产品解析 | 第41期：OpenDrop V4开源数字微流控平台

【产品简介】

一、产品名称：

OpenDrop V4开源数字微流控平台：

二、公司简介：

GaudiLabs（Gaudi团队）是面向开放科学与DIYBio社区的开源硬件团队，长期维护OpenDrop等数字微流控项目。其理念强调可复现制造+标准化组件+开放许可共享，通过公开设计文件与软件，支持教学工作坊、科研原型验证与二次开发，降低数字微流控的入门门槛。

三、技术原理：

OpenDrop V4属于EWOD数字微流控平台：在可寻址电极阵列上方形成电极-介电层-疏水层结构。对选定电极施加交流或直流高压后，液滴局部润湿性改变，接触角发生变化并产生沿表面的驱动力，使液滴向被激活电极移动。通过按时间序列点亮相邻电极，可实现液滴移动、合并与混合；在标准卡匣中，顶盖与固定间隙提供稳定几何约束，可进一步支持液滴分裂及从储液池定量分液。控制软件将电极图案与时序固化为可复现实验脚本。

四、技术参数：

1. 电极阵列：14×8镀金电极；单电极约2.75 mm×2.75 mm，电极间隙约4 mil；卡匣集成4个储液池。

2. 通道能力：驱动板连接器支持128电极通道寻址；支持卡匣在位检测。

3. 驱动方式：支持AC/DC双模式；电压与频率可设置。

4. 标准卡匣结构：ETFE介电膜约15µm；液滴间隙约240µm；典型液滴体积约2µL、储液池约12µL；推荐示例设置AC 240 V、1000 Hz。

5. 控制与接口：USB-C供电与通信；主控为SAMD21系列；机身带OLED与摇杆按键，配PC端控制软件；支持液滴反馈读数与过流保护。

五、应用场景：

1. 教学与工作坊：利用开放式（topless）卡匣进行液滴可视化操控演示，适合课堂、研讨会与科普展示。

2. 科研原型验证：在标准卡匣上实现move/mix/split/dispense等基础操作基元，快速验证样品处理流程与脚本化控制逻辑。

3. 温控相关实验：叠加加热卡匣/温控模块，实现孵育、恒温反应、温敏材料处理等需要温度窗口的液滴实验。

4. 磁珠协同操作：结合磁模块与磁珠体系，开展捕获、富集、搬运等方法学验证。

5. 开源二次开发：用于控制策略、传感反馈、卡匣结构与上位机软件的教学研究或工程迭代。

六、技术优势：

1. 平台化系统：控制器（V4）与卡匣解耦，按任务组合配置，便于从演示到方法学验证逐步升级。

2. 表面体系可复现：标准卡匣通过介电膜、疏水层、顶盖与固定间隙提高几何与润湿边界稳定性，利于重复运行与跨批次复现。

3. 可编程与可追溯：软件将电极图案与时序保存为序列文件，支持流程复用、参数记录与实验复跑，减少口口相传式调参。

4. 扩展友好：预留结构空间并提供温控、磁操控、反馈读数等方向，便于把液滴操控扩展为面向具体实验的功能单元。

5. 开源共享：设计文件与软件开放，有利于教学、复刻与二次开发；同时便于对关键参数、结构与流程进行透明溯源。

【产品解析】

一、OpenDrop V4主机

图1：OpenDrop V4是一款模块化电润湿控制器。驱动板配备一个连接器，可容纳最多128个电极的电路板盒。所有电极均可使用160V至300V范围内的直流或交流电压单独激活。该连接器还包含用于导电顶盖的虚拟接地连接以及电路板盒检测引脚。

图2：在墨盒和驱动板之间，5.5毫米高的空间允许安装特定应用的组件，例如用于加热和冷却的珀尔帖元件、用于磁珠的电磁铁或用于反应测量的光学传感器。

图3：设备通过USB供电产生交流和直流电压。具备真正的交流电压驱动能力（高达300VAC）。32位AVR SAMD21G18微处理器，拥有充足的内存和强大的性能。电子设置用于设置电压等级、频率和交流/直流电选择。

图4：电极阵列印刷电路板上承载着电极阵列。各个电极通过垂直互连（VIA）连接到电路板背面，并与背面的卡槽连接器相连。其特点包括

1. 用于连接最多128通道电极板的连接器

2. 镀金14×8电极阵列，尺寸为2.75 mm x 2.75 mm

3. 电极间间隙为4mil，呈互锁图案

4. 储液槽——新型电极阵列具有4个CT型储液槽

5. 电路板厚度：1毫米

二、OpenDrop数字微流控芯片盒

图5：OpenDrop V4芯片是一款集成式芯片系统。该芯片包含一个4×8独立寻址电极阵列和4个CT型储液槽，可执行所有数字微流控功能，包括移动、混合、分液和储液槽分配。有数字微流体功能。

图6：存储卡通过244针DIMM连接器与OpenDrop V4连接，设备会自动检测到它。ITO玻璃通过存储卡连接器与反馈放大器连接，用于读取反馈信号。

图7：该墨盒由多层结构组成。电极阵列电路板上层压有一层涂覆有疏水涂层的ETFE薄膜。导电ITO玻璃通过双面胶固定在电路板上，其厚度与液隙厚度完全一致。框架和顶盖用于保护和固定顶盖玻璃。

三、OpenDrop数字微流控芯片盒套装

图8：产品工具包内含材料：3个箔载体框架；1米Parafilm M，实验室薄膜；5毫升聚二甲基硅氧烷（PDMS），粘度：6厘斯；2个片段接地线，镀金弹簧销，末端呈圆形。

图9：OpenDrop V4的套装包括组装电润湿芯片盒的所有试剂和配件。近年来，在数字生物学领域开发了一种用较易获得的材料组装电极阵列的简单程序。对于学习电润湿技术来说，该方法不需要任何特殊设备，是一种理想的工具。

图10：该装置可嵌入进开放式或无顶式电润湿仪器中，使液滴在不带顶盖玻璃的情况下直立在芯片上，球形小水滴的旋转舞姿，引人注目。这种技术可适用于研讨会，教学和技术演示。

四、数字液滴试剂

图11：Digital Liquid是一种专门为OpenDrop V4上的数字微流体而配制的液体。水基溶液经过表面张力调整，可轻松插入储液器、快速移动和干净的分流。30%丙二醇可减少液滴长时间运行时的蒸发。

原料包括：1.5ml丙二醇；3.5毫升蒸馏水；10ul硅油5cSt；175ul墨水。

五、数字液体-磁珠

图12：数字液体缓冲液中的磁珠样品，用于使用磁铁在OpenDrop上进行分离、浓缩和纯化实验。磁珠浓度为50mg/ml，悬浮在水基、表面张力调节溶液中，可轻松插入储液器、快速移动和干净分裂。

原料：透明数字液体缓冲液中的200ul磁珠；珠子浓度50mg/ml；使用前使用混合器/涡旋对珠子和样品混合物进行均质化。

六、OpenDrop数字微流控配套软件

图13：OpenDrop V3数字微流控平台配备有强大的ARM Cortex M0处理器，OLED显示器，操纵杆和按钮控制阵列上的液滴。OpenDrop是使用嵌入式代码预编程，通过控制面板上的操纵杆进行操作。还有一个通用的开源PC软件轻松控制复杂程序。对于您自行设计实验，该装置可以通过USB-C连接器，用Arduino集成开发环境（IDE）进行重编程。

【小编点评】

一、产品优势

1、系统化与可组合性强：OpenDrop的产品不是单一主机，而是围绕同一控制器（V4）形成卡匣路线+软件+配套液体/磁珠+可扩展模块的组合体系。对用户来说，这种结构的价值在于：同一套底座可以按实验目标逐步叠加能力，不必一开始就把所有模块做满。

2、把关键不确定性尽量标准化：数字微流控（EWOD-DMF）真正难的往往不是电极点亮，而是表面体系+液滴体系的窗口可重复。标准卡匣通过固定间隙、介电层/疏水层与顶盖结构，把一部分不确定性压缩到可控范围；同时软件序列化控制把液滴操作固化为可复现流程，有利于教学与方法学验证阶段的复跑。

3、入门路径清晰：开放式套件降低演示成本：开放式（topless）路线把演示门槛压到少量材料+少量步骤，非常适合课堂、研讨会、工作坊做液滴会动的直观展示。对于第一次接触DMF的团队，这种先看见、再理解、再优化的路径很友好。

4、扩展位为温控/磁操控留了工程接口：预留的夹层空间与模块化结构，使温控（加热/制冷）、磁操控（磁铁/电磁铁）这类常见方法学刚需有明确的集成位置。对平台类产品而言，结构上给扩展留接口，通常比后期强行改造更利于迭代。

二、技术难度或门槛

1、EWOD的表面—液体窗口敏感，调参不可避免：EWOD是典型的多因素耦合系统：介电层厚度/缺陷、疏水层状态、润滑层均匀性、液滴配方、环境湿度/污染等都会影响启动电压、速度与稳定性。即便使用标准卡匣，也需要建立一套可复现的清洁、装配与参数记录流程；开放式套件对表面与环境的敏感性通常更高。

2、功能边界需要在选型时先讲清楚：开放式（topless）更适合移动/合并/基础混合演示，而分裂、储液池分液等操作通常更依赖顶盖与固定间隙提供的几何约束。实际项目中应先按目标动作选择路线：是要看得见的演示，还是要可跑通的完整流程。

3、高压系统的工程安全与规范性要求：AC/DC高压驱动对绝缘、接地、连线、外壳防护与操作规范有天然要求。做教学演示时尤其要建立上电检查清单和安全边界，避免把技术演示变成电气事故演示。

4、从会动到能用之间有一个工程化鸿沟：演示级液滴移动与科研级流程复现之间，通常差在：液滴体积一致性、跨批次表面一致性、长时间运行的漂移、以及与下游检测/温控/磁操控的协同。需要把工艺+参数+脚本一起管理，才能跨越这个鸿沟。

三、技术平台的应用展望

1、教学与科研原型验证：DMF的可视化入口：OpenDrop这种平台最适合作为DMF的入门工具：帮助团队快速建立”电极阵列—液滴操作基元—序列控制”的概念模型，并用真实硬件把抽象原理变成可观察现象。对高校课程、研讨会与跨学科项目尤其合适。

2、样品处理的小型化与流程自动化：DMF的强项在于把移液步骤脚本化，适合用来验证微量样品处理/预处理的流程可行性，例如混合、孵育、洗涤、磁珠富集等操作链路。平台化结构使其更像一个方法学试验台，先验证流程，再决定是否向更高通量/更强封装的系统迁移。

3、温控与磁操控叠加后的功能单元化：当温控模块与磁模块可被稳定集成后，平台可围绕特定任务沉淀功能卡匣/功能脚本，形成可复用的功能单元（例如：固定温度孵育+磁珠捕获+液滴洗涤的组合流程）。这类任务型功能单元比泛泛地谈平台很强更具落地价值。

4、开源生态带来的二次开发空间：开源硬件/软件意味着：用户既可以按既有方案复现，也可以围绕自身实验需求扩展控制、传感或卡匣结构。对资源有限但工程能力较强的实验室而言，这种可控的可塑性往往比封闭系统更适合做探索性研究与原型迭代。

注：

1. Alistar M,Gaudenz U.OpenDrop:An Integrated Do-It-Yourself Platform for Personal Use of Biochips[J/OL].Bioengineering,2017,4(2):45[2026-01-20].

2. GaudiShop.OpenDrop V4–Digital Microfluidics Platform[EB/OL].[2026-01-20].

3. 参考资料、图片和视频来源：公司官网、产品说明书和其他公开信息；

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