基于液-固摩擦電納米發(fā)電機的微流控芯片，用于微液滴參數(shù)的無創(chuàng)自動力監(jiān)測

微液滴參數(shù)的監(jiān)測對液滴微流控技術(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)測方法存在成本高、干擾液滴運動，甚至可能存在交叉污染等缺點。為此，中國科學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龍威教授提出了一種基于液-固摩擦電納米發(fā)電機（LS-TENG）的微液滴監(jiān)測方法（MDMM），實現(xiàn)了微流控芯片對微液滴的無創(chuàng)自動力監(jiān)測。

該研究利用電壓脈沖頻率對微液滴頻率進行監(jiān)測，并建立了監(jiān)測微液滴長度和速度的數(shù)學模型。隨后，研究人員基于微液滴監(jiān)測方法構(gòu)建了微液滴傳感器（MDS）并進行了一系列實驗。微液滴頻率、長度和速度監(jiān)測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)測方法的普遍適用性，研究人員對不同液體介質(zhì)和通道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的微液滴進行了監(jiān)測。該研究最終建立了微液滴監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對微液滴的計數(shù)和微液滴頻率及長度的監(jiān)測。這項工作為監(jiān)測微液滴參數(shù)提供一種新的方法，為推進微流控領(lǐng)域的發(fā)展提供動力。

相關(guān)研究內(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、微注射化學分析和藥物生物輸入（圖1a）。在這些應(yīng)用中，監(jiān)測微液滴的參數(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)建了一個基于Y形通道微流控芯片的微液滴傳感器（圖1c（i））。兩個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）），說明液體與固體之間容易滑動，沒有液體殘渣。圖1d（i-iv）顯示微液滴生成過程的四個階段。穩(wěn)定輸出電信號原理如圖1e所示。

圖1 微液滴監(jiān)測方法實施原則

微液滴傳感器輸出的開路電壓（VOC）如圖2a所示，i-iii給出的是電信號特性：電壓峰值保持時間（t）。電極寬度（w）、微液滴長度（l）和微液滴速度（v）示意圖如圖2b所示。顯微鏡和照相機拍攝的視頻計算出微液滴頻率如圖2c（i）所示。當僅增加液體流速時，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)測方法具有良好的微液滴頻率監(jiān)測能力。

圖2 微液滴頻率的監(jiān)測

增加氣相流量會減少微液滴產(chǎn)生的第三、四階段的持續(xù)時間，液相的切斷速度更快，使得生成的微液滴更短（圖3a（i））。當氣相流恒定時，液相流動越大，微液滴長度越長（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度的電壓波形。在相似長度為2.565 ± 0.120 mm時，選擇一組不同速度的微液滴進行實驗，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 微液滴長度和速度監(jiān)測

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)測結(jié)果如圖4b所示。對微液滴頻率、長度和速度進行監(jiān)測的擬合曲線的R2分別為0.997、0.995和0.999。以上結(jié)果證明微液滴監(jiān)測方法可以以鹽溶液作為液體介質(zhì)來監(jiān)測微液滴參數(shù)。雖然不同的通道結(jié)構(gòu)有不同的液滴產(chǎn)生過程，但當微液滴通過電極時，電信號具有相同的特性t（圖4c）。因此，所建立的微液滴監(jiān)測數(shù)學模型適用于不同的通道結(jié)構(gòu)。

圖4 微液滴監(jiān)測方法的普遍適用性

圖5 通過LabVIEW軟件對微液滴進行監(jiān)測

為了證明微液滴監(jiān)測方法的實際應(yīng)用價值，研究人員建立了一個基于LabVIEW軟件的微液滴監(jiān)測系統(tǒng)（圖5a）。LabVIEW程序的操作邏輯如圖5b所示。該程序的顯示頁面如圖5c所示。將計算出的微液滴參數(shù)與顯微鏡拍攝的視頻信息進行比較，然后進行程序監(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)電機的微液滴監(jiān)測方法算法，它可以實現(xiàn)對微液滴參數(shù)的無創(chuàng)和自動力監(jiān)測?？梢酝ㄟ^電信號的脈沖頻率和t得到微液滴的頻率、長度和速度?；赮形通道微流控芯片構(gòu)建的微液滴傳感器，可進行實驗室實驗。對微液滴的頻率、長度和速度進行監(jiān)測，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)測系統(tǒng)，實現(xiàn)微液滴計數(shù)、頻率和長度的監(jiān)測。用函數(shù)y = x擬合監(jiān)測結(jié)果和真實值，R2分別為0.999和0.990。微液滴頻率和長度監(jiān)測的錯誤率分別為2.637%和1.479%。監(jiān)測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)測提供一種新解決方案，并促進液滴微流控領(lǐng)域的進一步發(fā)展。