新型芯片夹具，破解纳米流控难题

研究人员研发出一款紧凑型芯片夹具，可在单一平台上集成加热、制冷、电气控制与光学读取功能。该纳米流控芯片夹具能够对纳米级通道内的分子输运与化学反应进行精准实时观测，解决了日益精密的芯片与其配套外部硬件之间长期存在的适配难题。

据悉，该夹具可适配宽度仅 10 毫米的硅基芯片，支持多达 12 个独立流体接口，单块 4 英寸晶圆可制作 52 枚芯片。集成的帕尔贴元件可稳定实现 12℃制冷与 112℃加热，在大电流工作模式下，温度可短时降至 4℃。芯片实验结果表明，分子扩散行为会随温度变化与外加电场产生可测量的响应：电压越高，分子进入通道的速度越慢，且光谱会发生偏移。

微纳流控系统已成为生物学、医学、化学与材料科学领域的核心工具，可帮助研究人员在与生物毛细血管或人工纳米体系相近的受限空间内，研究分子行为、化学反应与输运现象。然而，随着芯片设计日趋复杂，与之匹配的外部硬件却难以跟上发展节奏。一套完整的纳米流控实验通常需要同时实现多路液体输送、无泄漏密封、温度调控、电场施加与直接光学观测，现有平台鲜有能同时满足全部需求的方案。

瑞典查尔姆斯理工大学物理系团队致力于攻克这一技术缺口，研发了一款内置电极的温控夹具，专为纳米级过程的实时光学分析设计，该研究成果发表于《微系统与纳米工程》。

该设备专为 1 平方厘米的硅基芯片设计，可支持多达 12 个流体接口。夹具在导热芯片载台上方设有透明亚克力流道板，载台搭载 4 个帕尔贴元件，兼具加热与制冷功能，同时保证芯片表面可用于暗场显微观测与纳米流控散射光谱检测。尽管适配的芯片宽度仅 10 毫米，单枚芯片仍可设置多达 12 个可独立控制的进出液口。该芯片制备效率极高，单块 4 英寸晶圆可批量生产 52 枚。

热性能测试显示，该平台在优化电流下可稳定制冷至 12℃，加热模式下可达 112℃；在短时大电流脉冲下，芯片温度可低至 4℃。这一宽温工作区间让研究人员无需更换设备即可开展对温度敏感的相关实验。

研究团队以亮蓝与荧光素两种标准分子为研究对象，通过三类实验验证了该系统的性能。团队首先实现了芯片内溶液切换与混合，随后测量了单一纳米通道内分子扩散速率随温度的变化，观察到荧光素在高温下运动速度更快。最后，团队测试了电场调控的扩散行为：外加电场强度越高，分子进入通道的速度越慢；在强电场下，光谱向长波方向偏移，研究人员认为这是电场改变了染料分子电子结构所致。

该研究解决了纳米流控领域一个实际却常被忽视的问题：不仅要能制备先进芯片，更要能对制成的芯片实现精准操控。通过将温控、电驱动、流体压力控制与光学读取集成于一款紧凑型夹具，该研究让芯片接口本身成为一项赋能技术。这一点至关重要，因为从分子输运到催化反应，诸多关键纳米级过程均依赖可实时调节与观测的严苛控制条件。

该平台可从多方面拓展纳米流控技术的实验应用范围：在化学领域，可用于研究同步控温、控电条件下的纳米级混合、扩散与催化反应；在生物学与生物物理领域，可支撑受限空间内蛋白质聚集、折叠与输运等相关研究。其紧凑模块化的设计搭配内置光学读取功能，也为研发更具规模化的芯片实验室与类器官芯片工具迈出了实用化一步。该研究表明，不能仅依赖性能更强的芯片，还需配套同等高性能的接口设备，才能让先进芯片充分发挥作用。