文献分享 | 用于液滴操纵的形状可重构、光磁双响应形状记忆微柱阵列芯片

开放表面上的液滴操纵是液滴微流控的一种独特技术，它保留了传统微流控芯片的样品消耗低、传质传热效率高等优点的同时，还具有制备简单、易于集成等优点。开放表面上的单个液滴操纵因其在化学、环境和生物医学中的潜在应用而引起了广泛的关注。电介质电润湿、热毛细管力、表面形态梯度和磁力已用于开放表面上的液滴操纵。无论何种策略，液滴的定向输送都是直接或间接利用液滴不平衡的表面张力来实现的。

形状记忆聚合物在外界环境（如温度、电场、磁场、光）的刺激下可以从临时编程形状恢复到原始形状。然而，大多数刺激响应型微流控芯片的变形过程是不可逆的，临时形状的编程往往需要外部压力。双向形状记忆聚合物可以随着外界条件的变化在临时形状和初始形状之间可逆、自发地切换，在生物医学、传感器、执行器等领域具有潜在的应用价值。通常情况下，这些双向聚合物可逆形状变化的触发温度要么太高要么太低，限制了形状记忆聚合物的应用范围。

在这项工作中，作者使用具有光热和磁响应的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）制造了用于液滴操纵的形状记忆微柱阵列芯片。微柱阵列芯片表面的全氟聚醚涂层可以有效降低液滴运动阻力，从而轻松操控水滴和油滴。通过磁场中的近红外光照射可以对特定区域的微柱进行塑形，从而构建液滴控制路径。近红外激光触发微柱变形具有光驱动非接触、灵活调节的优点，其本质是热响应，而油包水（W/O）液滴可以避免因温度升高而造成的液滴损坏。

光-磁双响应基底芯片的构建。本文在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物共聚物（EVA）微柱阵列芯片中掺入Fe3O4纳米颗粒和还原铁粉，使微柱具有光热响应和磁响应能力。当微柱在磁场中受到近红外光辐射时，微柱温度升高并变软，然后在磁力作用下弯曲。当微柱再次受到近红外光辐射时，微柱温度升高并恢复原状。此外，在微柱阵列表面涂覆了润滑层，以减少液滴与表面之间的摩擦，使液滴的操控成为可能。

驱动方式灵活。通过在微柱阵列表面扫描近红外光，配合磁场可以构建液滴的运动路径。并且通过控制近红外激光的照射时间，可以控制微柱的弯曲角度。润滑层和表面张力的不平衡共同影响液滴运动，可以通过调整润滑层和微柱的性质来控制液滴的运动路径，驱动液滴沿着预定的路径移动，并与其它液滴融合。

操控对象多样。本文的微柱阵列芯片能够操控水滴、油滴和油包水液滴，液滴尺寸范围从0.5微升到5微升。并且通过油包水结构能够极大减少水滴样品的蒸发损失量，结合拉曼光谱仪或荧光显微镜为液滴操纵和微小样品分析提供了一种新的方法

图1. 弯曲微柱的显微图像：（a）在磁场中经近红外辐射后弯曲的微柱（下方）和未经辐射未变化的微柱（上方），比例尺-300 µm；（b-d）通过控制近红外激光照射时间获得的具有不同弯曲角度的微柱。

图2. 液滴操纵示意图：（a）EVA微柱阵列芯片；（b）在EVA微柱阵列表面涂覆全氟聚醚作为润滑层；（c）通过在磁场中用近红外激光照射微柱阵列来构建液滴运动路径；（d）通过近红外激光照射驱动油包水（W/O）液滴以恢复微柱的形状。

本文介绍了一种用于液滴操纵的磁/光双响应形状记忆微柱阵列芯片，使用近红外激光照射在磁场中塑造微柱以构建液滴运动路径，近红外激光沿路径重新扫描诱导微柱阵列形成表面形貌梯度和液滴形成温度梯度，从而不平衡的表面张力和马兰戈尼力共同驱动液滴运动，并实现了对水滴、油滴以及油包水液滴的操纵。将本方法与拉曼光谱仪或荧光显微镜相结合，在构建微小样品的生物分析系统方面具有巨大的潜力。