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，長期以來，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)，來自美國麻省總醫(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有外部控制器的情況下處理芯片上的流體信號。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)的程度可以通過在柵極和源極之間施加壓力（PGS）來調(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（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)間間隔可以通過改變逆變器前濾波器的電阻或電容來調(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檢測、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，基于微流控晶體管的電路既能處理流體信號，又能根據(jù)這些信號自動(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)控制問題。







審核編輯：劉清