香港中文大学何亦平团队AM综述：基于光响应材料的液滴操控及其生化应用

微液滴作为新型微反应器，已经在酶进化、分子诊断和单细胞分析等领域发挥了重要作用。然而，对微液滴的精确操控仍然具有挑战性。在各种技术中，光驱动液滴操控技术凭借其无接触交互、高时空分辨率和生物相容性等优点备受关注。光响应材料在实现光驱动液滴操控中发挥着关键作用。近期，香港中文大学何亦平教授团队在Advanced Materials期刊发表了题为《Light-Responsive Materials in Droplet Manipulation for Biochemical Applications》的综述，全面概述了各种类型的光响应材料在光驱动液滴操控技术中的主要机理和最新进展。该综述首先总结了各种光驱动液滴操控的机理，然后详细探讨了光导材料、光伏材料、光异构材料、光热材料与热释电材料等五种主要光响应材料的特点及其在光驱动液滴操控中的应用。

图1：全文总览

光可通过多种机理驱动液滴，包括：光子动量传递产生的直接光学力，光诱导的介电泳力（DEP）、界面张力梯度、热对流产生的曳力以及气泡生成过程中产生的推力。

图2：光驱动液滴操控的各种机理

光导材料：光导材料是一种电导率受光照条件改变的材料，这种现象源于光子吸收后材料内电荷载体（电子和/或空穴）的激发。集成光导材料的器件可通过光诱导产生的DEP力或光电润湿作用（OEW）进行液滴操控。选择光导材料时需要考虑导电性、光谱响应、光敏度以及相关的制备技术。目前，氢化非晶硅（a-Si:H）和氧化钛酞菁（TiOPc）是光驱动液滴操控中最常用的光导材料。

图3：光导材料的性质及其在液滴操控中的使用

光伏材料：光伏材料在光照下产生电压，集成光伏材料的器件可通过光诱导产生的DEP力或光电润湿作用（OEW）进行液滴操控，相较于光导材料器件不再需要外部电源供应。在液滴操控中主要使用的光伏材料为铁掺杂的铌酸锂（LiNbO 3:Fe）。

图4：光伏材料的性质及其在液滴操控中的使用

光异构材料：光异构材料可在光照下发生异构化，通常为两种异构形式之间的可逆转化，同时伴有物理性质的变化。使用光异构材料可通过调控表面润湿性、产生马氏流、光致形变等效应实现液滴操控。偶氮苯（azobenzene）衍生物在光驱动液滴操控中应用广泛。

图5：光异构材料的性质及其在液滴操控中的使用

光热材料：光热材料可吸收光并将其转化为热能，引起温度变化。利用光热材料进行液滴操控的策略包括调控表面润湿性、利用马氏流以及产生蒸汽气泡等。选择光热材料时须关注其吸收光谱、吸光度、光热转换效率、导热性等。常见的光热材料可分为有机染料、碳基材料、金属/金属氧化物颗粒和聚合物。

图6：光热材料在液滴操控中的使用

热释电材料：热释电材料随温度变化可产生表面电压，虽然对光敏感度较低，但其温度响应性使其能与光热材料相结合，实现光-热-电能量转换，称为光热释电效应。使用热释电材料和光热材料的器件可通过光诱导的介电泳力和光电润湿效应实现液滴操控。常用的热释电材料有铌酸锂（LiNbO 3）和聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）（P(VDF-TrFE)）。

图7：热释电材料的性质及其在液滴操控中的使用

此外，文章还介绍了光驱动液滴操控技术的应用，包括：

1.液滴微机器人在货物运输和微组装方面的应用。液滴微机器人以液滴形式存在，具有出色的适应性和运动灵活性，能够在微观空间中执行精确操作。这些微机器人不仅能够在固体表面上湿润并与目标物体发生黏附，还能在内部溶解化学物质，为分子反应提供理想环境。

2.液滴微反应器在化学合成、细胞研究、分子诊断等方面的应用。液滴微反应器能够将微小的液滴作为反应容器，显著减少了与传统反应容器相比的反应体积，同时通过光驱动技术实现了液滴的操控和反应条件的精确调控。

总结：本文深入探讨了光驱动微滴操控技术的原理、所用光响应材料以及在生化领域的应用。目前，光驱动微滴操控技术在生化应用中展现出巨大潜力，但同时也面临一些挑战。首先，光转换效率是一个重要问题，例如对于氧化钛酞菁，其制备工艺简单，但其光导电性能并不理想。另一个挑战是确保生物相容性。尽管适度强度的光通常是生物相容的，但是将光能转换为其他形式（如电荷和热量）可能会干扰生化反应和细胞性质。因此，需要对生物相容性进行详细评估，并进行进一步的研究以解决潜在的干扰问题。此外，长期稳定性也是一个关键问题。目前对于光响应材料的长期稳定性缺乏充分的评估，尤其是在细胞培养或长期试验中。为了将这些技术从实验室推广到实际应用，需要建立一套可靠的评估方法，以确保光响应材料在长时间内的功能完整性和稳定性。

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202313935

作者及实验室介绍：

程广耀，第一/共同通讯作者，本科毕业于中山大学，在香港中文大学获得生物医学工程博士学位。目前，他是香港中文大学博士后，致力于微流控液滴操控技术的开发及其在生物医学领域的应用。

何亦平，通讯作者，香港中文大学生物医学工程系副教授。她毕业于台湾国立清华大学，获得动力机械工程学士和硕士学位，并在约翰斯·霍普金斯大学获得机械工程博士学位。

香港中文大学生物医学工程系生物传感与微机电实验室，主要应用纳米和微流控技术实现微液滴操控、三维细胞培养、单细胞分析、和微生物检测等应用。课题组目前已利用微流控技术实现了细胞线粒体的有效分离分析、开发了基于双乳化液滴的三维细胞培养和分析技术。亦以纳米颗粒作为表面活性剂实现液滴的光控融合和分选。发展了基于液滴的单细胞分析技术，用于单细菌基因组测序和单细胞转录组分析。课题组拥有微纳加工平台，生物芯片制备间，高速相机，流式细胞仪等各类微流控平台开发所需的仪器设备。

课题组网址：
https://www.bme.cuhk.edu.hk/ypho/

来源：高分子科学前沿

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