基于各向异性表面的液滴驱动

驱动液滴实现各种动态行为在生物医学、微流控、痕量检测等领域具有重要应用.液滴的驱动主要依赖于对液滴不同位置受力的调节.具有浸润性差异或结构差异的各向异性表面,在对液滴进行驱动时具有操作简便、节约能源等优势,逐渐成为液滴操控领域的研究热点之一.本文结合本课题组的研究工作,对近年来利用各向异性表面驱动液滴的相关研究进行了综...     

液滴界面的软物质结晶及有序自组织

液滴界面具有可以调节的曲率、表面张力及球面拓扑结构等特点,为结晶研究提供了独特的实验条件.近年来,由液滴界面结晶导致的新颖实验现象层出不穷,如具有多个光学中心的球晶、由亚稳态旋转相驱动的液滴形变、自驱动活性液滴等,引起了研究人员的广泛关注.结合本课题组工作,本文以软物质结晶及有序自组织行为在液滴界面与平面基板的不同为出发点,聚焦于液滴界面软物质相关的新颖实验现象,探讨了液滴界面复杂现象背后的形成机制,同时指出了液滴界面软物质结晶及有序自组织对化学、物理学、生物学等相关领域基础研究的影响.     

基于超声振动的微液滴生成装置设计与实验研究

设计了一种基于V型直线超声电机驱动的微液滴生成装置用于制备具有微米级尺寸的微液滴.此装置由基于V型直线超声电机驱动的微液滴生成部件、基于V型直线超声电机的三维位移控制平台和基于压电振子的微液滴分离部件组成.其中,生成部件包含超声电机、医用注射器、硅胶软管和自制的玻璃基微喷嘴.利用控制器驱动直线超声电机高精度地移动,由滑台推动注射器,在玻璃基喷嘴尖端产生附着的微小液滴;再利用压电振子激发杆状喷嘴的固有振型,使得附着的液滴克服粘性力从微喷嘴尖端分离,落在一定的范围内, 并计算生成的球形微液滴的半径.以蒸馏水作为初始液体,探究此装置生成的微液滴的特性.研究结果表明,蒸馏水在直线电机的精密驱动下,在微喷嘴尖端形成附着的球冠状液滴.通过分离部件的振动,附着的液滴克服自身的粘性力从喷嘴尖端分离, 形成球形液滴,通过测量得出此装置生成的球形液滴的半径小于40 μm.     

共聚焦拉曼测量中激光焦点在球形液滴中的穿透深度

针对在共聚焦拉曼测量中激光在球形液滴中的聚焦问题建立理论模型, 推导出激光焦点在球形液滴中的穿透深度公式, 将激光焦点在球形液滴中的实际穿透深度和拉曼平台的垂直移动距离关联起来. 研究表明, 平台移动距离和激光焦点移动距离是非线性的, 激光焦点分别聚焦于液滴上表面和球心处时, 激光焦点的移动距离等于平台移动距离, 而当激光焦点在液滴上表面和液滴球心之间时, 激光焦点的移动距离大于平台移动距离. 并利用此结论初步获得MgSO₄球形液滴胶态结构的空间分布信息. 发现MgSO₄液滴在低湿度下形成的胶态结构是具有一定厚度的壳状结构, 且其厚度与液滴所处环境的相对湿度有关.     

数字微流控技术及其在生物分析中的应用

数字微流控技术是一种基于微电极阵列来实现离散液滴精确控制的新型液滴操纵技术。这种基于介电润湿现象实现的液滴电操纵体系,相比于传统微流控芯片具有自动化、可寻址、可动态配置、易集成等特点。该文介绍了数字微流控技术液滴驱动原理,总结了芯片的结构和常用的制作方法,举例阐述了现阶段该技术在生物分析化学领域的应用,并对其应用前景做了展望。     

多尺度柔性结构的防覆冰性能

通过软复型和晶体生长的方法制备了具有柔性微米锯齿和纳米棒结构的微纳米复合表面,其具有低温低黏附的特性,达到了优异的防覆冰效果.柔性微纳米结构表面的形变,可以在低温条件下有效去除液滴.研究结果表明,微米结构的弯曲作用改变了液滴在表面的三相线,凹面增大了气/液/固三相线长度,增加了驱动液滴的难度;凸面减小了气/液/固三相线长度,有利于减少液滴与表面之间黏附力,使液滴在重力作用下快速脱除.     

梯度接触角表面的构建与应用

梯度接触角是梯度表面张力的反映,固体表面的润湿性由表面化学组成和表面微观形貌共同决定。通过表面化学组成和表面微观形貌的梯度化,可制备接触角变化范围不同的梯度接触角表面。本文综述了梯度接触角表面在液滴移动、微流体流动和生物吸附等领域中的应用。梯度接触角表面具有的不平衡杨氏力是促进液滴移动的主要原因,而表面所产生的接触角滞后则阻碍液滴移动;在生物学领域,梯度接触角表面会造成蛋白质和细胞选择性吸附或黏附。最后,简要探讨了梯度接触角表面存在的问题和发展方向。     

微流控液滴技术及其应用的研究进展

微液滴具有体积小、比表面积大,速度快、通量高,大小均匀、体系封闭,内部稳定等特性,在药物控释、病毒检测、颗粒材料合成、催化剂等领域中均有重要应用.微流控技术的发展为微液滴生成中实现尺寸规格、结构形貌和功能特性等的可控设计和精确操控提供了全新平台.本文概述了微流控液滴技术的基本原理、液滴生成方式及其基本操控,比较分析了微液滴的传统制备法与微流控合成法的异同,介绍了近年来微流控液滴技术在功能材料合成、生物医学和食品加工等领域中的研究新进展,探讨并展望了微流控液滴技术的潜在价值和未来发展方向.     

液滴的动态行为控制

正液滴动态行为控制在日常生活和工业生产中具有重要应用。从喷淋降温、防结冰到微流控和喷墨打印,都需要控制液滴的动态行为1,2。例如,喷淋降温过程需要延长液滴撞击到热表面后的接触时间,从而提高基底的散热量3。在干旱地区对冷凝的雾气进行收集时,需要控制液滴的定向移动4。目前,研究人员发展出各种各样的方法来控制液     

喷墨打印高精度图案研究进展

近年来, 功能材料的图案化及其在高性能光电器件的应用研究受到了广泛关注. 与传统图案化方法相比, 喷墨打印技术更容易实现大面积复杂图案的直接书写和复合功能材料的图案化, 且制备简便, 成本低廉, 使其成为最受关注的图案化方法之一. 综述了近年来喷墨打印制备高精度图案的研究进展. 包括通过优化墨滴的化学组成、调控基材的化学或物理结构以及改进喷墨设备等方法以提高喷墨打印分辨率; 以及通过控制液滴内部的毛细流动和三相接触线的移动抑制喷墨液滴的“咖啡环”效应, 以实现均质打印. 文章最后展望了喷墨打印制备高精度图案的研究发展方向. 这些工作对于实现高性能器件的制备具有重要意义.     

基于微流体脉冲驱动控制技术的电化学微流控芯片制备方法

基于微流体脉冲驱动控制技术搭建了电化学微流控芯片的制备系统.首先将纳米银墨水和甘油溶液分别微喷射到玻璃基底表面形成微电极图形和微流道液体阳模图形;然后分别进行烧结和聚二甲基硅氧烷(PDMS)模塑工艺制得微电极和微流道;最后将微电极和微流道键合形成电化学微流控芯片.研究了系统参量对液滴产生的影响以及液滴直径和重叠率对液滴成线的影响,制得的微电极最小线宽为45 μm、厚度为2.2 μm、电阻率为5.2 μΩ·cm,制得的微流道最小线宽为35 μm,流道表面光滑.采用制得的电化学微流控芯片进行了葡萄糖浓度的电化学流动检测.结果表明,葡萄糖溶液的浓度与响应电流具有较高的线性关系,可对一定浓度范围内的葡萄糖溶液进行定量检测.基于微流体脉冲驱动控制技术的电化学微流控芯片制备方法具有微喷射精度高、重复性好,制备系统结构简单、成本低廉等优点,可用于生化分析、生物传感器等领域的芯片制备.     

超疏水表面上冷凝液滴发生弹跳的机制与条件分析

使用液滴合并前后的体积和表面自由能守恒作为两个限制条件,确定了合并液滴的初始形状,即为偏离平衡态的亚稳态液滴,具有缩小其底半径而向平衡态液滴转变的推动力.进而分析了液滴变形过程中的推动力和三相线(TPCL)上的滞后阻力,建立了液滴变形的动态方程并进行了差分求解.如果液滴能够变形至底半径为0mm的状态,则根据该状态下液滴重心上移的速度确定液滴的弹跳高度.不同表面上冷凝液滴合并后的变形行为的计算结果表明,光滑表面上的液滴合并后,液滴只能发生有限的变形,一般都在达到平衡态之前就停止了变形,因此冷凝液滴不会发生弹跳;粗糙表面上的Wenzel态液滴的三相线上的滞后阻力更大,因而液滴更难以变形和弹跳;具有微纳二级结构表面上只润湿微米结构,但不润湿纳米结构的部分Wenzel态液滴能够变形至Cassie态,但没有明显的弹跳;只有在纳米或微纳二级结构表面上的较小Cassie态液滴合并后,液滴易于变形至底半径为0mm的状态并发生弹跳.因此,Cassie态合并液滴处于亚稳态,并且其三相线上的移动阻力很小,是导致冷凝液滴弹跳的关键因素.     

大气中无机盐粒水解过程中的微液滴现象

采用改变相对湿度, 无机盐/金属组合, 测定微液滴体系的pH值和电位分布等方法研究了微液滴形成和生长的特征. 结果表明, 微液滴的形成与大气腐蚀密切相关. 微液滴只在特定的盐粒/金属体系中出现, 微液滴区域具有较高的pH值和较高的电位分布. 此外, 微液滴形成和生长需要两个前提条件：第一, 环境相对湿度应高于盐粒水解液滴液面的饱和蒸汽压；第二, 在水解液滴下的金属能被液滴腐蚀.     

镉-钙黄绿素配合物在玻片表面的毛细流成环组装及其数值化荧光成象分析研究

一滴撒落在固载表面上的咖啡干涸后 ,会在原始液滴周边形成一个清晰的沉积环 .这种环沉积( Ring deposit)现象在其它液滴 (如牛奶、泥浆等 )干涸过程中十分普遍 .Deegan[1,2 ] 等认为这是由于发生在液滴内部的毛细流作用 ( Capillary flow effect)所致 .与电场和磁场一样 ,毛细流传输作用对溶质分子在固载表面的固定化组装具有定向作用 ( Direction effect) ,因而可以用于探针分子在固载表面的组装及其分析应用研究 [3] .同时 ,毛细流定向组装成环技术需要样品少 ,灵敏度高 ,在生化研究及分析、临床检验和环境监测方面具有十分重要的应用…     

液滴微流控技术在生物医学中的应用进展

液滴微流控是微流控芯片领域的一个重要分支,由于其诸多独特优势而得到了广泛的应用与研究.本文将概述液滴微流控的特点和基本原理,同时对近年来其在生物医学中的应用进行了简要综述,并展望了液滴微流控技术的发展前景.     

微液滴微流控芯片:微液滴的形成、操纵和应用

微流控芯片中形成的微液滴粒径均一、可控,与传统的连续流体系相比,具有能实现试剂的快速混合、通量更高等优点.本文介绍了微流控芯片中由微通道控制的微液滴的形成、分裂、合并、混合、分选和捕获等微液滴操纵技术,以及微液滴技术在纳米粒子、聚合物微粒的合成、纳米粒子自组装、蛋白质结晶研究和DNA、细胞分析等领域的研究进展.     

用于"芯片实验室"的静电机制微液滴控制芯片的研制

提出了一种结构简单、可编程控制的离散液滴控制芯片。它以硅为衬底,重掺杂多晶硅为微电极阵列,氧化硅为介质层,碳氟聚合物薄膜为疏水层。它克服了传统连续流传输、混合的局限性及层流条件的限制,通过控制施加在微电极阵列上的电压脉冲时序,成功实现了对离散液滴的快速传输和混合。在30 V驱动电压下,约0.9μL去离子水液滴传输速度可达24 mm/s;在40 V驱动电压下,约0.8μL去离子水液滴和约1.4μL的0.0001 mol/L Rhodam ine液滴在7/30 s内完成了快速混合。另外,还提出利用提高液滴速度及来回晃动混合后的液滴等几种加强混合方法。     

基于液滴技术的微流控芯片实验室

液滴微流控系统是微流控芯片领域的一个新的分支,由于其诸多独特的优势而得到了广泛的研究和报道。本文对液滴的制备和相关的操控技术,包括液滴的分裂、融合、混合、分选、存储和编码等进行了介绍,对液滴技术近年来在化学与生物化学分析等领域中的应用进行了综述,并展望了液滴微流控技术的发展前景。     

一种用于核酸绝对定量检测的高鲁棒性液滴式数字PCR芯片

为满足液滴式数字聚合酶链式反应（PCR）技术对扩增反应过程中稳定保存液滴以及反应后高效检测的核心需求,构建了一种具有过滤气泡和增强荧光信号功能的液滴式数字聚合酶链式反应芯片.该芯片可在10 min内产生20多万个半径约为21 μm的液滴.利用“玻璃天花板”的方式构建了独立于芯片主体材料的液滴收集腔,为液滴提供稳定的保存与反应环境;还构建了过滤结构,可有效过滤混入液相中的空气,提高芯片鲁棒性.同时,在液滴收集腔中引入反射层,增强荧光信号,使单个视野荧光成像时间缩短约40%,提高了检测效率.利用该芯片定量检测EGFR基因第21号外显子,检测信号与DNA浓度在10¹~10⁵ copies/μL范围内呈现良好的线性关系（R²=0.998）.该方案在载玻片大小的芯片上实现了液滴产生、PCR扩增和荧光信号读取,并具有较高的鲁棒性与检测效率,在核酸检测等方面具有应用潜力.     

微流控液滴操控技术及其生物分析应用

作为一种新兴的分析技术,液滴微流控在生物分析研究方面具有诸多优势。因此,开展液滴微流控技术及其生物分析应用相关的研究工作,受到研究者广泛的关注。本文重点对微流控中液滴的操控技术,以及液滴微流控生物分析应用进展进行总结和评述。