《Sensors and Actuators B: Chemical》：An IR-Transparent EWOD Digital Microfluidic Platform for Real-Time Vibrational Spectroscopic Monitoring and In Situ Process Imaging
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首次实现红外透明数字微流体芯片，整合钙氟石基板与溅射ITO电极，支持实时红外显微成像及长时反应监测，突破传统DMF芯片无法进行红外分析的限制。
塞巴斯蒂安·费塞（Sebastian Fehse）|本·昂格曼（Ben Ungermann）|阿尼什·达斯（Anish Das）|德特列夫·贝尔德（Detlev Belder）
莱比锡大学分析化学研究所，林奈街3号（Linnéstra?e 3），04103莱比锡，德国
摘要
本文报道了一种实现首个红外透明数字微流控（DMF）芯片的方法。该方法使得在DMF平台上直接进行空间和时间分辨的红外光谱分析成为可能。为了实现红外兼容性，我们开发了一种制造工艺，将氟化钙基板与溅射的氧化铟锡（ITO）薄膜电极结合在一起，从而制造出在中红外范围内透明的全功能DMF组件。该设计允许使用量子级联激光器（QCL）和红外显微镜在透射模式下实现实时液滴成像和反应监测。该设备采用了一种新颖的六边形电极设计，环绕液滴形成环形液体边界，这减少了蒸发，延长了反应时间，并使得在挥发性有机溶剂中能够进行长期的红外反应监测。该设备及其组件可重复使用，具有长期稳定性，易于组装，并且无需使用油类物质。为了验证其可行性和分析性能，我们在DMF平台上对乙腈中的化学转化过程进行了监测，持续时间超过100分钟。这些综合技术开创了一类新的红外集成DMF设备，从而实现了芯片上的反应监测、空间分辨的化学成像以及微流控环境中的实时机理研究。
引言
自从数字微流控（DMF）及其芯片系统在科学界引入以来[1][2]，这项技术相比传统的基于通道的微流控技术[3]展现出多项优势。其最大优势在于能够对离散液滴进行多功能的、并行的、电控操作[4]，同时保留了微型化的关键优点，如低样品消耗量[5]和高处理速度[6]。现有的DMF系统基于“介电润湿”（EWOD）原理[7]，通过独立可控的电极阵列来移动极性液滴[8]。这些电极不与液体直接接触，而是通过激活时产生的电场来影响液体[9][10]，从而能够使用紧凑且成本效益高的电子组件操控多种液体[11]。因此，DMF已成为化学[12]和生命科学[13][14]应用中的有前景的平台，同时也是自动化湿化学处理[15]的坚实基础。DMF液滴的体积通常在微升到纳升之间[16][17]，可以作为微反应器[18]，位于二维电极阵列上的预定位置[19]。这些液滴可以被运输、分割、合并或混合[20]，从而在芯片上执行各种化学和生化反应[21]。
DMF主要有两种形式：开放式系统，仅基于底板设计，便于接触液滴[22]；以及带有盖板的封闭式系统，可以提高操作的精确度并减少溶剂蒸发[23]。尽管在液体处理方面具有这些优势，但由于液滴实际上被“困”在DMF芯片中，因此大多数传统的分析技术难以应用于DMF，因为这些技术无法提供关于化学物质身份和数量的内在信息。因此，尽管DMF在化学反应和自动化合成方面极具吸引力，但它很少被用于反应监测。大多数分析方法要么无法集成到DMF中，要么无法在芯片内提供与结构相关的信息。
为了解决这一问题，多种分析技术已被结合到DMF中。质谱（MS）已在多种配置中得到应用[24][25]，包括实时质谱检测[26][27]，但技术复杂性较高。核磁共振（NMR）也被应用于DMF[28][29][30]，但其复杂性和要求更高，且灵敏度较低[29]。表面增强拉曼光谱（SERS）可以提供振动信息[31]，但固定基底存在记忆效应，且嵌入芯片后难以更换[32]。荧光检测灵敏度很高，但不提供任何结构信息，通常依赖于染料标记[33][34][35]。
相比之下，红外光谱（IR）无需标记且具有结构信息，能够提供分子振动的详细信息[36]。当入射红外辐射的频率与化学键的振动模式匹配时，就会发生红外吸收[37]。这些吸收以波数（cm-1）表示，并显示为透射率（%T）或吸光度（A）[38]。官能团表现出可重复的、定义明确的吸收带，而指纹区域（1500至5000 cm-1）为化合物识别提供了独特的模式[39]。在适当的条件下，红外吸收测量遵循比尔-朗伯定律[40]，因此原则上适用于定性和定量分析[41][42]。红外吸收光谱适用于化学反应监测中常见的较高分析物浓度。该技术是非破坏性的，在常温条件下操作，且不需要额外试剂[41]。
红外（IR）和傅里叶变换红外（FTIR）分析是在基于通道的微流控技术中成熟的技术[43][44]，采用透射[45][46]、反射[47][48]和衰减全反射（ATR）[49][50][51]模式，适用于连续[45][46][47][48][49][50]和分段流动[45]两种情况。这些方法可以通过红外光谱实现识别以及反应和过程监测。将红外光谱和红外成像集成到数字微流控（DMF）中具有巨大潜力，结合了自动化并行液滴操控（用于编程微批量合成）、红外光谱成像和反应化合物的振动光谱分析的优势。然而，与基于通道的流动系统中的传统微红外吸收光谱相比，这带来了更大的挑战。这是因为通过介电润湿（EWOD）实现液滴运动依赖于涂有介电和疏水层的平面电极阵列。虽然这种阵列在玻璃基底上的多步制造技术对于UV/Vis透明材料已经成熟，但将其扩展到红外兼容平台尚未得到探索。此外，DMF-IR过程成像需要整个活性芯片表面（几平方厘米）具有红外透明性，而传统的红外透明流动池通常只进行单点测量。
先进的数字微流控（DMF）基板通常由玻璃或聚合物制成[24][52]，但在中红外范围内缺乏这种透明性。同样，传统的DMF电极材料（通常为不透明金属或厚透明导体）也不具备红外透明性。因此，典型的DMF芯片的基板和电极层都会在中红外范围内吸收辐射，从而阻碍了基于吸收的红外测量。
在这项工作中，我们通过开发首个红外透明的DMF芯片来应对这些挑战，实现了通过红外成像和红外吸收光谱监测DMF过程和化学反应。通过使用红外透明基板和电极结构，并将该设备集成到基于QCL的红外显微镜中[53][54][55]，我们展示了在DMF芯片内实时监测液滴运动、聚合以及化学反应进程的能力。这种方法为数字微流控系统中的结构分辨实时反应监测铺平了道路，显著扩展了DMF的分析能力。
章节摘录
化学物质和材料
乙腈（ACN，LC/MS级）购自VWR International LLC（美国宾夕法尼亚州拉德诺市）。丙酮（技术级）由研究所提供。甲酸（FA，98-100%，HPLC级）购自默克公司（德国达姆施塔特）。苯胺（AN，≥99.5%）和苯甲醛（BA，≥99.5%，合成级）购自卡尔罗斯公司（德国卡尔斯鲁厄）。苯亚胺（BLA，99%）购自赛默飞世尔科技公司（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）。芯片表征
在开发完全功能的红外透明DMF芯片的过程中，首先评估了各组件的红外透明性是否适合用于芯片制造。进行了一系列实验来评估芯片制造中常用材料的红外透射特性。第一个实验考察了潜在的基板材料。如图3a所示，石英玻璃（绿色）在整个红外范围内完全吸收了红外辐射。
结论
在这项工作中，我们首次展示了首个红外透明的数字微流控（DMF）芯片，并证明了红外（IR）光谱可以直接集成到DMF平台中。这一成就使得在封闭的DMF设备内实现实时、非侵入式的红外反应监测成为可能，同时完全保持了无油的EWOD液滴操控方式。实现这一概念需要一种新的芯片架构，将单晶氟化钙作为红外透明基板
CRediT作者贡献声明
本·昂格曼（Ben Ungermann）：方法论设计。阿尼什·达斯（Anish Das）：撰写——审稿与编辑。塞巴斯蒂安·费塞（Sebastian Fehse）：撰写——初稿撰写、可视化、验证、资源准备、方法论设计、数据分析、概念化。德特列夫·贝尔德（Detlev Belder）：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢实践课程学生朱利安·克拉默（Julian Cr?mer）的支持。
