用于液体微流控的非接触式电荷屏蔽刀，“隔山打牛”分裂液滴

MEMS 2023-03-15 00:00

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精确和程序化的多行为液滴操纵对于化学计量、生物病毒检测和微流控芯片实验室来说至关重要。除了基本的移动，液滴的分裂、分配与二次合并同样需要在微流控芯片中进行整合。然而，现有的液滴操纵策略，包括从光响应到磁控的方式，很难在没有质量损失和污染的情况下在超润湿表面上分割液体。这是液体固有的高表面张力和附壁效应所造成的。

近日，北京航空航天大学衡利苹研究员、江雷院士团队在《Journal of the American Chemical Society》期刊上发表了题为“Noncontact Charge Shielding Knife for Liquid Microfluidics”的文章。作者为韩霄、谭胜达、金荣宇。

为实现液体在自分裂的同时，不发生质量损失以及液体污染。该团队利用电荷屏蔽机制（CSM）开创了一种新型的非接触式液体操纵平台，包括润滑层，电荷储存层以及屏蔽层。当屏蔽材料从平台下方靠近时，均匀的表面电荷迅速异致化，宛如一把无形的电荷刀，分裂了上层的液滴（图1）。不仅针对于低表面张力的非极性液体（25.7 mN m^-1），对于高表面张力的极性液滴（87.6 mN m^-1），非接触的屏蔽层都可以如隔山打牛般分裂液滴。此外，刚刚分裂的两个液滴相对于屏蔽区域展现出完全不同的运动状态。其中一滴自行推进到屏蔽中心，而另一个则展现出排斥的现象。

图1 液滴在CSM平台上的自分裂行为

通过对表面电势的系统分析与理论模拟，该团队发现在屏蔽层贴近后，平台上的表面电势迅速塌陷，并形成了一种波状的静电力（图2）。同时，在此静电力的影响下，中性液滴中的电荷发生了相对分离，一端分布了大量的正电荷，而另一端则分布着负电荷。因此，当液滴分裂后，原本中性的液滴反而产生了两个具有相反电性的小液滴（图3）。同时，此波状静电力的零点恰好与屏蔽层边缘相吻合，通过改变液滴与屏蔽层边缘的相对位置关系，可以实现液滴的成比例分裂及分配。

图2 液滴分裂机制与模拟

图3 液滴的精准分裂

由于分裂后的液滴具有不同的电性，作者也利用不同的方式对液滴进行了程序化的操纵（图4，图5）。通过对屏蔽材料的驱动，液滴同样跟随重复路径化。因此针对屏蔽层的进行程序化操纵，液滴即刻复刻出相同的图案化路径。

图4 液滴（同驻极体电性一致）的程序化操纵

图5 液滴（同驻极体电性相反）的程序化操纵

除此之外，在此操控平台下，不仅能够实现液滴的非接触式驱动，分裂和分配，还能实现微液滴的汇聚以及旋转（图6）。就如智能软体机器人般为物质的检测，计量，合成与分割打下了基础。例如，通过液滴的高速旋转，苯胺可以迅速的溶解在盐酸体系中以合成导电高分子聚苯胺。

图6 适用于各种应用的多行为液滴操纵

图7 CSM平台上的多行为操纵

小结：作者们描述了一种未探索的电荷屏蔽机制（CSM）以非接触方式操纵各种液体的新策略。CSM平台在电荷屏蔽后产生了独特波状静电力，能以非接触的方式对液体进行一系列操纵，包括分裂、分配、合并、驱动和旋转（图7）。与以前依靠电润湿或磁场辅助的方法不同，该策略无需在液滴中添加额外的电极与磁子，使液滴在分裂过程中没有任何质量损失及污染。从更广阔的角度来看，这种新一代的微流控平台具有相当大的潜在应用价值，从化学制造到生物分析，从计量移取到智能打印。

延伸阅读：
《微流控初创公司调研》
《循环肿瘤细胞（CTC）分选和检测专利全景分析-2020版》