嶄新磁力驅動液滴技術料日後有助提高病毒測試敏感度

精確地操控和運輸微小液滴是一項極具挑戰性的任務，對生物醫學和工業應用至為重要。由香港城市大學（城大）一名學者領導的研究團隊最近成功開發了一種嶄新的微液滴磁力驅動技術「WRAP」，可以通過電磁場運輸不同大小和成分的液滴。研究團隊認為這次研究成果，對於開發新一代微流控*技術以及檢測帶有COVID-19或其他病原體的病人呼吸道飛沫（微液滴）的新技術方面，具有很大的發展潛力。

有關科研團隊由城大賽馬會動物醫學及生命科學院生物醫學系（BMS）副教授姚希博士領導。他們的研究成果已於科學雜誌《自然通訊》（Nature Communications）上發表，題為〈Wetting ridge assisted programmed magnetic actuation of droplets on the ferrofluid-infused surface〉。

磁力驅動液滴技術的突破

一直以來，如何能在固體表面上靈活、迅速而又高度準確地輸送微液滴（體積可小至納升級數），是科學家面對的一個巨大挑戰。與其他利用光學、熱力或表面電荷的驅動及運輸方法相比，磁力驅動具有許多優勢，例如反應迅速、驅動力量大和可以程序化控制。然而，傳統的磁力驅動運輸技術面對的其中一個關鍵難題，便是為了令液滴對磁力有反應，往往要為液滴人工添加磁性顆粒，但這樣對液滴造成污染，大大限制了磁力運輸技術的應用。

姚希博士說：「成功的液滴操控（運輸）方法，應是既能達致驅動力強勁、可逆轉、以及可自由編程的液滴驅動，同時對液滴的成分和尺寸所需施加的限制則愈少愈好。」為了克服這些挑戰，由姚博士和合作學者聯合帶領的科研團隊，最終成功研發出一種毋須添加磁性材料的「潤濕脊輔助編程」（wetting ridge assisted programmed，簡稱WRAP）磁力驅動液滴技術。

科研團隊是通過使用「鐵磁流體（ferrofluid）」實現了這重大突破。鐵磁流體是一種在溶劑中加入了懸浮的微型鐵粒子（鐵磁粒子）的液體。若有磁場出現，鐵磁流體即會變得高度磁化。

在今次研究中，科研團隊首先把鐵磁流體注入一個多孔表面。其後當微小液滴跌落在多孔表面時，由於表面張力的影響，鐵磁流體會自動「包裹」著液滴，並在毛細管力的作用之下，在液滴周圍形成了會對磁力作出反應的「鐵磁流體脊」（註︰鐡磁流體圍著液體、狀似山脊的彎液面，詳見左圖）包圍著液滴。

以「鐵磁流體脊」控制液滴的移動

當實驗中的電磁鐵正式通電及產生電磁場時，「鐵磁流體脊」便會被磁力所吸引，連同它包圍著的微液滴，一併根據磁場的方向移動。故此，科學家可以透過設計及改變外部電磁場，以編程的方式控制液滴的移動及運輸路徑。

_{當噴灑微小液滴到注上鐵磁流體的表面，並施加電磁場後的情況。(影片來源︰DOI number: 10.1038/s41467-021-27503-1)}

姚博士進一步解釋，只要成功產生「濕潤脊」去包圍液滴，上述的「WRAP」驅動液滴方法就能夠使用。這意味著「液滴」的運輸，以後將不再受到液滴大小、液滴表面張力高低又或是其內含成分的限制。

在今次實驗中，科研團隊成功地利用電磁鐵，以編程的方式精確地控制了液滴的生成、移動、合併和混合。「這些建基於WRAP液滴操縱技術的典型應用，於開發嶄新的數碼化微流控技術方面很有前景。」姚博士說。

_{實驗顯示透過一系列的電磁鐵編程操控，單一個液滴可循指定的M型路徑移動。(影片來源︰DOI number: 10.1038/s41467-021-27503-1)}

科研團隊還發現，若使用WRAP技術將許多微液滴收集並合併成大液滴之後，生物分析的信號會大幅增強。由於WRAP技術可以控制收集自病人的大量呼吸道飛沫（微液滴）的移動，並把它們合併成為一個更大的測試樣本，即是較大的液滴，故這新技術有機會透過與免疫測定和核酸測定等先進的生化測試相結合，對病人呼吸道噴出飛沫內所含有病原體（如冠狀病毒）進行更精確的檢測。姚博士認為上述的研究新發現，料日後有助提高病毒測試的敏感度。

今次的科學研究論文，通訊作者分別是姚博士、荷蘭特文特大學Frieder Mugele教授以及中國科學院高軍博士。第一作者則包括城大BMS博士畢業生張建強博士和博士生王雪嬌小姐。這項研究得到了香港研究資助局、城大以及深圳市基礎研究計劃的支持。

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_{*註：微流控（microfluidics）是指使用微管道或其他納米技術，去精確地處理、操縱或移動極微小液體的技術及科學。}

DOI number: 10.1038/s41467-021-27503-1