1. 引言：数据存储革命与微流控技术的跨界融合
随着全球数据量呈指数级增长，传统存储介质（如硬盘、磁带）面临物理极限、格式过时和能耗过高的三重挑战。DNA 作为一种天然的分子存储载体，凭借每克数百艾字节的存储密度、百万年级的耐久性和格式兼容性，成为解决长期数据归档难题的核心方向。然而，DNA 存储的工业化落地需突破三大瓶颈：室温稳定性、自动化读写和高密度集成。
在此背景下，微流控技术与纳米封装工艺的跨界融合提供了系统性解决方案。通过将 DNA 封装于二氧化硅纳米颗粒中，并结合数字微流控芯片（DMF）的精密操控能力，不仅实现了 DNA 数据的长期室温存储，更构建了自动化检索的完整 workflow。这一技术路径深度整合了 MEMS 加工、PDMS 芯片制备、表面修饰等关键工艺，为 DNA 存储从实验室走向产业化奠定了基础。
2. 核心技术架构：纳米封装与微流控集成的双重创新
1) 二氧化硅纳米颗粒封装技术（PD 颗粒）
图1. 存储方案：在合成编码数字信息的DNA库后，DNA通过封装在二氧化硅纳米颗粒中得到保护，这些颗粒被沉积在兼容DMF的玻璃载玻片上并储存在架子上。因此，与配备最新LTO-9磁带驱动器的标准19英寸服务器机架相比，其存储密度高出6000多倍（详见支持信息）。
DNA 的室温不稳定性源于水解和氧化作用，未保护的干燥 DNA 在室温下一年内浓度会降至初始值的 10% 以下。为解决这一问题，研究团队开发了核壳结构的 PD 颗粒，通过多层二氧化硅封装构建近无水保护环境。
该工艺以 MEMS 加工标准的二氧化硅纳米颗粒为核心，经 TMAPS（3 – 三甲氧基硅丙基三甲基氯化铵）功能化修饰后，利用 DNA 分子的负电磷酸骨架与颗粒表面正电荷的静电作用实现高效吸附。在溶胶 – 凝胶过程中，通过 TEOS（四乙氧基硅烷）的缩聚反应生长保护层，最终经二次氨化处理提升表面 zeta 电位至 33±10 mV，确保颗粒在分散液中无团聚现象。这种表面修饰工艺与 PDMS 芯片加工中的功能化处理逻辑异曲同工，为后续微流控集成提供了兼容性基础。
PD 颗粒的核心优势在于兼顾稳定性与可及性：封装后的 DNA 在 70℃、50% 相对湿度下加速老化 4 天（等效室温 116 年）仍保持完整，而通过含氟离子的 BOE 缓冲液可快速溶解硅壳，无损释放 DNA 用于 PCR 扩增和测序。
图2. a) 传统DNA颗粒在DMF装置的电场中发生团聚。b) PD颗粒表现出更强的韧性，在分散体中保持稳定。参见支持信息中的视频S1-S5。
2) 数字微流控芯片的自动化集成
数字微流控（DMF）技术的引入解决了 DNA 存储的自动化操控难题。该系统采用 ITO 导电玻璃与疏水涂层（Teflon AF 1600）构建芯片基底，通过电极阵列的电润湿效应实现液滴的精准移动、混合和干燥。与传统微流控芯片依赖微通道不同，DMF 的无通道设计更适合高浓度颗粒分散液的操控，避免了微流道加工中常见的堵塞问题。
为适配 PD 颗粒的特性，研究团队优化了芯片加工参数：通过调整电极电压（275V 最优）和液滴体积（5-10μL），实现了颗粒在玻璃载玻片上的均匀沉积。同时，在颗粒分散液中添加 20wt% 碳酸氢钠，利用其与 BOE 反应产生的 CO₂气泡辅助干燥颗粒的再分散，使检索效率提升至 100%。这一设计与 PDMS 芯片键合对准平台的精密操控理念一致，体现了微流控技术在自动化领域的通用性。
3. 性能验证：稳定性、密度与自动化的三重突破
1) 长期稳定性超越传统存储介质
图3. a) DNA包覆二氧化硅纳米颗粒的合成。b) 功能化核颗粒以及DNA包覆和氨化的PD颗粒的粒径分布。c) 显示单个PD颗粒的扫描电子显微镜显微照片。比例尺为100纳米。
加速老化实验验证了封装技术的优越性：在 70℃、50% RH 条件下，未保护的 DNA 在 9 天内完全降解，而 PD 颗粒封装的 DNA 仍保持稳定。在室温存储场景中，封装 DNA 可稳定保存超过一个世纪，远超磁带（10-30 年）和硬盘（5 年）的使用寿命，无需像传统存储那样定期数据迁移。
图4. a) 在室温、-80°C以及封装于40°C和50%相对湿度条件下储存的DNA的相对浓度。b) 在兼容DMF的载玻片上进行的DNA加速老化测试：添加了20 wt% \(NaHCO_{3}\)的PD颗粒（基于颗粒的量），与在70°C、50%相对湿度下未受保护的干燥DNA进行对比。每个点使用100 µg颗粒。
这种稳定性为归档存储提供了核心价值 —— 尤其适用于医疗数据、科学研究档案等需要长期保存的场景，与器官芯片、细胞培养芯片产生的海量实验数据存储需求高度契合。
2) 存储密度实现数量级跨越
该技术的存储密度达到惊人水平：单玻璃载玻片上的一个存储点可承载 23.5TB 数据，优化 DNA 负载量和编码方案后，潜力可达 280TB / 点。一个 50cm 高的存储架可容纳 160 块载玻片（每块 50 个存储点），总容量最高达 2.24EB，存储密度为 595TB/cm³。
这一指标是当前最先进的 LTO-9 磁带存储系统（8.2GB/cm³）的 6144 倍，相当于用一个小型服务器机架替代数千个传统磁带机柜。高密度优势背后，是 MEMS 微纳加工技术对颗粒尺寸（117±9nm）的精准控制，以及微流控芯片对液滴沉积的微米级定位能力。
图5. 数字微流控兼容载玻片上干燥颗粒点的回收效率特征。参见支持信息中的视频S1-S5。每个点使用100微克颗粒。
3) 自动化检索效率满足工业化需求
基于 DMF 芯片的自动化流程大幅降低了人为干预：从颗粒复苏、DNA 释放到 PCR 扩增，全程可在芯片上完成，单次检索耗时仅需数小时。实验中，包含 7373 条独特序列的 DNA 文库（编码航天飞机图像）经加速老化后，通过 DMF 系统成功检索，序列丢失率低于 4%，无新增碱基替换错误。
这种自动化能力解决了 DNA 存储 “读写瓶颈”，与微流控 PCR 芯片、液滴数字 PCR 技术的发展趋势一致，为构建全自动化 DNA 存储阵列提供了可能。
图6. a) 使用兼容数字微流控（DMF）的二氧化硅纳米颗粒包裹DNA文库进行DNA数据存储的实验方案。b) 测序后未读取到的序列：100 µg颗粒（500 ng DNA文库）、500 µg颗粒（2.5 µg DNA文库）或裸露的干燥DNA文库（500 ng）。c) 三个样本中替换错误相对数量的比较。航天飞机图像由美国国家航空航天局（NASA）提供。
4. 行业应用前景：从数据归档到跨界融合
1) 高密度数据归档场景
该技术最直接的应用是替代传统磁带库，服务于云计算数据中心、国家档案馆、科研机构等场景。其超低能耗（室温存储无需制冷）和空间优势，可使数据中心的存储成本降低 90% 以上，同时减少碳足迹，符合绿色数据中心的发展趋势。
对于生物医学领域，该系统可与类器官芯片、3D 细胞培养芯片联动，实现实验数据的 “产生 – 存储 – 检索” 闭环，尤其适用于基因测序数据、药物研发档案等高密度、长期保存需求。
2) 微流控与 DNA 存储的产业化协同
技术的落地依赖产业链支撑：MEMS 代工企业可提供标准化的 PD 颗粒合成工艺，微流控芯片制造商可规模化生产 DMF 操控平台，而表面修饰技术的成熟则为颗粒稳定性提供保障。当前，PDMS 芯片加工平台、光刻胶模具制备、微流道加工等产业链环节已具备量产能力，为技术产业化奠定了基础。
未来，该技术可与二维码芯片结合实现数据溯源，或集成到微流控分析系统中，构建 “存储 – 检测” 一体化设备，应用于现场快速检测、便携式数据终端等场景。
3) 技术延伸与跨界创新
DNA 存储与微流控的融合还将催生新应用：在农业领域，可用于存储作物基因库数据；在航天领域，高密度存储特性适合空间探测器的数据归档；在医疗领域，可与液体活检芯片结合，实现患者基因数据的长期存储和精准检索。
随着 DNA 合成成本的持续下降（预计未来 5 年降低 100 倍），该技术将逐步从归档存储向近线存储延伸，与固态硬盘、云存储形成互补，构建多层次存储体系。
5. 结语：微流控驱动的存储革命
DNA 数据存储与数字微流控技术的结合，不仅突破了传统存储的物理极限，更构建了一个融合 MEMS 加工、PDMS 芯片制备、表面修饰等多领域技术的创新生态。其室温稳定性、超高密度和自动化优势，使其成为应对数据爆炸时代的核心解决方案。
未来，随着微流控芯片集成度的提升（如多通道并行操控、芯片上测序模块集成）和纳米封装技术的优化（如更高 DNA 负载量、更快速的释放工艺），DNA 存储将逐步实现产业化落地。这一革命不仅将改变数据存储的格局，更将推动微流控技术、纳米材料、生物制造等领域的跨界融合，为新一轮科技革命注入动力。
从实验室的技术验证到工业化的规模应用，数字微流控赋能的 DNA 存储正开启一个 “分子级存储” 的新时代，为人类数字遗产的长期保存提供了可靠保障。
参考文献：DOI: 10.1002/smll.202107381
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