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光照控制微流体 未来或促成医疗检测仪家庭化

来源: /  作者:   时间: 2016/10/12 16:14:22

在一根比头发丝粗不了多少的细小管线中,在不同的光照强度下,管线中的液体或蜿蜒而行,或克服重力爬坡,仿佛一道光变身“魔杖”,驭“水”有术。

9月8日,复旦大学宣布,该校材料科学系与聚合物分子工程国家重点实验室在光控微流体研究上取得重大突破,首次完成了可达到实用效果的光控微流体技术,未来它或许能够让“芯片实验室”成为医疗检测仪器家庭化的福音。北京时间9月8日凌晨,国际权威期刊《自然》杂志在其主刊上正式发表了这项研究成果。

原理:光照让微量液体在微管中运动

从2003年起,复旦大学俞燕蕾教授团队通过材料学科和控制学科等多领域交叉合作,最终利用仿生学原理,模拟人类血管的弹性和韧性优点,找到了一种适合的高分子液晶新材料,并将合成为光控微流体技术中的微管执行器。

复旦大学俞燕蕾教授团队

9月8日,记者在实验室看到,微管执行器直径仅为0.5mm,比头发粗不了多少,而这正是这项最新成果的核心技术所在。


通过光线的照射,微量液体可在微管执行器中实现运动传送或化学反应。复旦团队研发的光控微流体技术通过改变光照条件就能够精确控制液体运动的方向和速率,实现以往无法完成的长程运动(连续驱动微量液体运动超过50 毫米),甚至可以使微量液体搅拌、融合、克服重力爬坡,及产生S形和螺旋形运动轨迹。

光照究竟是如何让微量液体在微管中发生移动或变化呢?奥秘就在于这种新型微管具有的柔性和弹性,可以在光照的作用下发生新的形状变化。

团队成员吕久安解释:“从外部来看,最明显的就是光照之后,这个微管执行器可以由圆柱体变成锥形管,实际上是因为产生形变之后,内部的液体有一个拉普拉斯压差,在这个压差的作用下,液体就会自发涌动了。”

据介绍,这种新型微管中的液体运动速度可以高达每秒钟6毫米,是过去光控微流体技术的几十倍,且光致形变可逆循环100次,微管执行器无明显疲劳。

“这种微管还可以通过光照让不同液体进行融合或者发生化学反应,从而实现了微操作的技术要求。根据实验,新型光控微流体技术可以适用于各种类型的液体,比如水溶液、血清蛋白溶液、细胞培养液、乙醇、植物油、汽油等,理论上可以满足各种技术和产业的要求。” 俞燕蕾说。

意义:“芯片实验室”有望走入寻常百姓家

用光“驾驭”水,一直是科学家努力的目标。因为当今许多高新技术,例如集成电子、精密仪器,医疗设备,生物制药等领域,都离不开微量液体的传输,而这却需要大型的设备才能实现。

在一块几平方厘米大小的芯片上集成生物和化学领域所涉及的基本操作单元,通过微流控技术完成不同的生物或化学反应过程,并对其产物进行分析,是近年来日趋热门的“芯片实验室”概述。而要实现这一设想,微流控系统的简化势在必行。

“现在很多微流控技术,本身芯片很小,但是由于微管材质是非响应性的,因此需要外部再连接大型的泵,才能驱动液体流动,所以整个微流控系统很难做到很简化,或者便携、集成化。” 俞燕蕾说。

俞燕蕾表示,此次团队取得重大突破的光控微流体技术有望简化微流控系统,将来还将进一步做到集成化、小型化,在微反应器、芯片实验室、微光机械系统等领域都将“大展拳脚”,“今后还有可能将这样的芯片实验室做到价廉物美,走入寻常百姓家。”

“今后一旦应用到医疗领域,比如在医院验血时,孕妇可能不用被抽好几管血了,只需在集成了光控微管的验血设备中滴上几滴就行。甚至,有可能让这样的设备进入普通家庭,市民在家就能验血检测。”团队成员展望未来。

目前,该研究成果已申报中国发明专利和国际PCT专利。  


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