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《Nature Reviews Electrical Engineering》综述论文报告
标题：Active-Matrix Digital Microfluidics for High-Throughput, Precise Droplet Handling
作者：Dongping Wang¹,⁵, Shengzhe Jiang¹,⁵, Hanbin Ma²,³, Jun Yu¹, Arokia Nathan¹,⁴
机构：1山东大学信息科学与工程学院；2中国科学院苏州生物医学工程技术研究所；3四川省人民医院检验科；4剑桥大学达尔文学院
发表信息：2025年发表于《Nature Reviews Electrical Engineering》，DOI: 10.1038/s44287-025-00230-1

一、论文主题与背景

本文系统综述了主动矩阵数字微流控（AM-DMF）技术的进展，重点探讨其设计原理、技术路线及生物医学应用潜力。AM-DMF通过半导体电极阵列动态操控微米级液滴，克服了传统微流控技术（如被动矩阵数字微流控PM-DMF）的吞吐量和精度限制，成为基因组学、单细胞分析和药物发现等领域的高通量平台。

二、核心观点与论据

1. AM-DMF的技术优势与架构演进

观点：AM-DMF通过主动矩阵（Active-Matrix, AM）架构实现液滴的高通量、高精度操控。
论据：
- 对比PM-DMF：PM-DMF需为每个电极单独布线（m×n阵列需m×n信号线），而AM-DMF采用行列扫描（仅需m+n信号线），显著提升可扩展性（如文献34中640×280阵列实现17.9万像素操控）。
- 技术迭代：从DMF 1.0（被动矩阵）、DMF 2.0（TFT主动矩阵）、DMF 2.5（集成GOA电路）到DMF 3.0（集成电路驱动），电极密度从数百增至12.9万（文献106），液滴体积从1000 nl降至0.2 nl（文献34）。
支持技术：薄膜晶体管（TFT）技术（如a-Si:H、LTPS、IGZO）和CMOS工艺的进步是关键驱动力（表1）。

2. 多功能集成与生物医学应用

观点：AM-DMF通过集成传感与分析模块成为多功能平台。
论据：
- 芯片级集成：在TFT层嵌入液滴位置传感器（文献37）、温度传感器（文献66）、光电探测器等，实现实时反馈。
- 系统级集成：结合荧光检测（文献116）、质谱（文献121）和表面增强拉曼散射（SERS）（文献122），提升分析能力。例如，AM-DMF与重组酶聚合酶扩增（RPA）结合可在60分钟内完成流感病毒核酸分析（文献106）。
- 应用案例：单细胞蛋白质组学平台（文献100）从单个细胞中检出2000+蛋白质，药物筛选系统（文献22）实现微升级试剂并行测试。

3. 人工智能驱动的自动化

观点：AI算法解决大规模液滴路径规划与状态识别的复杂性。
论据：
- YOLOv8模型：实现无标记细胞分选（文献38），准确率>95%。
- 路径优化：结合A*算法和协商式引导（文献39），避免交叉污染。文献106展示的AI全自动核酸分析平台，通过实时图像识别动态调整液滴路径。

4. 现存挑战与未来方向

观点：AM-DMF的商业化仍面临技术瓶颈。
论据：
- 生物污染（Biofouling）：液滴运动可能因表面吸附生物分子而受阻，需通过AI动态路径规划规避（文献106）。
- 制造成本：TFT/CMOS工艺复杂，良率低（文献36），需借助平板显示产业过剩产能降低成本（文献87）。
- 电极稳定性：高电压驱动导致介电层疲劳，需开发双栅TFT等新型结构（文献35）。

三、论文价值与意义

1. 学术价值：首次系统梳理AM-DMF技术路线，提出DMF 1.0至3.0的演进框架，为微流控领域提供设计范式。
   
2. 应用价值：推动精准医疗（如单细胞分析）、即时检测（如病毒诊断）和药物开发（高通量筛选）的自动化。文献35展示的唾液SARS-CoV-2检测系统，标志着AM-DMF在公共卫生中的潜力。
   
3. 跨学科启示：半导体工艺（如IGZO TFT）、人工智能与微流控的融合，为“芯片实验室”提供新思路。
   

四、亮点总结

• 技术突破：DMF 3.0实现12.9万电极集成（文献106），液滴操控精度达皮升级（文献34）。
  
• 方法创新：AI赋能的实时反馈系统（文献40）和多功能像素电路设计（文献37）。
  
• 应用前瞻：展望器官芯片（Organ-on-Chip）与可穿戴AM-DMF设备的结合（结论部分）。
  

（注：文中所有技术术语首次出现时均标注英文原词，如“薄膜晶体管（Thin-Film Transistor, TFT）”）