刘慈欣的小说《三体》中有许多奇妙而瑰丽的想象，“人列计算机”就是其中之一。这个所谓的计算机由三千万名秦国士兵组成，每位士兵只需要举起黑旗或白旗（代表二进制的1和0），就能完成极其复杂的计算，预测三体世界中太阳的运行轨迹。 而在三次元世界里，当某种技术被冠以“数字”二字时，也就说明它和计算机之间存在灵魂上的共鸣。 例如数字PCR，通过将核酸样品连同荧光PCR反应体系分散至大量的纳升级微反应器，使每个微反应器中含有0或1个核酸分子，而把荧光信号转化为了数字化信息——发出荧光的微反应器被视为“1”，没有荧光则被判读为“0”。 数字微流控亦复如是。 > 数字微流控：不走寻常路 数字微流控（Digital microfluidics, DMF）无疑是一种微流控技术。从形式上来说，它属于液滴微流控的范畴，但和常规的液滴微流控技术相比，它又显得十分另类。 首先，它不是常规的压力驱动型技术。DMF的驱动源可能是介电润湿（Electrowetting on dielectric, EWOD）效应、表面声波、磁力、热毛细管力或光电润湿效应。其中，EWOD型最为常见，现在我们提及数字微流控时，通常也默认是这种类型。 EWOD，具体来说就是电介质上发生的电润湿现象。如下图所示，由于电介质上涂有疏水层，液滴在未加电时的接触角较大，整体偏向于球形。加电则会改变液滴的表面张力，使之“塌陷”。液滴扁扁地伏倒，以更大的面积与平面接触，即为“润湿”现象。
不加电，液滴圆溜溜；一加电，液滴扁塌塌。这两种切换自如的状态，就是数字微流控的1和0。 与计算机的与、或、非门相似，DMF也有属于它自己的基本操作单元，包括液滴运输（Transport）、分裂（Splitting）、融合（Merging）和分配（Dispensing）。 控制电极阵列中每个电极的开与关，就能实现这四种液滴操作。例如，关闭某个液滴正下方电极，而激活其相反方向的两个电极，该液滴会被撕裂为两个等体积的小液滴。
图中的方块代表驱动电极，ON表示有电势施加到该电极上，而OFF则表示该电极处于关闭状态。 这几个看似简单的基本操作，足以支撑起那些复杂而繁琐的生化反应与分析。仔细想想，生物实验不就那么回事儿？取样品/试剂（Dispensing），把一份样品均分成多份（Spliting），再加点试剂（Merging）…… 由于DMF具备的这层数字化内涵，有人将其视为“Digital bioconverter”——桥接起了日趋数字化的宏观世界和承载着微观反应的生化实验。 在DMF芯片上，液滴由底部的电极阵列控制，其本身也在矩阵中运动。它的位置和移动路线完全是可寻址（Addressable）、可编程（Programmable）的。 多看几个DMF的液滴操控视频，你会直观地感受到液滴运动是像素化的，就好像是低分辨率的显示屏上有一些光点在闪闪烁烁。这令人产生了一种奇特的熟悉感…… 你有没有想到那个古早的电子游戏，超级马里奥？ > 集复古感与未来感于一身 如前所述，DMF是一种另类的液滴微流控技术。 常规的液滴微流控技术，像是10X Genomics采取的液滴技术，有个最鲜明的特征，就是液滴生成速度极快。即使在捕获单细胞时没什么准头，一会儿捕获了不止一个细胞，一会儿又什么也捕捉不到，但只要速度足够快，产生的液滴足够地多，剔除掉那些多细胞液滴和空液滴，总能获得令人满意的足量的单细胞液滴。
但到了DMF这里，通量却成了一块短板。 如果DMF芯片上真有几十万个液滴，这些液滴都在同一平面上运动，先不提液滴路线设计得有多复杂，光是芯片本身，就太、大、了。从原理上讲，这种在平面上操控液滴的技术就注定不是量大管饱型。 DMF的出现，与其说是液滴微流控技术的一种延续，不如说是一种查漏补缺。 10X Genomics型液滴技术有明显的局限性：功能单一，操控性较差。这类技术在生成液滴以后，很难对特定的液滴进行进一步的操控。只不过经过UMI和Cell barcode标记后，所有cDNA即可被收集起来作池化处理，算是巧妙地绕开了这一问题，所以它和当前的单细胞测序应用相匹配。 反之，DMF通量不高，但灵活，操控性强，能够独立地操控每个液滴，完成复杂多步的实验流程。它是一种灵巧精准型技术。 奇妙的是，DMF和另一种经典的微流控技术，基于微阀的连续流微流控技术，在风格上更为相近。 在微流控领域，恐怕没有人没听说过Stephen R. Quake的名字。早在2000年，Quake就利用多层软光刻技术，制作出了用于芯片内流体控制的微泵和微阀。 最简单的ON-OFF微阀是由两层PDMS密封而成，上层微通道为控制通道，下层微通道为流体通道，彼此垂直，间隔着约30 μm厚的薄膜。向控制通道内通入空气时，薄膜会向下弯曲，而施加较高的气压时，薄膜挤压下方的流体通道，使之完全堵塞。
基于多层软光刻技术的微阀制作过程（左）和采取相似原理制作的微型蠕动泵（右） 两年后，Quake进一步地实现了微阀的大规模集成，在Science发表了题为《Microfluidic large-scale integration》的文章，由此开启了微流控领域的Quake阀时代。这个芯片看着非常壮观，至柔、无形的流体，却呈现出一种刚性的机械之美。
微流控“比较器”芯片，集成了2056个微阀（2002年） 也是在这篇文章中，Quake颇具前瞻性地将高度集成的微流控芯片类比为电子集成电路。 “我们利用集成化的微通道网络来构建类似于比较器阵列的微流控部件，还构建了微流控记忆存储器件，它表现得就像是随机存取存储器一样。”他这样写道。 由他创办的Fluidigm公司（现已更名为Standard Biotools），发展了一种基于Quake阀的微流控芯片，并且将其命名为集成流体回路（Integrated fluidic circuits, IFCs）。 这类技术和DMF有更多的共通之处：操控能力强，与计算机领域的距离更近，也更易于自动化、易于集成。 为了扩大集成规模，Quake借鉴了电路的大规模集成模式，采取了“二叉树”结构，使得n条流体通道仅需2log2n条控制通道就能实现高效的控制。近些年，我国的创业公司和科研团队开发了有源矩阵DMF芯片，将薄膜晶体管集成到微电极中，使得N行M列的电极阵列只需要N+M（而非N x M）条信号线即可对每个电极进行独立控制。对此我只能说，太阳底下无新事。 尽管有些复古，相比于Quake阀技术，DMF有一项不可忽视的巨大优势：它由电极阵列控制。一方面，它不再需要泵和阀了，容易实现更高的集成度和便携性。另一方面，它背靠庞大而成熟的电子领域，据说，平板显示屏的生产线只需经过一些改动，就能移植到DMF芯片的生产上。这意味着DMF芯片成本可以得到大幅度的降低。 也因为是电学控制，DMF与纳米孔测序调性相符——两者都采用了“电的语言”。Oxford Nanopore公司曾推出一款名为VolTRAX的产品，即一台用于自动化测序文库制备的数字微流控设备。Illumina也曾收购数字微流控公司Advanced Liquid Logic，并推出了NeoPrep文库制备系统。相比之下，DMF可能更适合纳米孔测序—— 它们都给人以强烈的未来感。
Nanopore公司即将推出TraxION，个人盲猜这是一款VolTRAX+MinION产品，把基于数字微流控技术的文库制备和纳米孔测序结合为一体。全流程集成化，充分便携化，也许这才是DMF所追求的尽头。 > 六脉神剑，为何时灵时不灵 如果将DMF投射到武侠世界，它可能就是六脉神剑。雄劲、灵活，需要深厚的内力。 六脉神剑在早期的段誉手上发挥很不稳定，总是时灵时不灵的，是因为他的内力来源很杂，一时间难以消化，加之筋脉未通，武学上的领悟也未到境界，所以对这一绝技难以运用自如。而对于DMF来说，如何消化薄膜晶体管和相关成熟产业的深厚“内力”，也将是它面临的重要挑战之一。 DMF技术具有明显的学科交叉属性。除了电学层面上的问题，如介电击穿现象，它还需要克服表面化学、生物、临床等多个维度的障碍。 很多时候，它的“1”和“0”，尤其是疏水表面上液滴的圆溜溜状态，其实是一种处于众多影响因素（包括芯片表面疏水性、电压、添加的表面活性剂、样本成分及含量）之间的脆弱的平衡。只要作出细微的改变，这一平衡很可能就会被打破。 生物样品中通常包含蛋白质，而蛋白质在芯片表面的非特异性吸附，会导至该区域变得永久性亲水。失去了表面疏水性，DMF所依赖的液滴二进制变换就不复存在，液滴操控能力也就土崩瓦解了。 偏偏DMF被认为是一种适合即时检验（Point-of-care, POCT）的技术，因为它具备自动化、集成化和便携特性/潜力。POCT样本成分复杂，个体差异较大，如果DMF发展得不够成熟，很容易陷入“时灵时不灵”的困境。 越是复杂的临床样本和多样化的检测环境，就越需要简单、Robust的技术。而DMF精致、灵巧，真跟段誉似的，是一位初涉江湖的贵公子，如果没有奇遇，大概就只能灰溜溜地，从哪儿来便回哪儿去了。 小说终究只是小说而已。数字微流控能不能像曾经的超级马里奥游戏一样，从大规模集成电路的发展中受惠，甚至从AI技术的腾飞中受惠，迎来属于它的时代，这仍然是个引人思考的问题。 参考资料：
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