加州大學(xué)河濱分校杜可課題組: 基于3D打印的液態(tài)核心光流體

來源： 摩方PuSL高精密3D打印

液態(tài)核心（liquid-core）光波導(dǎo)是光流體學(xué)的主要系統(tǒng)之一，由液態(tài)核心層與固態(tài)包層組成。其液態(tài)核心可同時(shí)實(shí)現(xiàn)液態(tài)樣品之傳輸與光導(dǎo)功能。近來隨著微機(jī)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，該裝置可微型化而便于攜帶甚至可模塊化以適應(yīng)不同應(yīng)用進(jìn)行組裝。常見應(yīng)用于以熒光探測為基礎(chǔ)的生物感測器、吸收光譜與生物醫(yī)學(xué)的相關(guān)研究。一般來說，材料的折射系數(shù)(refractive index)對(duì)光導(dǎo)的性能具有關(guān)鍵影響，當(dāng)液態(tài)核心的折射系數(shù)高于包層的系數(shù)，方有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)全反射。而此參數(shù)在設(shè)計(jì)上有兩種常見方法：一為直接選用適合的材料以提高核心與包層的數(shù)值差異；二則是設(shè)計(jì)復(fù)合式包層。第二種復(fù)合式方法更為靈活。因?yàn)橐话愫诵膶拥恼凵湎禂?shù)受限于受測物質(zhì)的需求，因此包層的材料選擇也比較受限。近來，微納米結(jié)構(gòu)形成的疏水表面被許多科研機(jī)構(gòu)采用，由于該結(jié)構(gòu)之間有許多微小氣泡，整體包層的復(fù)合有效折射系數(shù)將降低許多，對(duì)于裝置中液態(tài)核心層本身折射系數(shù)偏低相對(duì)有利。

在此基礎(chǔ)上，加州大學(xué)河濱分校的杜可教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)以微型結(jié)構(gòu)為基底的液態(tài)核心光波導(dǎo)進(jìn)行了研究，并采用近年受到矚目的面投影微立體光刻技術(shù)取代了先前基于黑硅(black silicon)的平板式封裝設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)上，微機(jī)電制作的晶片偏向二維平板式設(shè)計(jì)，較難實(shí)現(xiàn)三維立體的特殊結(jié)構(gòu)，且需要有良好封裝。然摩方精密的面投影微立體光刻技術(shù)能夠克服上述兩點(diǎn)限制。該團(tuán)隊(duì)提出了幾種不同的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搭配疏水表面涂層（PTFE），實(shí)現(xiàn)了一體成形不需封裝且具有微結(jié)構(gòu)的液態(tài)核心光波導(dǎo)。該研究探討了結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度、光波導(dǎo)截面幾何與有效包層范圍內(nèi)的優(yōu)化對(duì)整體設(shè)計(jì)的影響。報(bào)告中也展示了后期應(yīng)用于病毒檢測（CRISPR）的研究。未來有機(jī)會(huì)輔助CRISPR相關(guān)研究甚至實(shí)現(xiàn)三維打印的生物體內(nèi)偵測裝置設(shè)計(jì)。相關(guān)成果以“On-Demand Fully Enclosed Superhydrophobic−Optofluidic Devices Enabled by Microstereolithography”為題發(fā)表在《Langmuir》期刊上。

圖1. (a) 微光柵結(jié)構(gòu)、(b) 微針結(jié)構(gòu)、(c) “T 形”結(jié)構(gòu)和 (d) “傘形”結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像和光學(xué)顯微照片。 （e）“T 形”光流控裝置的橫截面。 固體/水/空氣界面用黃色虛線標(biāo)記。 （f，g）在 Teflon AF 涂層之前（f）和 Teflon AF 涂層之后（g）的平面樣品的靜態(tài)水接觸角測量。 (h) 顯示由兩個(gè)間隙較大的“T”形結(jié)構(gòu)支撐的液滴的照片。 (i) 在固體/水/空氣界面處反射的光束，入射角為 35°。 (j) 裝置與平臺(tái)的實(shí)際圖像，其中光與液芯共享相同的路徑。 液體通過嵌入的微管泵入液芯。 插圖中描繪了裝置中的流體流動(dòng)方向。

報(bào)告中展示了由多種常見微結(jié)構(gòu)組成的不同芯片裝置，如圖1。其中“T 形”結(jié)構(gòu)在平板上的疏水效果可由圖1(h)得知，即便在大間隔的情況下，液滴下方仍然存在空氣隔間。實(shí)際上整體的光學(xué)平臺(tái)搭置如圖２所示，可根據(jù)不同激發(fā)光需求替換激發(fā)光源。 “T 形”結(jié)構(gòu)在不同激發(fā)光波長下有最佳的工作效能且有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度（相較微針結(jié)構(gòu)與微光柵結(jié)構(gòu)）。團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步針對(duì)基于“T 形”結(jié)構(gòu)的芯片進(jìn)行了截面幾何與有效包層范圍內(nèi)的固體材料比例的探討。結(jié)果顯示在合理的機(jī)械強(qiáng)度下，“T 形”結(jié)構(gòu)的芯片可往低材料厚度、適中結(jié)構(gòu)寬度與圓形截面來進(jìn)一步優(yōu)化。

圖2. (a) 光學(xué)測量裝置示意圖。不同光流體芯片在不同激發(fā)光波長之下的光傳輸顯示于(b) 405、(c) 490、(d) 595 和 (e) 1100 nm。 誤差線代表每個(gè)相應(yīng)樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表三個(gè)測量值的平均值。

圖3. (a) 固體包層厚度分別為 400 和 600 μm 的無結(jié)構(gòu)光流控芯片的透射測量。 (b) 損失機(jī)制在固體/水/空氣界面示意圖。 (c) 各種“T 形”結(jié)構(gòu)和不同入射角的透射測量。T-1顯示出最佳性能。 每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表三個(gè)測量值的平均值。

圖4. (a) 通過輸入 1.6 nM 量子點(diǎn)的各種光流控平臺(tái)的未校正熒光發(fā)射光譜。 插圖為熒光溶液照片。 光從右向左傳播。 (b) 集成熒光信號(hào)隨著量子濃度從 0 增加到 6.3 nM。 每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表三個(gè)測量值的平均值。

該設(shè)計(jì)被進(jìn)一步應(yīng)用于熒光測量的CRISPR-病毒檢測。在熒光量測中，“T 形”結(jié)構(gòu)的芯片有最佳的量測效能與預(yù)測結(jié)果一致。而在CRISPR系統(tǒng)中，目標(biāo)DNA將與CRISPR-Cas12a結(jié)合并使單鏈 DNA 探針變性，致使散布在溶液中的量子點(diǎn)將不與單鏈 DNA 探針結(jié)合。這些量子點(diǎn)可經(jīng)過分化過程從上清液中取出并放入芯片中測量。該結(jié)果顯示團(tuán)隊(duì)提出之原型設(shè)計(jì)能夠與CRISPR相關(guān)檢測系統(tǒng)整合，甚或成為生物體內(nèi)檢測相關(guān)裝置原型開發(fā)的參考。

圖5. (a) 規(guī)律間隔成簇短回文重復(fù)序列(CRISPR) 與關(guān)聯(lián)蛋白 (Cas) 結(jié)合用于簡單和靈敏的核酸檢測示意圖。 (b) DNA 目標(biāo)為 0.1、1 和 10 nM 的樣品的熒光強(qiáng)度。 陰性對(duì)照（無目標(biāo)）標(biāo)記為 NTC。 每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表三個(gè)測量值的平均值。

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https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c01658