本发明涉及一种磁性数字微流体装置以及磁性数字微流体操控方法。
背景技术：
数字微流体技术用于在开放表面上对离散体积的流体进行操控，其中，在该开放表面上，流体在聚四氟乙烯(ptfe，也称特氟龙)包覆表面等疏水性表面上形成液滴。根据液滴操纵机制的不同，某些数字微流体例如包括介质上电润湿(ewod)微流体和磁性数字微流体。在此类数字微流体平台当中，磁性数字微流体因液滴操纵简单且在磁性数字微流体平台中作为液滴致动器加入液滴内的磁性颗粒具有多种功能而尤其适于即时体外诊断。当外部磁力例如经永磁体或电磁体产生的磁场施加时，磁性颗粒在磁场梯度的作用下移位，并拖拽液滴与其一起移动。虽然运动控制精度不如ewod，但该磁性致动机制更加易于实现。通常情况下，仅需一个小的永磁体，便足以实现诊断检测所需的所有流体操作。如此，使得磁性数字微流体平台上的流体操作无需复杂的控制系统。因此，磁性数字微流体技术更加适用于资源匮乏的环境中的即时体外诊断。磁性数字微流体平台上的液滴为独立液滴，并且实质上作为供诊断检测实施的反应室。磁性数字微流体技术的一项独特的优势为磁性颗粒的多功能性。除了用作液滴致动器之外，磁性颗粒还用作固相生化反应的功能性底物。例如，以二氧化硅包覆的磁性颗粒能够在不同缓冲液条件下与dna分子反向结合，并常用于在磁性数字微流体中提取dna。以抗体标记的磁性颗粒用于通过酶联免疫吸附测定法(elisa)检测液滴中的目标靶标。
在最简单的形式中，磁性数字微流体平台基底的基底一般为特氟龙包覆的平整表面，其中，特氟龙使得表面获得有助于液滴移动的疏水性。为了实施需要各种各样基于液滴的流体操作的复杂生物检测，还必须使特氟龙包覆基底获得多种额外特性，此类额外特性的形式既可以为物理结构，也可以为化学修饰。此类特性使得磁性数字微流体平台上能够实现复杂的液滴操控，从而能够待实施的更为复杂的生物分析检测。
在基于液滴的固相非均相检测中，为了实现洗涤和其他需要液体互换的操作，必需将一个液滴中的磁性颗粒提取出来后并入另一液滴。现有磁性数字微流体平台通过提高磁性颗粒的移动速度实现磁性颗粒的提取。然而，当移动速度太高时，磁体将与磁性颗粒和液滴相脱离。为了解决这一问题，多种磁性数字微流体平台在平整表面中引入狭缝或狭窄通道等微结构。此类结构在限制液滴移动的同时，却允许磁性颗粒通过，从而有助于从液滴中提取磁性颗粒。然而，磁性数字微流体平台上此类物理结构的制造和表面修饰存在一些挑战。
作为一种替代方案，可通过化学修饰方法在特氟龙包覆的疏水性表面上产生亲水性区域。此类亲水性区域也称表面能阱(energytrap)，通过其非常高的表面张力将液滴固定，从而促进从液滴中提取磁性颗粒。如果表面能阱的尺寸相对于液滴尺寸较小时，表面能阱能够在液滴随磁性颗粒一起移动通过时截留一小部分液体。因此，这一机制还用于在液体等分和连续稀释中分配液体。因此，具有化学修饰表面能阱的磁性数字微流体平台不但能够执行全方位的流体操作，还能够对液滴进行复杂的非均相生物检测以及多重生物检测。
然而，在特氟龙包覆的疏水性表面上产生亲水性区域的化学修饰法依赖于氧等离子体处理，并且具有若干限制，这些限制阻碍其在特氟龙包覆表面上形成表面能阱图案的用途。首先，由于特氟龙包覆表面无法以光刻胶润湿，因此必需通过以光刻方式定义且以剥离工艺制造的su-8掩模形成表面能阱图案。然而，su-8掩模易碎且难以处理，制造极费精力，却在使用数次后便会碎裂。其次，虽然氧等离子体处理能够刻蚀掉掩模未保护区域内的特氟龙并通过羟基接枝而使得下方基底(如玻璃或硅)获得亲水性，然而由氧等离子体处理获得的亲水效果为一种暂时性的效果，最多仅能维持数天。在此之后，基底将逐渐失去其亲水性，而且表面能阱将无法继续提供足够高的表面张力以固定用于磁性颗粒的提取和液体的分配的液滴。
技术实现要素：
本申请公开一种采用称为聚多巴胺的高粘附性仿生材料在磁性数字微流体技术中的特氟龙包覆表面上形成亲水性区域图案的简单方法。在实验室环境中，聚多巴胺通过在碱性环境中将3,4-二羟基-l-苯丙氨酸(dopa)或盐酸多巴胺等儿茶酚聚合的方式合成。聚多巴胺可粘附至包括无法由水溶液润湿的特氟龙在内的几乎任何材料的表面上。在施加聚多巴胺涂层时，先将多巴胺单体的碱性溶液置于特氟龙包覆的基底上，然后多巴胺单体将自发聚合，从而形成强力粘附于表面上的聚多巴胺薄膜。该聚多巴胺涂层为具有多个羟基、羧基及其他官能团的亲水性涂层。如此，蛋白质和肽等生物分子能够极其容易地直接接枝于聚多巴胺修饰表面上。此外，该聚多巴胺涂层具有足以将贵金属离子还原形成金属涂层的还原能力。本申请还公开一种磁性数字微流体装置，该装置允许通过磁力在经聚多巴胺修饰的仿生表面上操纵含磁性颗粒的液滴以实现传染病的诊断。此外，还公开一种以聚多巴胺在特氟龙包覆表面上形成图案的方法，其中，聚多巴胺形成有助于在疏水性表面上操纵液滴的亲水性表面能阱。表面能阱的表面张力与磁力之间的相互作用可以在经聚多巴胺修饰的磁性数字微流体平台上实现包括颗粒提取、液体分配、液体成形以及跨平台液体转移在内的多种液滴操作。在该平台上，采用基于颗粒的elisa法通过检测液滴内的乙型肝炎表面抗原对乙型肝炎诊断的概念验证进行了证明。
根据第一方面，提供一种利用磁力操纵含磁性颗粒的液滴的磁性数字微流体装置，所述装置包括：可供所述含磁性颗粒的液滴利用磁力在其上移动的疏水性表面；以及用于将所述液滴的至少一部分保持于其上的至少一个表面能阱，所述至少一个表面能阱包括聚多巴胺层。
在使用时，所述至少一个表面能阱可将整个所述液滴保持于其上，而允许所述磁性颗粒通过磁力移出所述液滴。
在使用时，所述至少一个表面能阱可仅将所述液滴的一部分保持于其上，而允许含所述磁性颗粒的所述液滴的剩余部分通过磁力向远离液滴操纵单元的方向移动。
所述至少一个表面能阱可形成于所述可供所述含磁性颗粒的液滴在其上移动的疏水性表面上。
所述装置可进一步包括设于平台上的至少一个液滴操纵单元，其中，所述至少一个亲水性表面能阱形成所述至少一个液滴操纵单元上。
所述至少一个液滴操纵单元可能够以可释放方式附接至所述平台。
所述表面能阱可形成于所述液滴操纵单元的凸起的顶端。
所述凸起可具有c形截面。或者，所述顶端可设有孔，所述表面能阱可形成于所述孔中。
所述装置可进一步包括至少一个混合液滴操纵单元，所述混合液滴操纵单元设于平台上，以促进所述液滴内的液体的混合。
所述至少一个混合液滴操纵单元能够以可释放方式附接至所述平台。
所述混合液滴操纵单元可包括多个疏水性凸起，所述疏水性凸起凸起用于穿过所述液滴。
所述装置可进一步包括至少一个转移液滴操纵单元，所述转移液滴操纵单元设于平台上，以促进至少一个液滴从一个疏水性表面转移至另一疏水性表面。
所述至少一个转移液滴操纵单元能够以可释放方式附接至所述平台。
所述转移液滴操纵单元可包括从另一表面移下至少一个液滴并保持所述至少一个液滴的至少一个表面能阱。
所述至少一个液滴操纵单元能够在所述平台上的多个可选位置当中的任何一个位置处以可释放方式附接至所述平台上。
由所述至少一个表面能阱保持的所述液滴的所述一部分的形状可与所述至少一个表面能阱的形状相符。
根据第一方面，提供一种磁性数字微流体操控方法，所述方法包括如下步骤：
(a)使疏水性表面上的液滴与聚多巴胺表面能阱相接触，所述液滴含磁性颗粒；
(b)将所述液滴的至少一部分保持于所述表面能阱上；以及
(c)利用磁力至少使所述磁性颗粒移动。
步骤(b)可包括将整个所述液滴保持于所述表面能阱上，步骤(c)可包括使所述磁性颗粒从保持于所述表面能阱上的液滴中移出。
或者，步骤(b)可包括仅将所述液滴的一部分保持于所述表面能阱上，步骤(c)可包括使所述液滴的剩余部分与所述磁性颗粒一起朝远离保持于所述表面能阱上的所述液滴的一部分移动。
附图说明
为了使本公开内容能被完全理解且易于付诸实践，以下将仅以非限制性举例的方式描述本发明的例示实施方式，而且下文描述参考以下说明性附图。
图1a为通过多巴胺单体独立液滴而沉积于特氟龙包覆表面上的聚多巴胺的拍摄图像。
图1b为沉积的聚多巴胺的直径与多巴胺单体独立液滴的体积的关系图。
图1c为沉积的聚多巴胺的直径与多巴胺单体独立液滴的体积的立方根的关系图。
图1d为通过模板沉积于特氟龙包覆表面上的聚多巴胺的拍摄图像。
图1e为沉积于特氟龙包覆表面上的液滴以及沉积于聚多巴胺表面能阱上的液滴的拍摄图像。
图1f为液滴在特氟龙包覆表面上移动至聚多巴胺表面能阱上的系列拍摄图像。
图2a为液滴在聚多巴胺上的接触角与形成聚多巴胺时多巴胺单体溶液的培育时间的关系图。
图2b为液滴在聚多巴胺上的接触角与形成聚多巴胺时盐酸多巴胺的浓度和缓冲液ph值的关系图。
图3a为将液滴移动至相对较大的表面能阱上后颈缩点的形成状况的拍摄图像。
图3b为将液滴移动至相对较小的表面能阱上后颈缩点的形成状况的拍摄图像。
图4a为从液滴中提取磁性颗粒的拍摄图像。
图4b为液滴的液体分配的拍摄图像。
图5a为所分配的液滴的体积与表面能阱的面积的关系图。
图5b为液滴成形的拍摄图像。
图5c为液滴从第一平台转移至第二平台的拍摄图像。
图6a为双板构造下从液滴中提取磁性颗粒时侧视和俯视视角下的拍摄图像。
图6b为双板构造下液滴的液体分配在侧视和俯视视角下的拍摄图像。
图6c为双板构造下的液滴成形在侧视和俯视视角下的拍摄图像。
图7a为在用于乙型肝炎表面抗原(hbsag)检测的疏水性表面上形成的聚多巴胺表面能阱上的液滴的拍摄图像。
图7b为图7a所示的液滴中使用的抗体轭合磁珠的示意图。
图7c为保持透明的对照液滴以及通过变蓝而表明存在由图7b的磁珠所捕获的hbsag的样品液滴的拍摄图像。
图7d为已显影tmb在450nm下的吸光度值与hbsag量的关系图。
图8a为包括附接于平台上的液滴操纵单元的例示磁性数字微流体装置的侧面透视图。
图8b为图8a的装置的底面透视图。
图8c为图8a的装置的俯视图。
图9a为用于促进从液滴中提取磁性颗粒的液滴操纵单元的底面透视图。
图9b为图9a的液滴操纵单元的顶面透视图。
图9c为正用于从液滴中提取磁性颗粒的图9a的液滴操纵单元在侧视视角下的系列拍摄图像。
图10a为用于促进对液滴的液体分配的液滴操纵单元的底面透视图。
图10b为图10a的液滴操纵单元的顶面透视图。
图10c为正用于液滴的液体分配的图10a的液滴操纵单元在侧视视角下的系列拍摄图像。
图11为用于在液滴操纵单元的使用过程中促进液滴内的液体混合的液滴操纵单元在侧视视角下的拍摄图像。
图12为用于促进液滴从一个表面转移至另一表面的液滴操纵单元的底面透视图。
图13为包括框架的图8a的装置的侧视示意图。
图14为图13的框架的透视示意图。
具体实施方式
以下，参考图1至图14，对磁性数字微流体装置100和磁性数字微流体操纵方法200的例示实施方式进行描述。图中，相同或类似部件使用相同的附图标注。为了便于参考，与方法(200)相关的附图标注置于括号之内。
磁性数字微流体装置100包括至少一个用于将液体保持于其上的亲水性表面能阱22，表面能阱22包括形成于疏水性表面10上的聚多巴胺薄膜或聚多巴胺层22。疏水性表面的一种例示实施方式包括平台上的特氟龙表面10。特氟龙表面10可以为基底上的特氟龙包覆层，或者所述平台本身可例如包括特氟龙板。在采用特氟龙包覆层的情形中，所述基底可例如由玻璃等另一种材料制成。为了在磁性数字微流体装置100的疏水性特氟龙表面10上制备亲水性聚多巴胺薄膜22，首先须进行聚多巴胺涂敷方案的优化，然后通过测量接触角而对聚多巴胺修饰后的表面特性进行表征。
聚多巴胺可通过直接在特氟龙表面10上使多巴胺单体聚合的方式原位沉积于特氟龙表面10上。多巴胺单体可提供于碱性溶液中。沉积的溶液内的多巴胺单体自发聚合形成强力粘附于特氟龙表面10的聚多巴胺22。虽然特氟龙表面10无法由多巴胺单体溶液润湿，但是所形成的具有黑色或深棕色这一聚多巴胺22的特征颜色的薄膜22(图1a上方分图；图1d上方分图)说明，自发聚合形成的聚多巴胺22能够粘附至特氟龙表面10上。多余的聚多巴胺可通过冲洗去除，从而在特氟龙表面10留下灰色的聚多巴胺薄膜22。
通过将多巴胺单体溶液在特氟龙表面10上分配成独立液滴，可选择性地在特氟龙表面10的特定区域上形成聚多巴胺22图案。在液滴中的多巴胺单体溶液自发聚合而在特氟龙表面10上形成聚多巴胺22(图1a上方分图)后，通过冲洗和干燥去除多余的聚多巴胺，从而在表面10上形成圆形的聚多巴胺区域22(图1a下方分图)。在使用该独立液滴法时，通过调节单体液滴体积，可以控制所形成的圆形聚多巴胺沉积斑22的大小。为了确定所形成的聚多巴胺表面能阱22的大小与用于形成该聚多巴胺表面能阱22的多巴胺单体溶液独立液滴(也称“单体液滴”)体积之间的关系，先将以ph＝8.8的10mm三羟甲基氨基甲烷(tris)缓冲液配制的5mg/ml盐酸多巴胺溶液在特氟龙10包覆的盖玻片上点出1～50μl不同体积的液滴，然后在室温下培育1小时。冲洗和干燥后，将盖玻片与基准尺一起拍照，然后以imagej(美国国立卫生研究院)软件测量聚多巴胺表面能阱22的直径。
如图1b所示，聚多巴胺沉积斑的直径与多巴胺单体溶液的体积正相关，尽管这一关系并非线性关系。与此相对，聚多巴胺沉积斑的直径与单体液滴体积的立方根成线性关系(图1c)。对于直径小于毛细长度(水的毛细长度为2.7mm，相当于体积约为10μl的单体液滴)的单体液滴而言，由于重力的作用可以忽略，因此该单体液滴的形状为球冠形。当单体液滴的体积增大时，重力开始在液滴形状上起到重要作用。因此，大的单体液滴的形状不再是球形，而是在重力作用下稍微变平。这便是聚多巴胺沉积斑的直径与50μl以内单体液滴体积的立方根成线性关系的原因，该现象表明，单体液滴在重力作用下的形状并不会对单体液滴与特氟龙包覆表面之间的接触面积产生重大影响。
作为替代方案，包括亲水性聚多巴胺薄膜22的表面能阱22可通过以模板(未图示)使特氟龙表面10暴露至多巴胺单体溶液的方式形成，如此使得多巴胺单体溶液聚合而在表面10上形成聚多巴胺21(图1d上方分图)，从而允许具有任意形状的区域形成聚多巴胺薄膜22图案(图1d下方分图)。所述模板可例如由硅橡胶制成。在例示实施方式中，该模板由聚二甲基硅氧烷(pdms)(dowcorninginc)或dragon
利用上述任何沉积方案，含聚多巴胺薄膜22的亲水性表面能阱22因而可通过使特氟龙表面10的预定区域与多巴胺单体的碱性溶液相接触的方式在特氟龙表面10上形成，其中，多巴胺单体自发聚合而在特氟龙表面10上形成聚多巴胺薄膜22，该聚多巴胺薄膜22与所述预定区域具有相同的尺寸和形状。
聚多巴胺表征与涂敷条件优化
如图1e所示，当将液体90沉积于特氟龙表面10上时，由于特氟龙包覆表面10的疏水性，该液体将在特氟龙表面10上形成具有较大接触角的液滴90(左图)。然而，当在特氟龙10上形成亲水性聚多巴胺薄膜22后，沉积于该聚多巴胺薄膜22上的液体90将会扩散并形成较小的接触角(右图)。如此，液滴90可在特氟龙包覆表面10上自由移动，但是如图1f所示，一旦碰触到聚多巴胺22，液滴90便被聚多巴胺22固定。因此，可以通过测量液滴的接触角，对特氟龙包覆表面上的聚多巴胺修饰对液滴的作用加以表征。
首先，聚多巴胺修饰的反应时间，即多巴胺单体溶液与特氟龙包覆表面的接触时间长度可通过使特氟龙包覆表面与多巴胺单体溶液培育各种不同时间长度的方式进行优化。例如，在将30μl以ph＝8.8的10mmtris缓冲液配制的5mg/ml浓度多巴胺单体溶液点在特氟龙包覆的盖玻片上后，令其培育0分钟至24小时的各种时间长度。在此之后，以去离子水冲洗盖玻片，并测量接触角。如图2a所示，时间点0处的接触角大于120°。10分钟培育后，多巴胺单体溶液的颜色开始转黑，标志着聚多巴胺的形成。与此同时，沉积于特氟龙上的聚多巴胺将液滴的接触角减小至60°～70°，与液滴在普通盖玻片的接触角类似。进一步增长培育时间后，未再观察到接触角的显著变化，直至达到24小时后仍然如此(图2a)。该24小时时间段内的各个时间点上测量的接触角均为大约处于50°～70°范围内的类似值。这些结果表明，，无需长的培育时间，便可用聚多巴胺在特氟龙包覆表面上形成能阱。
在此之后，对缓冲液ph值和多巴胺单体浓度对特氟龙包覆表面上的聚多巴胺涂层的影响进行检验。当使用以ph＝8.0的缓冲液配制的2mg/ml盐酸多巴胺单体溶液时，沉积于特氟龙包覆表面上的聚多巴胺薄膜产生的接触角约为70°，与盖玻片的接触角类似。当盐酸多巴胺单体浓度增至40mg/ml时，未观察到接触角的显著变化。在对ph＝8.8的tris缓冲液重复该实验时，所观察的结果相同，也就是说，未观察到接触角随盐酸多巴胺单体的浓度增加的显著变化(图2b)。为实施这些实验，先以溶于fluorinertfc-40中的1％特氟龙af包覆24mm×50mm的显微镜盖玻片，然后在75℃下烘烤10分钟。随后，进行多巴胺单体溶液(盐酸多巴胺，sigma-aldrich)的连续稀释，其中，通过将1.25～40mg/ml范围内不同浓度的多巴胺单体溶液溶于ph＝8.0和ph＝8.8的10mmtris缓冲液(1stbasetechnology)而获得以缓冲液配制的不同浓度多巴胺单体溶液。之后，在每一浓度下，将30μl以缓冲液配制的多巴胺单体溶液在特氟龙包覆的盖玻片上室温下放置1小时，然后以去离子水冲洗盖玻片。每一样品的接触角均采用体积为5μl的水滴以θ(theta)自动润湿角测量仪测量。
上述试验的结果表明，形成于特氟龙包覆表面上的聚多巴胺涂层的特性对于形成时的反应条件并不敏感。可在对反应时间和多巴胺单体浓度具有较高的容忍度的不同缓冲液条件下将具有类似润湿特性的聚多巴胺涂层施加在特氟龙包覆表面上。这一特性使得在以简单的聚多巴胺涂敷方案在特氟龙包覆表面上形成具有一致性能的表面能阱方面给出余地。
聚多巴胺的另一项巨大优势在于，其能形成的牢固且持久的涂层。聚多巴胺以其对基底的强粘合性闻名。实际证明，聚多巴胺修饰表面的润湿性能够保持数周乃至数月。与此相比，以氧等离子体修饰的特氟龙包覆玻璃表面的亲水性至多仅能保持数天。
具有聚多巴胺表面能阱的磁性数字微流体平台上的液滴操纵
特氟龙表面10上沉积有聚多巴胺22的区域通过以高的表面张力将液滴固定在聚多巴胺22上而作为特氟龙表面10上的表面能阱。磁性数字微流体装置100具有平台101，该平台具有特氟龙10包覆的平坦基底，在该磁性数字微流体装置100上，移动的液滴在水平方向上承受以下两个作用力：磁铁对添加于液滴内的磁性颗粒的磁力；以及在与液滴移动相反方向上的摩擦力。此两作用力与磁性颗粒周围的表面张力的净效应决定了液滴是否会与磁性颗粒一起移动，或者磁性颗粒是否会与液滴分裂或离开液滴。现有磁性数字微流体平台仅能通过增大移动速度而实现磁性颗粒的提取。然而，在某些生物检测中，所需的磁性颗粒的数量太大，以致在任何可行的移动速度下均无法破坏表面张力并使磁性颗粒离开液滴。
为了对磁性数字平台上的液滴的运动进行控制，通过以外部磁场施加外部磁力而对磁性颗粒进行驱动。由于液滴的表面张力，磁性颗粒簇无法轻易脱离液滴。因此，磁性颗粒将与液滴一起移动。在恒定移动速度下，磁力和与移动速度成正比的摩擦力达到平衡。当提高移动速度时，平衡摩擦力所需的磁力也需增加。在临界点处，作用于液滴上的磁力将大至足以使磁性颗粒簇突破表面张力，从而使这些磁性颗粒与液滴分裂或者离开液滴。由于在某些检验条件下所需的脱离速度高至不可行的程度，因此本申请通过引入含聚多巴胺薄膜的表面能阱而提供与移动方向相反的另一作用力，以促进磁性颗粒的提取工艺。
如图3a所示，一旦液滴90移动至较大的聚多巴胺表面能阱22上，该表面能阱22将液滴90固定，而磁性颗粒簇30仍然继续移动，从而使得液滴90与磁性颗粒簇30之间形成颈缩点np1。随着磁性颗粒簇30继续向远处移动，颈缩点np1处的曲率将逐渐增大，直至颈缩点np1在拉普拉斯压力的作用下断裂，从而使得颗粒30从液滴90中提取出。
在另一情形中，如图3b所示，磁性颗粒簇30移至较小的表面能阱22上并且液滴90与表面能阱22之间形成有颈缩点np1。一旦颈缩点np1断裂，液滴90的一小部分或子滴99保持于表面能阱22上，而液滴90的剩余部分继续随磁性颗粒30移动，从而实现被动式液体分配。
在一般情况下，如图3c所示，由于磁性颗粒簇正将液滴90拖拽至表面能阱上，因此可能形成两个颈缩点np1，np2，第一颈缩点np1位于液滴90与表面能阱22之间，而第二颈缩点np2位于液滴90与磁性颗粒簇30之间。在某些情形中，两个颈缩点np1，np2当中的一个将在另一个完全成形之前断裂，即发生图3a和图3b所示的情形。
由上述描述可知的是，本磁性数字微流体操控方法200包括如下基本步骤：使含磁性颗粒的液滴在疏水性表面(201)上与聚多巴胺表面能阱相接触；使液滴的至少一部分保持于表面能阱(202)之上；以及通过磁力(203)至少使所述磁性颗粒移动。当需要提取颗粒时，将整个液滴保持于表面能阱(202)上，而仅使磁性颗粒在磁力(203)的作用下移出液滴。当需要分配液体时，仅将液滴的一部分保持于表面能阱(202)上，而使得液滴的剩余部分和磁性颗粒一起移出表面能阱(203)。
利用上述机制，本文对磁性数字微流体技术装置的由聚多巴胺赋予功能的平台上的各种类型的液滴操纵方式进行论证研究，其中，如图4至图6所示，液滴以食用色素对移动至沉积于特氟龙表面10的聚多巴胺薄膜22上的液滴进行染色。在图4至图6中，按照上述独立液滴法制成圆形表面能阱，并采用上述模板制成其他形状的表面能阱。通过以2μl的磁性颗粒30(magattractsuspensiong，qiagen)使10μl的液滴90移至直径大约为3mm的大尺寸表面能阱22(图4a)，可以容易地从液滴90中提取磁性颗粒30，并使液滴90保持于表面能阱22之上。此外，采用一系列直径大约为1.5mm的小尺寸表面能阱22(图4b)，可以将10μl的母滴90等分分配成多个体积更小的子滴。如图5a所示，采用表面能阱分配的液滴体积与表面能阱的面积成正比。研究中使用的最小表面能阱的直径为1mm，或者面积为0.78平方毫米，该表面能阱所分配的子滴体积约为470nl。利用直径为3.5mm，或者面积为7.07mm2的表面能阱，可以分配出体积为12.5μl的子滴。大于3.5mm的表面能阱通常用于颗粒提取。
由于聚多巴胺表面能阱22为特氟龙包覆基底上仅有的可润湿区域，因此聚多巴胺修饰可用于使液滴获得某种形状的流体成形(图5b)。这首先通过采用硅树脂模板图案化或沉积月牙形的聚多巴胺区域或聚多巴胺膜22来实现。当15μl的液滴90被拖拽至聚多巴胺表面能阱22上时，该液滴90将整个聚多巴胺涂敷区域22润湿，并且该液滴90由于被聚多巴胺22保持而形成为月牙形状。因此，表面能阱22所保持的液滴90的形状与表面能阱22的形状一致。
聚多巴胺22提供的粘附力还能实现选择性地将液滴从一个平台转移至另一平台。如图5c所示，第一平台101的特氟龙包覆基底上放有三个绿色液滴96和两个橙色液滴97，每一液滴的体积均为10μl。在另一涂有特氟龙的平台102上，采用10μl的盐酸多巴胺独立液滴形成三个表面能阱(图中不可见)。当两个平台101，102彼此靠近至使得第二平台102与所述绿色液滴96和橙色液滴97均相接触时，处于绿色液滴96正上方的第二平台102的表面能阱将捕获这些绿色液滴96，并将其粘起。如此，绿色液滴96选择性地从第一平台101移至第二平台102，但由于橙色液滴97并不粘附至第二平台102的特氟龙表面10，因此并未转移。因此，这一液滴操作能够用于在多级分析中在不同磁性数字微流体平台之间转移样品。
图4和图5所示的论证研究采用的是磁性数字微流体技术中常用的单板构造。然而，基于ewod的数字微流体技术却常常通过将液滴夹在两个涂有特氟龙的盖玻片之间的方式来使用双板构造。因此，如以下参考图6a至图6c所述，本文还对磁性数字微流体装置100的双板构造下采用聚多巴胺表面能阱22的液滴操纵进行了研究。在该论证研究中，液滴90置于两个盖玻片101，102之间，并与此两盖玻片接触，上方盖玻片102上形成有聚多巴胺表面能阱22。当液滴90移动至表面能阱22上时，液滴90被固定至上方盖玻片102的聚多巴胺膜22上，而磁性颗粒30则继续在下方盖玻片101上移动。其中，双板构造下的颗粒提取(图5a)、液体分配(图5b)及液体成形(图5c)论证研究所采用的操作条件与以上参考图4a至图4c所述的单板构造下的操作条件相同。
在单板构造中，已发现偶尔会有少量磁性颗粒30粘在表面能阱22上。这一情况在大尺寸表面能阱(即，磁性颗粒30需要在粘性聚多巴胺区域22中移动更长距离)以及流体成形(图4c)的情形中更为频繁。与此相对，在双板构造中，磁性颗粒30被磁力拉至下方盖玻片上而不与聚多巴胺22发生直接接触，因此当其移动通过表面能阱22时，不会有任何颗粒留在表面能阱22上。然而，与单板构造相比，双板构造更难组装，而且其所能处理的液滴体积要小得多，因此可能不适合用于某些生物检测。
在具有表面能阱的磁性数字微流体平台上以elisa法检测hbsag
作为一种示例性应用，本文对在特氟龙表面10上设有包括聚多巴胺表面能阱22的磁性数字微流体装置平台上的乙型肝炎表面抗原(hbsag)检测进行了论证研究，以作为一种潜在的乙型肝炎即时体外诊断手段。乙型肝炎为一种严重疾病，患及全球3亿多人口。hbsag为一种公认的早期诊断标志物，血清中hbsag水平可作为病毒活性的良好指标。为了检测hbsag，在磁性数字微流体平台上实施elisa法来制成标准曲线(图7)。其中，如图7a所示，首先制备平台，并在平台上形成两排聚多巴胺表面能阱22-7，22-4，22-5。为了形成每排聚多巴胺表面能阱22-7，22-4，22-5，先在特氟龙10包覆盖玻片的图7a所示的指定位置处滴出多巴胺单体溶液的四个10μl液滴以及一个20μl液滴，然后将其培育静置1小时。在每一排中，20μl多巴胺单体溶液形成的第一表面能阱22-7的直径约为3.5mm，10μl多巴胺单体溶液形成的第二至第五表面能阱22-4，22-5的直径约为2.5mm。多巴胺聚合后，以去离子水冲洗盖玻片，干燥后保存至使用前。
为了准备用于elisa法的平台，如图7a所示，在第二至第四表面能阱24上滴出三个洗涤缓冲液液滴40(含0.1％(v/v)吐温20(bio-radinc.)的1×pbs)，在第五表面能阱上滴出一个10μl的3,3',5,5'-四甲基联苯胺(tmb)液滴50(1-stepultratmb溶液，thermofisherscientificinc.)，并在与tmb液滴50相邻的特氟龙表面10上直接滴出一个10μl的终止溶液液滴60(0.18m硫酸)。除终止溶液液滴60之外的所有其他液滴均直接滴于聚多巴胺表面能阱22-7，22-4，22-5上。这些表面能阱将液滴40，50固定住，以促进颗粒提取并防止在洗涤过程中发生非所需的液滴移动。此外，为了防止相对较长的培育过程中发生蒸发，所有样品70均在湿度受控的环境中培育。终止溶液液滴60将在最后步骤中移动至与tmb液滴50融合，因此在此之前不受表面能阱22限制。
随后，将hbsag含量为0～5ng的样品的两倍连续稀释液在含有作为动态阻断剂的5％牛血清白蛋白的样品液滴70内与磁性颗粒(如
在将与轭合
根据线性回归法计算出的检出限为67.1ng/ml。研究表明，乙型肝炎患者血清样品中的hbsag含量为1000iu/ml以上，或者根据hbsag转换标准，大约为430～580ng/ml。因此，此类血清样品无需稀释便可直接使用。在以现有96孔微孔板实施相同的elisa检测后发现，本磁性数字微流体平台获得的线性范围与利用现有96孔板进行的对照实验相符，而且与文献记载的范围(0.5～1ng/ml)也相符。虽然现有elisa的检出限较低，但其输入样品体积为本磁性数字微流体平台所实施的基于液滴的elisa的10倍。此外，基于微孔板的elisa无法直接使用血清样品，必须通过样品稀释而与线性范围的hbsag浓度相匹配。
上文描述了一种利用贻贝仿生聚多巴胺形成表面能阱以促进磁性数字微流体平台上的液滴操纵的新方法。聚多巴胺强力粘附在其他方式无法润湿的特氟龙上的独特能力能够使得极其容易地在疏水性的特氟龙表面上形成亲水性区域图案。以上，在多巴胺单体浓度、缓冲液ph值以及反应时间方面，对在特氟龙上涂敷聚多巴胺的反应条件进行了优化，并通过测量接触角而对特氟龙上的聚多巴胺涂层进行了表征。其中，通过调节多巴胺单体溶液的体积，或者通过使用硅树脂模板，对聚多巴胺表面能阱的形状和尺寸进行控制。以上，还利用聚多巴胺表面能阱，在磁性数字微流体平台上对包括颗粒提取、液体分配、液体成形以及跨平台转移在内的各种液滴操作进行了论证研究。此外，还对双板构造下磁性数字微流体平台上的表面能阱辅助式液滴操纵以及平行多份的蛋白定量进行了论证研究。除此之外，还对作为一种潜在乙型肝炎感染即时体外诊断手段的聚多巴胺表面能阱辅助式磁性数字微流体平台上的elisa法hbsag检测进行了论证研究。
为了进一步促进对液滴的操纵，如图8a至图13所示，磁性数字微流体装置100可包括至少一个用于执行特定功能的液滴操纵单元80。磁性数字微流体装置100的表面能阱22可设置于液滴操纵单元80上。在例示实施方式中，液滴操纵单元80上的表面能阱22可通过将该液滴操纵单元在5mg/ml的多巴胺溶液中浸涂1小时后室温干燥的方式形成。通过在液滴操纵单元80上设置表面能阱22，可以使该液滴操纵单元80用作磁性颗粒提取单元80e或液体分配单元80d，以下将对此进行进一步详细例示说明。液滴操纵单元80可构造为能够以可拆除的方式附接至装置100的平台101上，优选附接至平台101的多个可选位置当中的任何一处。通过这种方式，装置100能够通过将合适的液滴操纵单元80附接至平台101上来实施所附接的液滴操纵单元80提供的特定功能，从而能够选择性地执行不同功能。在一种替代方案(未图示)中，液滴操纵单元80可设置于平台101的预定位置处。如图8a至图7c所示，通过在平台101上设置多种用于执行不同功能(如颗粒提取80e、液体分配80d、混合80m)的液滴操纵单元80，能够将磁性数字微流体装置100构造为执行多种不同的液滴操纵功能。
举例而言，如图9a和图9b所示，液滴操纵单元80的磁性颗粒提取实施方式80e可包括凸起82，该凸起具有c形截面，该c形截面具有疏水性表面10。疏水性表面10可通过将液滴操纵单元80在1％特氟龙中浸涂1小时后室温干燥的方式形成。凸起82的顶端82t涂敷有聚多巴胺，以在液滴操纵单元80的凸起82的顶端82t处形成表面能阱22。如图8a和图9b所示，当液滴操纵单元80e附接于平台101上且设置为使凸起顶端82t朝向下方时，液滴操纵单元80e在含有磁性颗粒(如7μl的magattractsuspensiong磁性颗粒，qiagen)且设于疏水性表面102上的液滴90(例如，体积为10μl)与液滴操纵单元80e的表面能阱22接触(201)时用作磁性颗粒提取单元。其中，整个液滴90由表面能阱22保持(202)于c形顶端82t处，而磁性颗粒30在磁铁m提供的磁力的作用下移出(203)液滴90。
在另一例中，如图10a和图10b所示，液滴操纵单元80的液体分配实施方式80d可包括凸起82，该凸起82的顶端处设有孔82h。孔82h既可以为盲孔，也可以为通孔。凸起82可具有通过将液滴操纵单元80在1％特氟龙中浸涂1小时后室温干燥而形成的疏水性表面10。孔82h涂有聚多巴胺，以在孔82h处形成表面能阱22。如图8a和图10b所示，当液滴操纵单元80d附接于平台101上且设置为使凸起孔82h朝向下方时，液滴操纵单元80d在含有磁性颗粒且设于疏水性表面102上的液滴90与液滴操纵单元80d的表面能阱22相接触(201)时用作液体分配单元。其中，液滴90的一部分由表面能阱22保持(202)于孔82h中，而磁性颗粒30以及液滴90的剩余部分在磁铁m提供的磁力的作用下向远处移动(203)。
液滴操纵单元80的其他实施方式可用于实施如图11所示的液体混合操作或者如图12所示的液滴转移操作。举例而言，图11所示的混合液滴操纵单元80m可包括多个具有疏水性表面(例如，以1％特氟龙溶液包覆，或者顶端由特氟龙制成)的凸起82，从而使得当液滴90在与朝向下方的凸起82相对的表面102上移动时，每一凸起82依次通过液滴90，从而实现液滴90内液体的混合。举例而言，图12所示的转移液滴操纵单元80t可包括多个凸起82，每一凸起均具有平头端82f，该平头端上涂敷有聚多巴胺，以用作将液滴22从另一表面(未图示)移下后保持于其上的表面能阱22。虽然图12中示出四个凸起82，但是在其他实施方式中，也可设置其他数目的凸起82。
当液滴操纵单元80构造为以可释放方式附接至平台101上时，液滴操纵单元80与平台101的这一可释放附接可通过任何合适的手段实现，例如，可采用设于液滴操纵单元80和平台101上的磁铁实现，或者提供过在液滴操纵单元80和平台101上分别设置能够互锁的连接元件实现。举例而言，所述连接元件包括设于平台101上的若干(至少一个)凸起189(图8a)以及设于液滴操纵单元80的基台80b处的至少一个具有相应形状的凹槽89(图9b和图10b)，其中，凸起189可与所述至少一个凹槽89紧密配合，从而不但允许液滴操纵单元80牢固地固定于平台101上，而且允许液滴操纵单元80从平台101上取下。在一种例示实施方式中，从图8c可以看出，液滴操纵单元80上的一个凹槽89可构造为与平台101上的两个或四个凸起189配合。可以理解的是，在其他实施方式(未图示)中，也可在液滴操纵单元上设置上述数目的凸起，而在平台上可设置至少一个具有相应形状的凹槽。
在磁性数字微流体装置100的一种例示实施方式中，如图13所示，多个液滴操纵单元80附接至平台101上并自该平台101向下延伸，从而与设于疏水性表面102上且在磁力作用下移动的液滴90(含磁性颗粒)相互作用。在一种例示实施方式中，疏水性表面102可包括
由此可见，上述装置(参见图8a至图14)为各种生物检测应用提供了一种对液滴进行无泵、无泄露、模块化的磁性数字微流体操控方式。
虽然上文已对本发明的例示实施方式进行了描述，但本领域技术人员可理解的是，在不脱离本发明的情况下，还可在设计、构造和/或操作方面的细节上做出各种变化和组合。