I. Nguyên tắc cốt lõi và thiết kế

Hệ thống vi chất lỏng điểm dựa trên ‌Kiểm soát căng thẳng bề mặt‌và‌Công nghệ vi chất lỏng‌cho phép phân phối chất lỏng chính xác. Nguyên lý cốt lõi của nó thông qua điều chỉnh tốc độ pha chế, đường kính mũi kim, khoảng cách pha chế và độ nhớt của keo, kiểm soát sự hình thành và hình thái của giọt nước. Ví dụ, phương pháp pha chế tiếp xúc sử dụng sự cân bằng động giữa lực căng bề mặt và lực dính để tạo ra các đốm keo đồng nhất với độ chính xác micron, với tỷ lệ thành công đạt 92,7%. Các kỹ thuật tạo giọt thụ động phổ biến trong thiết kế vi lưu (ví dụ: cấu trúc T, phương pháp hội tụ dòng chảy) cho phép chuẩn bị giọt phân tán đơn dòng chảy cao bằng cách tối ưu hóa các thông số hình học kênh.

II. Thành phần hệ thống và công nghệ chính

1, Kiến trúc phần cứng

• Mô-đun pha chế: Bao gồm kim pipet chính xác, hệ thống kiểm soát áp suất và bộ điều khiển nhiệt độ để đảm bảo độ nhớt keo ổn định và tính nhất quán của pha chế.

• Mô-đun quan sát: Tích hợp hệ thống hình ảnh vi mô, nắm bắt thời gian thực quá trình hình thành giọt và chất lượng keo, hỗ trợ điều chỉnh thông số động.

Chip điều khiển dòng chảy vi mô: Sử dụng cấu trúc PDMS nhiều lớp hoặc công nghệ in 3D, tích hợp các đơn vị tạo giọt, trộn và rửa để đáp ứng nhu cầu phản ứng nhiều bước.

2, Công nghệ điều khiển thông minh

• Thuật toán học máy được áp dụng cho tự động hóa thiết kế giọt để dự đoán các thông số vận hành tối ưu thông qua mô hình đào tạo dữ liệu lịch sử, rút ngắn đáng kể chu kỳ phát triển.

• Hệ thống phản hồi vòng kín kết hợp cảm biến áp suất với phân tích hình ảnh để thực hiện điều chỉnh thích ứng kích thước giọt và phân phối.

III. Thách thức và giải pháp chính

• ‌ Ổn định giọt: Giảm nguy cơ tan chảy và vỡ giọt bằng cách tối ưu hóa nồng độ chất hoạt động bề mặt với tỷ lệ tốc độ dòng chảy hai pha.

• Kiểm soát dư lượng: Sử dụng thiết kế tường bên trong mịn màng và công nghệ xả xung để giảm tác động của chất lỏng keo dư trong microchannel đối với các hoạt động tiếp theo.

• Tích hợp quy trình phức tạp: Phát triển các đơn vị "máy giặt mini" để thực hiện thay thế năng động chất lỏng trong giọt, hỗ trợ quá trình phát hiện sinh học nhiều bước.

IV. Kịch bản ứng dụng điển hình

1, Y sinh học

• Trong phân tích nhóm phiên mã đơn bào, các giọt nhỏ hoạt động như một bình phản ứng độc lập để đạt được trình tự gen thông lượng cao và sàng lọc thuốc.

• Phân tích đa nhóm mẫu máu vi lượng (10μL), tăng độ nhạy phát hiện bằng cách đóng gói giọt, hỗ trợ theo dõi sức khỏe chính xác.

2, Sản xuất chính xác

• Lĩnh vực đóng gói vi điện tử, được sử dụng trong lớp phủ nano của keo kết nối chip, đảm bảo tính chất điện và ổn định nhiệt của thiết bị.

• Chuẩn bị hạt nano phân tán đơn để kiểm soát kích thước và hình dạng vật liệu thông qua phương pháp mẫu giọt.

V. Định hướng phát triển trong tương lai

• Hoạt động giọt phức tạp: Phát triển công nghệ lồng ghép giọt nhiều giai đoạn để đạt được kiểm soát cách ly không gian-thời gian của phản ứng hóa học và nuôi cấy sinh học.

• Hợp nhất công nghệ phát hiện: tích hợp các dấu huỳnh quang, phổ Raman và các phương tiện phát hiện tại chỗ khác để nâng cao khả năng giám sát thời gian thực của phản ứng trong các giọt.

Sản xuất xanh: thúc đẩy vật liệu chip vi lưu có thể phân hủy và giảm ô nhiễm môi trường trong các ứng dụng y tế và công nghiệp.