【背景介绍】
酶促核酸反应作为分子生物学的关键核心技术之一，在DNA信息存储与计算等前沿领域展现出巨大的应用潜力。然而，传统微流控平台由于受限于以层流效应为主导的被动扩散混合机制，难以实现高效的固-液界面反应，导致酶促DNA合成产率低下、酶辅助DNA逻辑运算速度受限等问题，严重限制了该技术在高通量自动化领域的应用拓展。尽管现有主动混合技术能够在一定程度上提升传质效率，但这些方法普遍面临设备复杂、生物相容性不足、难以微型化集成等技术瓶颈。因此，开发新型非接触式、可扩展的调控方法已成为当前研究的重点方向。
为此，
厦门大学电子科学与技术学院胡学佳助理教授、陈鹭剑教授、嘉庚创新实验室杨朝勇教授与张惠敏研究院团队
在声学微反应器件研究方面取得新进展。相关成果以
“Scalable Acoustic Virtual Stirrer for Enhanced Interfacial Enzymatic Nucleic Acid Reactions”
为题发表于
Science Advances
（DOI:10.1126/sciadv.adt6955）。
作者成功开发了一种微尺度声学虚拟搅拌子（acoustofluidic virtual stirrer, AVS）技术，通过构建可规模化拓展的集成式微反应器件，实现芯片中多种反应流程的效率与产率提升。该AVS技术在铌酸锂基底设计声表面波单元阵列，每个单元均可通过声学信号控制产生驻波场，并且通过可编程信号调制使声势阱或压力节点以可控的频率与幅度进行周期震荡，产生虚拟的搅拌子效应。在震荡的声势阱中，流体在梯度声辐射力及声流效应的作用下进行震荡和混合。不同于传统技术，该平台无需物理微结构介入，通过场调控方式进行作用，并控制搅拌速度与振幅，能够从微观小尺寸到宏观大面积的多个尺度上实现精准流体扰动。基于AVS技术，作者构建了高效的界面酶促核酸反应平台。结果表明，AVS技术能够显著增强微流体界面上酶促DNA反应的传质效率。相比于界面自由扩散体系，酶促单碱基DNA合成的逐步产率和酶介导的DNA布尔逻辑门运算速度都有显著提升。AVS有效解决了固-液界面酶促DNA反应可及性差、效率低的问题，为后续自动化、高通量核酸分析及并行化、级联化DNA信息处理奠定了坚实的基础。
图1 AVS可扩展声流控平台概述
首先，作者展示了声表面驻波（SSAW）调控非均匀流体的机制（图2A）：声辐射力梯度使高阻抗液体向压力波谷（PN）迁移，低阻抗液体向波峰（AN）聚集，结合声波衰减产生的涡旋流（图2B），通过往复震荡实现流体高效混合。基于微流控芯片中的验证实验（图2C和D）表明，调节声波频率（11/13/15MHz）可精确控制声场势能分布，模拟与实测灰度强度图谱高度吻合，证实高/低浓度流体分别向低/高势能区迁移。光学流追踪（图2E）进一步显示，声辐射力与声流协同驱动流体从AN向PN快速迁移，实现无微结构声场流体操控，为声学微混合器（AVS）奠定理论基础。
图2 流体和声场之间的相互作用
接着，作者采用双频电极设计声学微混合器（75 μm/65 μm指间距，对应13/15 MHz），通过正交方向双频激励产生叠加声场（图3A），驱动压力节点周期性振荡。实验以微通道内的两相流验证振荡可控性，当施加5 Hz跳频与20 Vpp电压时，微流控腔内两相流体呈现网格态分布（图3B），在半周期内快速迁移，并在数秒内实现均匀混合。灰度强度分析（图3C）显示，声节点以5Hz往复振荡使浓度峰规律迁移，数秒后分布平滑。流体调控实验（图3D）证实，混合速度与振幅可通过调节频率（10
-2
-10
3
Hz）和电压（20-30 Vpp）精确控制，并在30 Vpp时混合效率显著提升。
图3 用于流体混合的动态振荡AVS
为了定量评估AVS微流混合性能，作者定义了混合指数（MI）用以量化该性能。在无扰动（N组）时流体呈层流界面（MI = 14%），施加普通声驻波场（SAW组）因缺乏振荡搅拌仅提升至63%，而相比之下，采用FSK调制（AVS组）通过混沌流动实现99%以上混合效率（图4A和F）。MI分析显示，低流速（100 μL/h）时MI为68%，随流速增至300 μL/h提升至88%，但过量（500 μL/h）反致下降（图4B）。提升振荡频率至30 Hz可使混合时间缩短至4秒内（MI > 90%）（图4C），同时增加电压（10 Vpp → 40 Vpp）可使MI从53%跃升至90%以上（图4D和E）。扩展验证实验表明，该技术还可适配不同尺寸大小的微腔，证实其参数可调性与系统兼容性（图4G）。
