芯片实验室设备利用电信号测量葡萄糖，分辨血型并检测病毒或癌症。但是生物样品需要保护免受电场的影响。一层薄薄的氧化铪可以解决问题。图片来源：Sanaz Habibi
微流体设备可以采用标准的医学实验室程序，并将每个程序浓缩成可以在水瓶盖顶部平衡的微芯片。密歇根理工大学的一个研究小组，研究化学工程，电气工程和材料科学，简化了微流体装置的设计，以便观察其内部工作情况。这些设备使用毛发薄的隧道和同样微小的电极，通过电流漏斗液体，对细胞进行分类，发现疾病，并进行诊断测试。
问题是生物样本不是惰性的，它们是充电的并准备好相互作用。当流体与微装置电极接触时，可能发生爆炸。微小的。但爆炸性红细胞是由离子不平衡引起的，这种离子不平衡会在称为裂解的过程中破坏细胞膜，从而无法测试血糖水平或血型。在其他测试中，例如癌症或传染病，弄乱样品化学可能导致严重的阴性或假阳性。样品和电极之间的相互作用，称为法拉第反应，可能是微流体中不需要的副作用。
为了保持样品的完整性并保持清晰的表面以观察设备内部的情况，密歇根理工学院的工程师详细说明了薄氧化铪层如何像微型器件的手机屏幕保护膜一样。他们的工作最近发表在Thin Solid Films上，一个设备的视频显示了保护层的工作原理。
化学工程讲师Jeana Collins在密歇根理工大学攻读博士研究微流体，是该论文的第一作者。她解释了芯片实验室如何使用称为介电电泳的过程。
“介电泳反应是一种运动，”她说。“你怎么能说它感动？看着它移动。”
芯片实验室设备利用电信号测量葡萄糖，分辨血型并检测病毒或癌症。但是生物样品需要保护免受电场的影响。一层薄薄的氧化铪可以解决问题。它可以控制红细胞裂解，同时保留设备的电场并且也很清晰，因此工程师仍然可以用显微镜观察微流体和内部工作情况。图片来源：Sanaz Habibi和Ben Jaszczak / Michigan Tech
柯林斯接着解释说，来自电极的非均匀电场与样品中的粒子或细胞上的电荷相互作用，导致它们迁移。许多生物芯片实验室设备依赖于这种电响应。
“作为化学工程师，我们更多地处理流体方面，”柯林斯说，并补充说电子设备也是关键，血糖仪就是一个很好的例子。“你已经得到了血液 - 这就是你的液体 - 它进入，你做了一个测试，然后你得到一个数字读数。所以它是流体和电子学的结合。”
即使像葡萄糖计这样的商业化芯片实验室被覆盖，柯林斯和其他工程师也需要了解在显微镜下获得清晰图像的情况。这就是为什么氧化铪只留下轻微的色调，在它们的微装置设计开发中是有用的。
此外，该技术不适用于单个设备。由于其简单性，氧化铪层与许多电极设计一起工作，保持20.32的一致介电常数并且是血液相容的 - 也就是说，它最小化可导致细胞溶解的法拉第反应，因此当它们来时更少的红血球细胞爆炸靠近电极。
柯林斯和她的团队测试了三种不同厚度的氧化铪--58纳米，127纳米和239纳米。他们发现，根据沉积时间--6.5分钟，13分钟和20分钟 - 可根据特定设备的需要调整粒度和结构。唯一可能的问题是基于荧光的微器件，因为氧化铪确实会干扰某些波长。然而，该层的光学透明度使其成为许多生物实验室芯片测试的良好解决方案。
更多信息： JL Collins等，用于生物实验室芯片器件的铪（IV）氧化物薄膜的电学和化学表征，薄固体薄膜（2018）。 DOI：10.1016 / j.tsf.2018.07.024
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