崭新磁力驱动液滴技术，料有助日后提高病毒测试敏感度
精确地操控及运输微小液滴是一项极具挑战性的任务，对生物医学和工业应用极为重要。由香港城市大学（城大）一名学者领导的研究团队，最近成功开发一种崭新的微液滴磁力驱动技术“WRAP”，可以通过电磁场运输不同大小和成分的液滴。研究团队认为这次研究成果，对于开发新一代微流控*技术以及检测带有COVID-19或其他病原体的病人呼吸道飞沫（微液滴）的新技术方面，具有极大的发展潜力。
有关科研团队由城大赛马会动物医学及生命科学院生物医学系（BMS）副教授姚希博士领导。他们的研究成果已于科学杂志《自然通讯》（Nature Communications）上发表，题为〈Wetting ridge assisted programmed magnetic actuation of droplets on the ferrofluid-infused surface〉。
通过“铁磁流体” 实现磁力驱动液滴技术的重大突破
一直以来，如何能在固体表面上灵活、迅速且高度准确地输送微液滴（体积可小至纳升级数），是科学家面对的一个巨大挑战。与其他利用光学、热力或表面电荷的驱动及运输方法相比，磁力驱动具有许多优势，例如：反应迅速、驱动力量大和可以程序化控制。然而，传统的磁力驱动运输技术面对的其中一个关键难题，便是为了令液滴对磁力有反应，往往要为液滴人工添加磁性颗粒，但这样对液滴造成污染，大大限制了磁力运输技术的应用。
姚希博士说：”成功的液滴操控（运输）方法，应是既能达致驱动力强劲、可逆转以及可自由编程的液滴驱动，同时对液滴的成分和尺寸所需施加的限制则愈少愈好。”为了克服这些挑战，由姚博士和合作学者联合带领的科研团队，最终成功研发出一种毋须添加磁性材料的“润湿脊辅助编程”（wetting ridge assisted programmed，简称：WRAP）磁力驱动液滴技术。
科研团队是通过使用“铁磁流体（ferrofluid）”实现这一重大突破。铁磁流体是一种在溶剂中加入了悬浮的微型铁粒子（铁磁粒子）的液体。若有磁场出现，铁磁流体即会变得高度磁化。
在这次研究中，科研团队首先把铁磁流体注入一个多孔表面。其后，当微小液滴跌落在多孔表面时，由于表面张力的影响，铁磁流体会自动“包裹”着液滴，并在毛细管力的作用之下，在液滴周围形成了会对磁力作出反应的”铁磁流体脊”（注︰铁磁流体围着液体、状似山脊的弯液面，详见左图）包围着液滴。
改变外部电磁场 控制液滴的运输路径
当实验中的电磁铁正式通电及产生电磁场时，“铁磁流体脊”便会被磁力所吸引，连同它包围着的微液滴，一并根据磁场的方向移动。故此，科学家可以透过设计及改变外部电磁场，以编程的方式控制液滴的移动及运输路径。
当喷洒微小液滴到注上铁磁流体的表面，并施加电磁场后的情况。(影片來源︰DOI number: 10.1038/s41467-021-27503-1)
“WRAP”液滴操纵技术 为开发崭新数码化微流控技术带来莫大推动力
姚博士进一步解释，只要成功产生“湿润脊”去包围液滴，上述的”WRAP”驱动液滴方法就能够使用。这意味着“液滴”的运输，以后将不再受到液滴大小、液滴表面张力高低又或是其内含成分的限制。
在是次实验中，科研团队成功利用电磁铁，以编程方式精确地控制了液滴的生成、移动、合并和混合。“这些建基于WRAP液滴操纵技术的典型应用，于开发崭新的数码化微流控技术方面很有前景。”姚博士说。
实验显示透过一系列的电磁铁编程操控，单一个液滴可循指定的M型路径移动。(影片來源︰DOI number: 10.1038/s41467-021-27503-1)
专家料WRAP新技术具提升生物医学分析敏感度的应用潜能
科研团队亦发现，若使用WRAP技术将众多微液滴收集并合并成大液滴之后，生物分析的信号会大幅增强。由于WRAP技术可以控制收集自病人的大量呼吸道飞沫（微液滴）的移动路径，并把它们合并成为一个更大的测试样本，即是较大的液滴，故这新技术有机会透过与免疫测定和核酸测定等先进生化测试相结合，对病人呼吸道喷出飞沫内所含有病原体（如冠状病毒）进行更精确的检测。姚博士认为上述的研究新发现，料有助日后提高病毒测试的敏感度。
是次科学研究论文，通讯作者分别是姚博士、荷兰特文特大学Frieder Mugele教授以及中国科学院高军博士。第一作者则包括城大BMS博士毕业生张建强博士以及博士生王雪娇小姐。这项研究更得到香港研究资助局、城大以及深圳市基础研究计划的支持。
*注：微流控（microfluidics）是指使用微管道或其他纳米技术，去精确地处理、操纵或移动极微小液体的技术及科学。
DOI number: 10.1038/s41467-021-27503-1
本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
Wechat ID: CityU_Research
