可配置“二元制”离心力微流控芯片的机理与技术研究

In current centrifugal microfluidics system, there is no feedback mechanism and the system is not dynamic configurable, which largely limits its functionality and applications. In this proposal, it is the first time that the binary logical operation concept will be introduced into the microfluidics system. Apart from the centrifugal force used to drive the droplet movement in the channel, the rotating acceleration induced Euler force is adopted to switch the binary states of chip by simply changing the rotating speed or the rotating directions. With the feedback provided by the optical detection with nanophotonics approaches, we propose a dynamic configurable binary centrifugal platform. Based on the binary platform and the periodical swing of the chip which acts as the "clock" signal, a serial of novel digital droplet manipulations are proposed, including binary valving, zigzags sequential flow, switching, addressable droplet storage, droplet generation and metering. Combined with the switching unit and the feedback, multiple tasks or multiple options could be performed within a single chip, which will largely enhance the system integration level. The concept of digital droplet acquires a new meaning that we can handle the droplet separately in each time step, not just discrete droplet-in-oil emulsion.The water based sample droplet in oil itself is a idea microreosonator with whispering gallery mode around it, if the refractive index of droplet is larger than that of oil environment.We will theoretically investigate its cavity effects and used to enhance the fluoresence signal,fluorescence resonance energy transfer(FRET) and Raman signal,which will largely improve the system detection sensitivity.Our project is aim to provide a fast, high throughput, high sensitivity and configurable centrifugal microfluidic platform for the food and health industries.

针对目前离心力微流控芯片平台单向流，无反馈，不可配置的局限，本申请首次把半导体芯片技术中的 "二元制"逻辑概念引入到基于离心力微流控芯片中，以实现数字化可动态配置有反馈的离心力微流控平台。系统通过平台转动的加速度引起的欧拉力来切换芯片及其上液流管道的状态，从而切换液滴的运动状态。基于此"二元制"逻辑,以及芯片状态转换的"时钟"信息，将可实现一系列新颖的数字液滴操控方式，如液滴的产生和度量、微阀、交换单元、"可寻址的"存储单元等。拟研究液流管壁及液滴谐振腔跟样品里的荧光、荧光能量共振转移以及拉曼散射之间的相互作用的物理机制，并用于检测信号增强的优化。为系统提供高灵敏度的实时的反馈信息和判断依据，并通过芯片交换单元实现系统动态配置。本项目的结果将用于病毒基因检测、分子诊断以及蛋白质分子相互作用的研究。其将极大地提高系统在功能层面的集成度，并将在环境、食品安全、医疗卫生等领域有良好的应用前景。

针对目前离心力微流控芯片平台单向流，无反馈，不可配置的局限，本申请首次把半导体芯片技术中的 “二元制”逻辑概念引入到基于离心力微流控芯片中，以实现数字化可动态配置有反馈的离心力微流控平台。系统通过平台转动的加速度引起的欧拉力来切换芯片及其上液流管道的状态，从而切换液滴的运动状态。基于此“二元制”逻辑,以及芯片状态转换的“时钟”信息，我们实现一系列新颖的数字液滴操控方式，如液滴的产生和度量、微阀、交换单元、“可寻址的”存储单元等。.重要的研究结果包括：.1. 双态离心力平台的概念提出及系统开发，并实现了一系列二元制液流逻辑的演示及DNA的提取。.传统的离心力微流控芯片都是单态的，液流流向单一。申请人提出了双态离心力微流控芯片概念，开展了双态二元制离心力微流控芯片的研究，使得离心力芯片上实现交换结构及热循环等结构成为可能，极大地提高了芯片的集成度，使得离心力微流控芯片的大规模功能集成变得可能。在二元制平台上，基于液滴交换结构实现了废液和提纯也的分流，我们把较为复杂的DNA提取流程集成到了一个小芯片上。.2. 有源离心力微流控芯片的首次实现，并基于此实现了多功能集成芯片。.传统的离心力微流控芯片都是无源的，只能从事一些较为简单的流程和操作。申请人首次采用了无线供电技术给高速旋转的离心力芯片供电，基于此极大地拓展了离心力芯片的功能，使得一系列有源操控及大规模集成成为可能。我们的工作揭开了有源离心力微流控芯片的研究。“有了电多方便”，基于PCB板线圈的无线供电技术，我们采用电阻加热使得石蜡熔化，从而打开微阀的方法，实现了有源微阀。该方法使得每一个阀门都可以编程操控，极大地提高了系统的集成度。.3. 开发了离心管中的微流控芯片，实现了离心管中的多态芯片，并用于DNA提取。.为了解决芯片上众多并行通道的药品装载难题，及芯片上精确的渐变浓度梯度的配液难题，申请人发明了一种基于螺旋管道的样品自动分发结构及多种样品渐变浓度配比结构，提高了芯片集成度及自动化程度。该方面是一个植入性较好的产品化路径，只需要生物实验室已有的离心机就可以使用，有较好的推广前景。.本项目的结果将用于病毒基因检测、分子诊断以及蛋白质分子相互作用的研究。其将极大地提高系统在功能层面的集成度，并将在环境、食品安全、医疗卫生等领域有良好的应用前景。