平面微流控的液滴操控机理、共性技术和应用研究

基本信息
批准号:51475451
项目类别:面上项目
资助金额:80.00
负责人:吴天准
学科分类:
依托单位:中国科学院深圳先进技术研究院
批准年份:2014
结题年份:2018
起止时间:2015-01-01 - 2018-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:张靓,裴渭静,王智伟,杜学敏,刘杰,凌世全,陆志峰,李腾跃,王程
关键词:
微机电系统生化检测微流控液滴操控界面力学
结项摘要

We propose the "aqueous droplet array patterning & transferring (ADAPT)" method as a common technology to promote the paradigm shift from the heterogenous"application-orientation" to general-purpose "technology-orientation" for the planar micro total analysis systems (microTAS), aiming at the engineering of microTAS chips. Besides, the underlying physics and mechanics for the droplet manipulation will be explored, and prototype chips and devices will be developed to satisfy vital demands.The investiagtion of mechanisms includes diffusion dynamics for the water-in-oil (W/O) droplets,evaporation-induced solute deposition, and electric- field based tuning of droplet wetting and adhesion; The study of common technologies involves four typical functions (generation, transportation, tunning and detection) of droplet manipulation using ADAPT for planar droplet array, based on the employment of interface mechanics and external physical fields. To be specific, we will investigate droplet generation based on the competition of adhesion and shear forces, droplet transportation based on adhesion control, reversible droplet tunning based on diffusion, and content detection based on responsive photonic crystals; The applications will be the derivation of droplet enzyme-link immunosorbent assay (ELISA) from ADAPT to realize rapid biochemical detection and provide novel tools for the critical issue in traditional Chinese drugs on analyzing complicated active ingredients.based on ADAPT and droplet ELISA, the antibody library of low-molecular-weight compounds for traditional Chinese drugs can be estiblished and used for rapid screening in the planar droplet microTAS. These researches are expected to practically promote the academic prosperity and engineering of planar microTAS.

为实现微流控芯片走向工程化,推动研究范式从异质的"应用导向"转为共性 的"技术导向",我们提出新颖的"水性液滴阵列图案化及转移"(ADAPT)方法作为平面微流控的共性技术,并探索液滴相关的物理及力学,面向重大需求开发原型器件和仪器。在机理层面研究油包水液滴的扩散动力学、蒸发诱导的溶质沉积及电场对液滴润湿和黏附的影响机制;在技术层面运用界面力学和外加物理场,基于ADAPT实现平面上液滴阵列产生、转移、调控及检测四个技术模块,包括基于粘附力及剪切力竞争的液滴产生、基于黏附力调控的液滴转移、基于扩散的液滴可逆调节以及基于响应型光子晶体的液滴内涵检测;在应用层面针对快速生化检测需求,由ADAPT发展出液滴酶联免疫法(ELISA),以此示范平面液滴微流控芯片用于中药小分子化合物抗体库的建立和快速筛选,为解决中药小分子活性成分分析的重大问题提供全新工具。这些研究将扎实推动平面微流控的学术发展和工程化。

项目摘要

本项目主要研究了平面微流控的水性液滴操控机理、4个共性技术及多个典型应用,系统研究了微流控芯片的液滴表界面特性及关键技术。在机理上,基于物理力学分析了超疏液表面三相接触线对于液滴润湿接触角及接触角滞后的重要影响,并提出符合实验结果的普适润湿模型,此外研究了蒸发诱导的光子晶体沉积的彩色咖啡环显示机理,研究了CYTOP作为疏水层兼介质层新材料的新型电润湿操控;在共性技术上,实现了以仿生微纳界面及亲疏水点阵两种方式实现的高通量液滴阵列生成,开发了基于可拉伸乙烯-醋酸乙烯共聚物的超疏液表面作为“液滴镊子”实现无损液滴转移,以仿生微纳界面为代表的低成本、图形化超滑表面实现液滴的多种操控技术,以及以咖啡圈效应、亲疏水图形等方法实现液滴及内含物的多种检测方法;在典型应用上,基于液滴操控技术开发了数字PCR、数字ELISA芯片及卵细胞的冷冻复苏微流控芯片,并集成机电系统搭建仪器样机,积极参与生物医学应用。.上述成果在国际主流期刊如Sens. Actuat. B, J. Mater. Chem. C等发布SCI论文7篇,其中5篇JCR一区。会议论文36篇,其中EI收录20篇,包括在IEEE MEMS, MicroTAS, 等国际权威会议。科研获奖5次,包括IEEE NMDC 2015 Best Paper Award,Optofluidics 2016 Besr Poster Award,IEEE NEMS 2017Best Poster Award,中国微米纳米技术学会2015年会组委会最佳口头汇报奖,以及2018深圳高交会最佳产品奖;申请PCT1项,发明专利10项,其中3个已授权。申请人破格晋升正研、博导,并当选IEEE MEMS2019国际会议技术委员(TPC)、晋升副研1名,博后2名出站,培养研究助理4名,培养及联合培养研究生6名。各类成果全面超额完成。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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