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Overview of the OEW-based droplet dispensing system. a Schematic diagram of the microchip. b Equivalent circuit diagram

Présentation du système de distribution de gouttelettes basé sur l'OEW. a Schéma du microprocesseur. b Schéma du circuit équivalent de l'OEW. c Schéma de principe de l'OEW. d Schéma du système. e Vue latérale (f) Vue de dessus de la manipulation des gouttelettes ((i) Initial. (ii) Angle de contact de la gouttelette modifié par le signal d'entrée et le motif lumineux. (iii) Gouttelette entraînée par le motif lumineux. (Crédit : Microsystems & Nanoengineering)

Projeter de la lumière pour distribuer des liquides : vers des microgouttelettes ultra-précises

par La rédaction
5 février 2026
en Intelligence artificielle, Technologie

Les systèmes microfluidiques à base de gouttelettes sont largement utilisés pour les tests biochimiques, les diagnostics et la découverte de médicaments car ils réduisent la consommation de réactifs et améliorent le contrôle des réactions. Cependant, distribuer des gouttelettes individuelles avec une grande précision est difficile, surtout à des volumes inférieurs à des centaines de nanolitres.

Les systèmes d’électromouillage traditionnels reposent sur des électrodes fixes, ce qui limite la flexibilité et nécessite une fabrication complexe. Les méthodes de contrôle optique offrent une plus grande liberté mais souffrent souvent d’une taille de gouttelette incohérente et d’une faible reproductibilité. En particulier, le rétrécissement incontrôlé de la gouttelette et la séparation aléatoire pendant la distribution entraînent de grandes erreurs de volume. Sur la base de ces défis, il est urgent de développer une stratégie de distribution de gouttelettes contrôlable et de haute précision capable d’un fonctionnement stable à l’échelle nanolitre.

Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies du Sud, ont décrit un nouveau système de distribution de gouttelettes basé sur l’optoélectromouillage qui utilise des motifs lumineux programmables pour contrôler avec précision la formation des gouttelettes. L’étude (DOI : 10.1038/s41378-025-01071-6) introduit une stratégie dynamique guidée par la lumière qui permet une distribution fiable de gouttelettes nanolitres avec des volumes ajustables. En projetant des motifs optiques sur mesure sur une puce microfluidique, le système réalise un façonnage, une séparation et un transport précis des gouttelettes, démontrant à la fois une haute précision et une forte reproductibilité dans la manipulation de petits volumes de liquide.

L’innovation centrale de l’étude réside dans une conception de motif lumineux dynamique qui contrôle activement la déformation et la séparation des gouttelettes pendant la distribution. Au lieu de s’appuyer sur des électrodes fixes, le système crée des « électrodes virtuelles » par illumination localisée, permettant aux gouttelettes d’être guidées uniquement par la lumière projetée. Un motif lumineux de rétrécissement spécialement conçu joue un rôle critique en stabilisant le pont liquide qui se forme entre la gouttelette mère et la gouttelette fille émergente.

Pendant la distribution, la gouttelette s’étend d’abord sous illumination, puis subit une étape de pompage arrière contrôlée qui remodèle le liquide pour correspondre au motif lumineux. Ce processus ralentit l’événement de séparation, éliminant la division aléatoire et améliorant considérablement la précision du volume. Par une optimisation systématique de la géométrie du motif lumineux, de la tension et de la position de rétrécissement, les chercheurs ont atteint une erreur relative minimale de 0,45 % et un coefficient de variation de 2,49 % pour des gouttelettes d’environ 36 nanolitres.

Le système a également démontré une forte flexibilité, distribuant avec précision des gouttelettes sur une large gamme de tailles tout en maintenant une précision inférieure aux seuils d’erreur couramment acceptés. Surtout, les chercheurs ont validé la plateforme en utilisant l’amplification par réaction en chaîne par polymérase (PCR), montrant que les gouttelettes sur puce performaient de manière comparable aux échantillons pipetés manuellement, même à des volumes inférieurs à 200 nanolitres.

« Ce travail montre que la lumière peut être utilisée non seulement pour déplacer des gouttelettes, mais aussi pour définir avec précision leur volume final, » a déclaré l’auteur correspondant de l’étude. « En contrôlant l’ensemble du processus de distribution avec des motifs optiques programmables, nous éliminons de nombreuses sources d’aléa qui limitent les systèmes microfluidiques conventionnels. La capacité à générer des gouttelettes nanolitres uniformes avec une erreur aussi faible ouvre de nouvelles possibilités pour les workflows biochimiques automatisés, en particulier là où la cohérence et la miniaturisation sont critiques. »

La stratégie de distribution de gouttelettes guidée par la lumière offre une solution polyvalente pour les plateformes lab-on-a-chip utilisées dans le diagnostic moléculaire, le criblage de médicaments et la recherche sur les organes sur puce. Sa capacité à manipuler de manière fiable des volumes inférieurs à 200 nanolitres comble un manque de longue date entre le pipettage conventionnel et l’automatisation microfluidique. Parce que le système évite une fabrication d’électrodes complexe, il simplifie également la conception des dispositifs et améliore l’évolutivité. Plus largement, le travail souligne comment le contrôle optique peut transformer la microfluidique digitale en un outil flexible et reconfigurable pour la chimie et la biologie de précision, avec un impact potentiel sur les tests cliniques, le développement pharmaceutique et l’analyse biochimique à haut débit.

Article : A high-precision nanoliter droplet dispensing system based on optoelectrowetting with tunable droplet volume – Journal : Microsystems & Nanoengineering – DOI : Lien vers l’étude

Soruce : Microsystems & Nanoengineering

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Tags: microfluidiquemicrogouttelettesnanolitreoptoelectromouillage
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Precise control of tiny liquid volumes is essential for modern biochemical analysis, yet reliably dispensing nanoliter-scale droplets remains technically challenging. This study presents a light-controlled droplet dispensing strategy that enables highly accurate generation of tunable nanoliter droplets on a microfluidic chip. By combining optoelectrowetting with dynamically designed light patterns, the system guides droplets to deform, shrink, and detach in a controlled manner. The approach achieves exceptional volume consistency across a wide range of droplet sizes and supports stable formation of uniform droplet arrays. Beyond technical precision, the work demonstrates that light-driven droplet control can reliably support small-scale biochemical reactions, offering a powerful alternative to conventional liquid-handling methods.

Droplet-based microfluidic systems are widely used for biochemical assays, diagnostics, and drug discovery because they reduce reagent consumption and improve reaction control. However, dispensing individual droplets with high accuracy is difficult, especially at volumes below hundreds of nanoliters. Traditional electrowetting systems rely on fixed electrodes, which limit flexibility and require complex fabrication. Optical control methods offer greater freedom but often suffer from inconsistent droplet size and poor reproducibility. In particular, uncontrolled droplet necking and random pinch-off during dispensing lead to large volume errors. Based on these challenges, there is a strong need to develop a controllable, high-precision droplet dispensing strategy capable of stable nanoliter-scale operation.

Researchers from the Southern University of Science and Technology, reporting on November 28, 2025, in Microsystems & Nanoengineering, describe a new optoelectrowetting-based droplet dispensing system that uses programmable light patterns to precisely control droplet formation. The study (DOI: 10.1038/s41378-025-01071-6) introduces a dynamic light-guided strategy that enables reliable dispensing of nanoliter droplets with tunable volumes. By projecting tailored optical patterns onto a microfluidic chip, the system achieves accurate droplet shaping, separation, and transport, demonstrating both high precision and strong reproducibility in small-volume liquid handling.

The core innovation of the study lies in a dynamic light-pattern design that actively controls droplet deformation and pinch-off during dispensing. Instead of relying on fixed electrodes, the system creates "virtual electrodes" through localized illumination, allowing droplets to be guided solely by projected light. A specially designed necking light pattern plays a critical role by stabilizing the liquid bridge that forms between the parent droplet and the emerging daughter droplet.

During dispensing, the droplet first extends under illumination, then undergoes a controlled back-pumping step that reshapes the liquid to match the light pattern. This process slows down the pinch-off event, eliminating random splitting and significantly improving volume accuracy. Through systematic optimization of light pattern geometry, voltage, and necking position, the researchers achieved a minimum relative error of 0.45% and a coefficient of variation of 2.49% for droplets around 36 nanoliters.

The system also demonstrated strong flexibility, accurately dispensing droplets across a broad size range while maintaining precision below commonly accepted error thresholds. Importantly, the researchers validated the platform using polymerase chain reaction (PCR) amplification, showing that on-chip droplets performed comparably to manually pipetted samples, even at volumes below 200 nanoliters.

"This work shows that light can be used not just to move droplets, but to precisely define their final volume," said the study's corresponding author. “By controlling the entire dispensing process with programmable optical patterns, we eliminate many sources of randomness that limit conventional microfluidic systems. The ability to generate uniform nanoliter droplets with such low error opens new possibilities for automated biochemical workflows, especially where consistency and miniaturization are critical."

The light-guided droplet dispensing strategy offers a versatile solution for lab-on-a-chip platforms used in molecular diagnostics, drug screening, and organ-on-chip research. Its ability to reliably handle sub-200-nanoliter volumes addresses a long-standing gap between conventional pipetting and microfluidic automation. Because the system avoids complex electrode fabrication, it also simplifies device design and improves scalability. More broadly, the work highlights how optical control can transform digital microfluidics into a flexible, reconfigurable tool for precision chemistry and biology, with potential impact across clinical testing, pharmaceutical development, and high-throughput biochemical analysis.

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References

DOI

10.1038/s41378-025-01071-6

Original Source URL

https://doi.org/10.1038/s41378-025-01071-6

Funding information

This work was financially supported in part by Guangdong-Hong Kong-Macau Joint Laboratory on Micro-Nano Manufacturing Technology (Grant No. 2021LSYS004), National Natural Science Foundation of China (Grant No. 62403231), National Natural Science Foundation of China (Grant No. 31927802) and Shenzhen Science and Technology Innovation Commission (Grant No. RCJC20200714114436046).

About Microsystems & Nanoengineering

Microsystems & Nanoengineering is an online-only, open access international journal devoted to publishing original research results and reviews on all aspects of Micro and Nano Electro Mechanical Systems from fundamental to applied research. The journal is published by Springer Nature in partnership with the Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, supported by the State Key Laboratory of Transducer Technology.

Journal

Microsystems & Nanoengineering

DOI

10.1038/s41378-025-01071-6

Subject of Research

Not applicable

Article Title

A high-precision nanoliter droplet dispensing system based on optoelectrowetting with tunable droplet volume

Article Publication Date

28-Nov-2025

COI Statement

The authors declare that they have no competing interests.

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