自驱动水下“气流控”系统 实现微量气体的传输和操控

微流控是一种利用几十到几百微米大小的通道来处理或操纵微量（纳升甚至阿升）液体的综合系统。小型化和集成化的特点使微流控芯片能够实现一系列传统大型测试分析仪器所无法完成的复杂微过程和微操作。微流控技术已经广泛地应用于化学和生物分析（如基因组学和蛋白质组学研究）、细胞操作和检测、医疗卫生、高通量药物筛选和集成光学等领域。传统的微流控主要聚焦于处理和操纵液体，然而气体的微量操作很少被关注。

由于许多化学反应、分析和检测对象都涉及到气体，因此微量气体的传输和操纵同样具有巨大应用潜力。与液体微流控类似，微量气体也可以通过微通道传输和操控。这样的多功能系统可以被定义为“气流控”（Aerofluidics）。气流控芯片致力于在微观尺度上操控微量气体，以建立基于气-气或气-液微相互作用的高度集成系统。气流控在涉及气体的微分析、微检测、生物医学工程、传感器和环境保护等方面具有开创性的应用。然而，不需要在固体基底内部制备密闭微通道且不需要外部驱动能量输入的情况下实现微量气体的传输依然是个技术难题。

近日，中国科学技术大学吴东教授、雍佳乐副研究员首次提出了“气流控”的基本概念，并利用飞秒激光直写的超疏水微沟槽设计了一种水下气流控结构。通过飞秒激光直写在PDMS材料表面形成几十微米宽度的微槽结构，槽内壁覆盖着激光诱导的微纳复合结构。激光诱导的微结构具有优异的超疏水性，能够排斥水的浸润。

在液体环境中，超疏水微沟槽与水环境之间会形成一种中空的微通道，该通道允许气体在气流控结构上自由流通。当将激光直写的微沟槽连接不同大小的超疏水输入区域和目标区域时，水下气体会自发地从Laplace压强大的区域沿着超疏水沟槽传输到Laplace压强小的区域。整个微量气体传输过程无需外力输入，可完全由Laplace压力自驱动完成。所设计的气流控器件的微通道宽度只有~42.1 μm。这样狭窄的微通道使得气流控系统能够实现精密、微量的气体传输与操作。

图1 “水下气流控”的基本概念与自驱动原理

图2 飞秒激光设计制备的简单水下气流控结构

图3 水下气流控器件上自驱动气体传输

气流控芯片的流速可以根据需要从极慢到超快（例如，在本实验中从2.5nL/s到572 nL/s）设计。此外，水下气流控装置可以支持超长的气体自发传输，传输距离甚至可以超过1米。飞秒激光加工技术可以很容易地设计各种图案结构，因而可以制备各种传输路径的气流控器件。微量气体可以沿着各种复杂路径、曲面、甚至跨越不同气流控器件自发传输。独立的水下气流控器件也可以通过串联或并联的方式集成为一个多功能综合系统。

图4 影响气体传输性能的因素

图5 水下气流控器件上丰富多彩的气体传输操作

灵活的自驱动气体传输性以及超长传输距离等特点赋予了所设计的水下气流控器件一系列气体操控功能，如气体融合、气体汇集、气体分裂、气体阵列化、基于气泡的气-气微反应、气-液微反应等。通过巧妙的方式，也可以将气流控系统与传统液体微流控系统集成，从而实现气体和液体的微量交互作用。自驱动水下气流控能够在微观上传输和操控微量气体，因而在气体微分析、微检测、生物医学工程、传感器和环境保护等领域具有重要的应用前景。

图6 基于水下气流控器件实现的各种与气体微操作相关的功能和应用

不同于先前所报道的气泡宏观操作方法（气泡作为一个整体运动），基于气流控的气体操作是一种微观的、连续的、微分的方式。气流控能够精确地、复杂地操作微量气体（例如，纳升），这是气泡宏观整体转运（大气泡作为一个整体）方法无法实现的。此外，飞秒激光是一种自由灵活的微纳加工方法。激光直写路径可以精确控制，从而可以设计制备各种复杂的气流控图案结构。飞秒激光微加工技术的特点为多功能气流控器件的制备提供了无限的想象空间。

审核编辑：刘清