随着微分析系统在血液分析、细胞筛选、核酸检测等生物医学领域的快速发展，作为其核心的微流控技术越来越受到人们的重视。利用光作为驱动力操控微量液体的运动，可以免去外部连结的复杂驱动管路，有利于微流控系统的集成和简化，并实现微流体的远程、非接触、定点精确控制。然而，目前已报道的光控微流体技术（光镊、光热效应、光致电渗流等）只能完成泵、阀或搅拌器的单一功能，无法构建集成化的光控微流体平台，因而急需找到一种强有力的光驱动新机制来打破其发展瓶颈。

  在前期工作中，俞燕蕾教授课题组报道了一种全新概念的光控微流体技术(Nature 2016, 537, 179; Small 2019, 15, 1901847; Adv. Intell. Syst. 2019, 1, 1900060)。他们设计了全线型光致形变液晶高分子新材料，通过溶液加工法构筑了三维结构的微管执行器，利用微管由圆柱形变成圆锥形的不对称光致形变产生拉普拉斯压差，驱动管内液体定向运输。在此基础上，通过设计“Y”形的微管实现了液滴的融合。然而，在拉普拉斯压差的作用下，液滴只能由大通道进入小通道，因此融合后的液滴被“锁”在“Y”形微管的分岔口处，既不能被光控继续运输进行下一步操作，也无法被分离提取其中的部分液体。

图1. (a)全光控微流体芯片的设计与构筑；(b)线型光致形变液晶高分子的结构式；(c)集成液滴运输、融合、分离及混合功能的光控微流体平台示意图；(d)全光控微流体芯片的实物图。

  经过多学科交叉的研究，俞燕蕾教授课题组设计并创制出全光控微流体芯片，在一个微流体平台上集成了液滴的运输、融合、分离及混合等功能，利用自主研发的光控微流体技术开发新型集成化微流控器件。将光致形变液晶高分子材料作为致动层与具有微通道结构的PMMA基底结合，构筑全光控微流体芯片。利用微通道的不对称光致形变产生拉普拉斯压差，驱动通道内液滴运输；利用微通道分岔口处的精巧结构设计引入毛细凝结效应，实现光驱动下液滴的融合与分离；利用在运输过程中由毛细作用诱导引发的液滴内部漩涡，促进样品的搅拌混合。控制单个LED光源便可以完成上述运输、融合、分离及混合功能的精确操控（图1）。该芯片作为全光控微分析平台的雏形，完全摆脱了传统微流控芯片上泵、阀、搅拌器等外接单元的束缚。

图2. (a)具有小倾斜角λ的等腰梯形通道截面；(b)液体段塞润湿边缘后推进侧增加的面积ΔS_Adv与两通道之间夹角θ的关系；(c)照射过程中两个液滴在毛细凝结作用下融合与分离的模拟；(d)光控融合与分离过程的示意图；(e)光控融合与分离过程的实物图。

  微通道连接处的结构设计是实现液滴融合和分离的关键（图2）。通过设计具有小倾斜角λ的等腰梯形通道截面使通道的交汇点形成楔形，从而发生毛细凝结。光照时，两段液体在毛细凝结作用下被拉合连接，使其融合；撤去光照后，液柱之间的连接在拉普拉斯压差作用下断开，发生液体分离。进一步结合流体力学理论计算，拟合出液体融合、分离的速度与通道夹角θ以及通道横截面倾斜角λ的关系方程，为光流控芯片的轨道设计提供了理论基础。该全光控微流体芯片集成了多种液滴操控，能够实现多种生化反应和检测的集成与简化，如5-羟基糠醛的催化氧化、蛋白的荧光检测等，为全光控微分析平台的构筑奠定了基础。该平台具有样品用量少、操作简便、用时短等优势，有望开发便携式、即时分析设备，将在生物、化学等领域具有重要的应用价值。

  该成果以“An Integrated Droplet Manipulation Platform with Photodeformable Microfluidic Channels”为题发表在Small Methods期刊上。论文第一作者为复旦大学材料科学系刘荃博士，通讯作者为复旦大学材料科学系俞燕蕾教授。

  论文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202100969