可控微液滴分配技术助力诊断芯片高精度规模化制备
在现代科技产业中，喷涂、喷墨打印、微接触印刷等多种表面涂层工艺广泛应用于电子、生物仪器、医疗检测设备等领域。在诊断检测及制造领域，普遍存在液体分布不均、材料利用率低、涂层精度与厚度不稳定等问题，严重制约产品质量的提升与行业发展。因此，研发高精度、高效率、高均匀性且具备可扩展性的表面涂层技术，成为当下亟待解决的问题。
在此背景下，弗莱堡大学微系统工程系（IMTEK）联合德国Biofluidix公司于2024年6月26日在《Micromachines》杂志上发表了文章《Highly Parallel Droplet Dispensing Approach to Provide Homogeneous and Controllable Droplet Arrays for Diagnostic Test Manufacturing》。在该研究中，作者研发了一种微量/超微量压电式皮升级／纳升级点样/移液设备，用于满足制备微阵列生物芯片、微流控快检芯片、生物传感器芯片、电化学芯片、光电芯片、移液分液等需求。
实验流程
01 分配装置
主要由墨盒、活塞、压电致动器和喷嘴芯片构成（图1）。墨盒采用铣削聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）材料制作，设有两个200μm高的进样通道，用于引导液体从储液器流入腔室。活塞由 3DM-Tough 树脂材料经Prusa sl1s光固化3D打印机制成，其带有O型圈密封结构，与BioFluidix特制的微量压电式皮升级／纳升级点样喷头相连。喷嘴芯片由300μm厚硅片经深反应离子蚀刻（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）工艺制成，喷嘴入口深150μm，且表面经处理，喷嘴表面疏水、入口亲水（图2）。
02 无气泡灌注
为保证液滴分配稳定，先进行无气泡灌注。利用压力储液器提供 0.5mbar压力，使液体流经进样通道，充分湿润管路和腔室，有效排除气泡，确保实验稳定进行。
03 液滴喷点
实验时，腔室内活塞直接推动液体，在压电阀精确控制下液滴从喷嘴稳定喷出。活塞上下运动循环作业，向下推动液体形成液滴，向上则使腔室重新填充液体，维持连续稳定的液滴喷射。
实验结论
01 确立喷液芯片设计
根据液滴喷点结果，明确了喷嘴直径、通道间距、阵列尺寸与液滴体积、活塞表面积的关系，为芯片设计提供了理论依据（图2）。
02 精准控制液滴
该装置可精准调控液滴体积（140pL-20nL）和速度。特定配置下，压电冲程1-4μm、冲程速度20-45μm/ms 时，液滴分配效果良好，体积变异系数CV低于2.5%，平均液滴体积达366pL。
03 适应多种材料
实验表明，装置能适应不同粘度液体。随着液体粘度增加，通过调整压电冲程和速度，仍可实现稳定液滴喷射，只是液滴体积会相应减小。
04 稳定性良好
模拟生产线环境12小时连续实验中，装置分配液滴总计1万800 次，打印微阵列质量稳定，证明其可靠性高，适用于工业连续生产。
研究成果为生产诊断测试产品的表面涂层技术带来新的思路。BioFluidix超微量/微量压电式皮升级／纳升级点样喷头在实验中展现出优异性能，为实现高精度、高均匀性表面涂层提供了可靠方案。其在制备生物传感器芯片、多孔板移液/分液、研发侧向层析检测芯片等领域应用前景广阔，有望推动诊断测试制造行业进入新的发展阶段。
文献全文链接：https://doi.org/10.3390/mi15070824
Biofluidix成立于2005年，位于德国，技术源自德国弗莱堡大学微量系统工程学院。
专注非接触式的精准纳升和皮升的超微量点样和分液；
点样喷头可第三方自动化整合；
提供微量分液、芯片点样设备与定制化服务
用于微孔板微量移液、微流控快检芯片、生物传感器芯片、电化学芯片、光电芯片以及微阵列生物芯片，包括：核酸芯片，基因芯片，蛋白芯片，多肽芯片、多糖芯片、小分子化合物芯片、细胞芯片。
在此背景下，弗莱堡大学微系统工程系（IMTEK）联合德国Biofluidix公司于2024年6月26日在《Micromachines》杂志上发表了文章《Highly Parallel Droplet Dispensing Approach to Provide Homogeneous and Controllable Droplet Arrays for Diagnostic Test Manufacturing》。在该研究中，作者研发了一种微量/超微量压电式皮升级／纳升级点样/移液设备，用于满足制备微阵列生物芯片、微流控快检芯片、生物传感器芯片、电化学芯片、光电芯片、移液分液等需求。
实验流程
01 分配装置
主要由墨盒、活塞、压电致动器和喷嘴芯片构成（图1）。墨盒采用铣削聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）材料制作，设有两个200μm高的进样通道，用于引导液体从储液器流入腔室。活塞由 3DM-Tough 树脂材料经Prusa sl1s光固化3D打印机制成，其带有O型圈密封结构，与BioFluidix特制的微量压电式皮升级／纳升级点样喷头相连。喷嘴芯片由300μm厚硅片经深反应离子蚀刻（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）工艺制成，喷嘴入口深150μm，且表面经处理，喷嘴表面疏水、入口亲水（图2）。
图1 喷点装置示意图
图 2 喷嘴芯片示例图
(A) 喷嘴阵列设计细节；(B) 芯片表面，包括喷嘴入口和喷嘴表面；(C) 喷嘴芯片的横截面图，显示喷嘴入口和喷嘴高度；(D) 组装好的墨盒和喷头示例02 无气泡灌注
为保证液滴分配稳定，先进行无气泡灌注。利用压力储液器提供 0.5mbar压力，使液体流经进样通道，充分湿润管路和腔室，有效排除气泡，确保实验稳定进行。
03 液滴喷点
实验时，腔室内活塞直接推动液体，在压电阀精确控制下液滴从喷嘴稳定喷出。活塞上下运动循环作业，向下推动液体形成液滴，向上则使腔室重新填充液体，维持连续稳定的液滴喷射。
实验结论
01 确立喷液芯片设计
根据液滴喷点结果，明确了喷嘴直径、通道间距、阵列尺寸与液滴体积、活塞表面积的关系，为芯片设计提供了理论依据（图2）。
02 精准控制液滴
该装置可精准调控液滴体积（140pL-20nL）和速度。特定配置下，压电冲程1-4μm、冲程速度20-45μm/ms 时，液滴分配效果良好，体积变异系数CV低于2.5%，平均液滴体积达366pL。
03 适应多种材料
实验表明，装置能适应不同粘度液体。随着液体粘度增加，通过调整压电冲程和速度，仍可实现稳定液滴喷射，只是液滴体积会相应减小。
04 稳定性良好
模拟生产线环境12小时连续实验中，装置分配液滴总计1万800 次，打印微阵列质量稳定，证明其可靠性高，适用于工业连续生产。
研究成果为生产诊断测试产品的表面涂层技术带来新的思路。BioFluidix超微量/微量压电式皮升级／纳升级点样喷头在实验中展现出优异性能，为实现高精度、高均匀性表面涂层提供了可靠方案。其在制备生物传感器芯片、多孔板移液/分液、研发侧向层析检测芯片等领域应用前景广阔，有望推动诊断测试制造行业进入新的发展阶段。
文献全文链接：https://doi.org/10.3390/mi15070824
Biofluidix成立于2005年，位于德国，技术源自德国弗莱堡大学微量系统工程学院。
专注非接触式的精准纳升和皮升的超微量点样和分液；
点样喷头可第三方自动化整合；
提供微量分液、芯片点样设备与定制化服务
用于微孔板微量移液、微流控快检芯片、生物传感器芯片、电化学芯片、光电芯片以及微阵列生物芯片，包括：核酸芯片，基因芯片，蛋白芯片，多肽芯片、多糖芯片、小分子化合物芯片、细胞芯片。
