微液滴參數(shù)的監(jiān)測(cè)對(duì)液滴微流控技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。然而，現(xiàn)有的微液滴參數(shù)監(jiān)測(cè)方法存在成本高、干擾液滴運(yùn)動(dòng)，甚至可能存在交叉污染等缺點(diǎn)。為此，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、程廷海研究員和昆明理工大學(xué)龍威教授提出了一種基于液-固摩擦電納米發(fā)電機(jī)（LS-TENG）的微液滴監(jiān)測(cè)方法（MDMM），實(shí)現(xiàn)了微流控芯片對(duì)微液滴的無(wú)創(chuàng)自動(dòng)力監(jiān)測(cè)。

該研究利用電壓脈沖頻率對(duì)微液滴頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并建立了監(jiān)測(cè)微液滴長(zhǎng)度和速度的數(shù)學(xué)模型。隨后，研究人員基于微液滴監(jiān)測(cè)方法構(gòu)建了微液滴傳感器（MDS）并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。微液滴頻率、長(zhǎng)度和速度監(jiān)測(cè)的擬合曲線的決定系數(shù)（R2）分別為0.998、0.997和0.995。為了證明微液滴監(jiān)測(cè)方法的普遍適用性，研究人員對(duì)不同液體介質(zhì)和通道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的微液滴進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。該研究最終建立了微液滴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微液滴的計(jì)數(shù)和微液滴頻率及長(zhǎng)度的監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)工作為監(jiān)測(cè)微液滴參數(shù)提供一種新的方法，為推進(jìn)微流控領(lǐng)域的發(fā)展提供動(dòng)力。

相關(guān)研究?jī)?nèi)容近日以“Micro-Droplets Parameters Monitoring in a Microfluidic Chip via Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerator”為題發(fā)表在Advanced Materials期刊上。

液滴微流控可用于光固化制備顆粒材料、微注射化學(xué)分析和藥物生物輸入（圖1a）。在這些應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)微液滴的參數(shù)尤為重要，在通道結(jié)構(gòu)尺寸和液體介質(zhì)確定的條件下，微液滴的參數(shù)由入口流量決定（圖1b）。本研究構(gòu)建了一個(gè)基于Y形通道微流控芯片的微液滴傳感器（圖1c（i））。兩個(gè)入口分別充滿去離子水（DI）和空氣（圖1c（ii））。去離子水與PDMS的接觸角為101.54°（圖1c（iii）），說(shuō)明液體與固體之間容易滑動(dòng)，沒(méi)有液體殘?jiān)?。圖1d（i-iv）顯示微液滴生成過(guò)程的四個(gè)階段。穩(wěn)定輸出電信號(hào)原理如圖1e所示。

圖1 微液滴監(jiān)測(cè)方法實(shí)施原則

微液滴傳感器輸出的開(kāi)路電壓（VOC）如圖2a所示，i-iii給出的是電信號(hào)特性：電壓峰值保持時(shí)間（t）。電極寬度（w）、微液滴長(zhǎng)度（l）和微液滴速度（v）示意圖如圖2b所示。顯微鏡和照相機(jī)拍攝的視頻計(jì)算出微液滴頻率如圖2c（i）所示。當(dāng)僅增加液體流速時(shí)，阻塞氣相通道的液相速度加速，微液滴頻率增加（圖2c（ii））。不同氣相流（i）和液相流（ii）下微液滴傳感器輸出的開(kāi)路電壓如圖2d所示。脈沖頻率和微液滴頻率的擬合結(jié)果如圖2e所示，擬合線斜率為0.99414，截距為0.00049，R2為0.998，表明該微液滴監(jiān)測(cè)方法具有良好的微液滴頻率監(jiān)測(cè)能力。

圖2 微液滴頻率的監(jiān)測(cè)

增加氣相流量會(huì)減少微液滴產(chǎn)生的第三、四階段的持續(xù)時(shí)間，液相的切斷速度更快，使得生成的微液滴更短（圖3a（i））。當(dāng)氣相流恒定時(shí)，液相流動(dòng)越大，微液滴長(zhǎng)度越長(zhǎng)（圖3a（ii））。圖3b顯示微液滴流速隨入口流量的變化。圖3c顯示70 μL/min氣相流下不同微液滴長(zhǎng)度的電壓波形。在相似長(zhǎng)度為2.565 ± 0.120 mm時(shí)，選擇一組不同速度的微液滴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電壓波形如圖3e所示。t隨著電極寬度的增大而增大（圖3g）。

圖3 微液滴長(zhǎng)度和速度監(jiān)測(cè)

微液滴參數(shù)隨入口流量的變化如圖4a所示。由于界面張力和粘度等流體參數(shù)的變化，0.9%NaCl溶液微液滴的參數(shù)與去離子水微液滴不同。微液滴參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4b所示。對(duì)微液滴頻率、長(zhǎng)度和速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的擬合曲線的R2分別為0.997、0.995和0.999。以上結(jié)果證明微液滴監(jiān)測(cè)方法可以以鹽溶液作為液體介質(zhì)來(lái)監(jiān)測(cè)微液滴參數(shù)。雖然不同的通道結(jié)構(gòu)有不同的液滴產(chǎn)生過(guò)程，但當(dāng)微液滴通過(guò)電極時(shí)，電信號(hào)具有相同的特性t（圖4c）。因此，所建立的微液滴監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型適用于不同的通道結(jié)構(gòu)。

圖4 微液滴監(jiān)測(cè)方法的普遍適用性

圖5 通過(guò)LabVIEW軟件對(duì)微液滴進(jìn)行監(jiān)測(cè)

為了證明微液滴監(jiān)測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，研究人員建立了一個(gè)基于LabVIEW軟件的微液滴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖5a）。LabVIEW程序的操作邏輯如圖5b所示。該程序的顯示頁(yè)面如圖5c所示。將計(jì)算出的微液滴參數(shù)與顯微鏡拍攝的視頻信息進(jìn)行比較，然后進(jìn)行程序監(jiān)控誤差分析（圖5d）。

綜上所述，本研究提出了一種基于液-固摩擦電納米發(fā)電機(jī)的微液滴監(jiān)測(cè)方法算法，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微液滴參數(shù)的無(wú)創(chuàng)和自動(dòng)力監(jiān)測(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)電信號(hào)的脈沖頻率和t得到微液滴的頻率、長(zhǎng)度和速度?；赮形通道微流控芯片構(gòu)建的微液滴傳感器，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。對(duì)微液滴的頻率、長(zhǎng)度和速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，擬合曲線的R2分別為0.998、0.997和0.995。此外，證明了微液滴監(jiān)測(cè)方法在不同液體介質(zhì)和通道結(jié)構(gòu)中的普遍適用性。最后，建立了微液滴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微液滴計(jì)數(shù)、頻率和長(zhǎng)度的監(jiān)測(cè)。用函數(shù)y = x擬合監(jiān)測(cè)結(jié)果和真實(shí)值，R2分別為0.999和0.990。微液滴頻率和長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)的錯(cuò)誤率分別為2.637%和1.479%。監(jiān)測(cè)的最小微液滴體積為243.6 nL。本研究為微液滴參數(shù)的監(jiān)測(cè)提供一種新解決方案，并促進(jìn)液滴微流控領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。