研究绝缘材料的介电性和致密性，疏水材料的润湿性、表面改性和微图形化，流体材料微观界面性质和传输性；（2）针对TFT背板研究其材料和结构与前板连接方法和控制波形；（3）针对微液滴阵列研究器件的功能性，集成度和控制速度等。.通过项目负责及其课题组的努力，超额完成任务，已经发表相关论文20篇，授权专利10件，参加国内外会议14次，培养人才10名。目前已经取得的重要结果和关键数据包括：.（1）电润湿数字微流控材料方面，以基于氟化聚合物的膜材料液体填充方式作为基材，实现稳定可靠的电润湿器件，对于油包水滴系统，可实现连续、可逆、多次液滴移动、融合、混合和反应，接触角可逆范围110-45°，移动速度达到80mm/s，可连续1000次来回运动，放置3个月后再使用，无明显衰减。.（2）电润湿数字微流控材料方面，通过复合离子凝胶/特氟龙层作为电润湿器件的介电疏水层，采用PCB作为驱动背板，实现厚膜下的低驱动电压，可以在30V电压下驱动液滴在10微米介电疏水层上运动，最大速度可以达到60mm/s。.（3）在国内首次通过与企业合作，设计和加工出可用于电润湿数字微流控的有缘矩阵薄膜晶体管，可以实现高通量的微液滴的移动、合并、混合和定位等操作。.本项目的科学意义在于，结合了固体微电子学的有源矩阵薄膜晶体管技术来作为微流体的控制驱动方法，不但可以实现非接触式数字化控制，同时可以实现高通量和智能化的微液滴按需操控和检测等多种功能。这位未来，在精准医疗和生物信息方面，对精细微小样品操控和高通量数字化信息获取具有非常重要的意义。