「弱水三千，只取一瓢飲」，這句詩意的古語在科研領域可以恰當地描述微流控技術的內核，即用最小的成本來獲得最大的收益，僅需極少的樣本採集便可獲得所需的各項信息。
具體來講，微流控追求的是最小的反應體系（皮升、納升級別），保持最低的試劑和樣品消耗，並行最多的獨立反應，同時保持反應體系的封閉性，減少污染，等等。微流體作為微流控技術操控的對象，可以廣泛涵蓋血液，尿液，唾液等各種生物樣本，因此在體外診斷（IVD）領域逐步發展成為面向即時診斷（POCT）的關鍵技術。
圖1 傳統體外診斷消耗大量生物樣本
數字微流控晶片是微流控技術的重要分支，也最具有技術含量和應用前景。其中微流體的控制是基於介質上的電潤濕（EWOD）原理：當電極上存在液體，並給電極施加一個電位時，電極對應位置的固液介面的潤濕性可以被改變，液滴與電極介面的接觸角隨之發生變化，如果液滴區域的電極間存在電位差異，導致接觸角不同時，便會產生橫向的推動力，使液滴在電極基板上發生橫向移動。如果我們通過控制外圍電路，向電極陣列輸入調製電壓信號，則可以控制液滴在微流控晶片的二維平面上任意地分布和移動。高的陣列像素規模和高通量地處理生物樣本是緊密相關的，可以說，一個具有大規模像素陣列的數字微流控晶片是實現片上高通量和自動化處理生物樣本的先決條件。
然而，目前大多數傳統的數字微流控晶片使用的是無源電極陣列，即每個像素電極都通過單獨的導線與控制電路直接相連。若要大幅度提高像素數量，則意味著增加龐大的信號線數量以及控制電路複雜程度，這無疑使陣列的設計和製造難度大大提升。較弱的陣列可擴展性已經成為這項技術進一步發展的巨大障礙。
圖2 可自由操控的液滴運動
傳統上，像素數量和控制線路的複雜程度看似具有不可調和的矛盾，然而新型的電路卻可以通過巧妙的設計加以解決。創新的路線之一就是有源矩陣技術。所謂有源矩陣技術，就是將薄膜電晶體（TFT）集成到了每個像素電極中，每個TFT都相當於是一個電子開關，其包含柵極（G）、源極（S）和漏極（D），對柵極施加電壓可以控制源漏電極之間導通和關斷。如圖3所示，電晶體的柵極與行信號連接，漏極與列信號連接，源極與像素電極連接，當一個行信號對柵極施加脈衝電壓時，對應行的TFT開關就會打開，使列信號與像素電極之間導通，此時便可以給每個像素電極「寫入」對應的驅動電壓。通過這種行列掃描的驅動方式，N（行）×M（列）的陣列只需要N+M個信號線即可對陣列中的每個像素進行獨立控制。
與無源陣列相比，有源矩陣極大地縮減了信號線數量，簡化了控制電路的結構。理論上，將有源矩陣技術應用於數字微流控晶片具備解決陣列擴展性問題的獨特優勢，實踐中卻由於跨學科技術融合存在一定的難度，致使迄今為止將有源矩陣技術應用於微流控晶片的成果並不多見。
圖3 AM-EWOD數字微流控晶片
近日，由馬漢彬博士帶領的中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所技術團隊，通過不斷優化像素電路性能，調整驅動信號時序，改進EWOD材料等手段，成功研發了一種有源矩陣數字微流控晶片（AM-EWOD）。此晶片可實現片上對多個通道的生物樣本實現並行處理，在提高通量的同時，保證了樣本的密封性和各個通道的獨立性，有效避免了交叉污染的產生。
研究團隊將平板顯示中常用的有源矩陣技術（active matrix，AM）應用到微流控晶片中，在10cm2的有效面積內集成了32×32共1024個像素，使片上集成陣列的像素數量指數級地增加，並實現了單像素級的微液滴操控。基於該數字微流控平台生成的液滴具備高度的均一性，其體積變化係數僅為1%左右。該性能對比已報導的其它微流控晶片的最優性能（9像素解析度和4%的變化率）有了實質性的提升。單像素級的液滴操控能夠極大地提高陣列像素使用率，並提高液滴控制精度和樣本處理通量。
圖4 單液滴的生成、操控和排列
劍橋大學Nathan教授課題組、上海交大郭小軍教授課題組、奧素液芯、領摯科技是本工作的合作單位，有源陣列背板的製造由天馬微電子公司通過multi-project glass (MPG)項目承擔。相關研究成果已經以 Large-area manufacturable active matrix digital microfluidics platform for high-throughput bio-sample handling為題，發表在了剛剛結束的2020微電子器件領域的頂級會議 IEDM（International Electron Devices Meeting）。
背景連結：具有六十多年歷史的IEDM是微電子器件領域的頂級會議，在國際半導體技術界享有很高的學術地位和廣泛的影響力，被外媒譽為「微電子器件領域的奧林匹克盛會」。該會議主要報導國際半導體技術方面的最新研究進展，是著名高校、研發機構和英特爾、IBM等企業報告其最新研究成果和技術突破的主要窗口和平台之一。近年來，集成電路技術領域的許多重大技術突破都是通過該會議正式發布的。
來源：中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所