我校电子科学与技术学院与嘉庚创新实验室团队在声学微反应器件研究取得新进展

近日，我校电子科学与技术学院胡学佳助理教授、陈鹭剑教授和嘉庚创新实验室张惠敏副研究员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）。

酶促核酸反应是分子生物学的核心基石技术之一，在DNA信息存储与计算等前沿方向具有重要应用价值。然而，传统基于微流控芯片的反应平台受限于层流效应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，严重制约了该技术在高通量自动化领域的应用发展。虽然现有主动混合技术能够提升传质效率，但这些方法普遍存在设备复杂、生物相容性不足、难以微型化集成等技术瓶颈。因此，开发新型可规模化部署、可拓展的新型微反应调控技术与器件成为重要突破口。

针对这一难题，本研究开发了一种微尺度声学虚拟搅拌子（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，能够在微观到宏观大面积多个尺度上实现精准流体扰动。此外，作者基于该平台构建了核酸微反应平台，结果显示AVS技术能够增强固定在表面DNA的构象与酶促DNA反应传质效率，使片上单碱基酶法DNA合成的逐步产率提升7.74%，逻辑门运算速度较自由扩散体系提高8.58倍，解决了固液界面DNA计算反应可及性差、效率低的问题。值得关注的是，AVS技术具有显著的可扩展性和易于集成优势，能够根据需求在多种尺度上拓展部署，并且实验中展示了多通道反应单元的集成芯片，证明了其在大规模并行反应中的潜力，为后续自动化、高通量核酸分析及并行化DNA计算奠定了坚实的基础。同时，该声学微反应器件也在分子诊断、生物工程、信息处理及合成生物学等领域展现出广阔应用前景。

该工作在胡学佳助理教授，陈鹭剑教授和张惠敏副研究员的指导下完成。电子科学与技术学院2022级硕士研究生李大洋和化学化工学院2021级博士研究生李堃杰为论文共同第一作者。该工作得到了我校化学化工学院杨朝勇教授、电子科学与技术学院李森森副教授等多位老师的指导与帮助。研究工作得到了国家重点研发计划（2019YFA0905800）、国家自然科学基金（62204212，62075186，62175206），以及福建省自然科学基金（2022J05014）的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt6955

（电子科学与技术学院）

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