摘要: 微流控芯片液滴技術(shù)是一種操控微小體積液體的新技術(shù)，既可實(shí)現(xiàn)高通量微觀樣本的生成及控制，也可進(jìn)行獨(dú)立液滴的操作。分散的微液滴單元可作為理想的微反應(yīng)器，在生物醫(yī)藥中的藥物篩選、材料篩選和高附加值微顆粒材料合成領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。液滴微流控芯片是利用流體剪切力的改變，使互不相溶的兩相流體在其界面處生成穩(wěn)定、有序的液滴，目前微液滴的生成方法主要有水動(dòng)力法、氣動(dòng)法、光控法和電動(dòng)法等?；谝旱蔚奈⒘骺叵到y(tǒng)越來(lái)越多地被應(yīng)用于執(zhí)行復(fù)雜的多重反應(yīng)、測(cè)量和分析，可以進(jìn)行超小體積和超高吞吐量的化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)。對(duì)液滴微流控系統(tǒng)而言，液滴的速度、大小和內(nèi)容物含量會(huì)影響最終的檢驗(yàn)結(jié)果，因此對(duì)液滴形成速率和液滴的內(nèi)容物含量的實(shí)時(shí)檢測(cè)至關(guān)重要，目前最常用的液滴檢測(cè)方法有光學(xué)檢測(cè)技術(shù)與電學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)。對(duì)兩相流液滴生成機(jī)理以及現(xiàn)有液滴生成技術(shù)開(kāi)展了討論分析，同時(shí)對(duì)液滴檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了評(píng)述。

微流控技術(shù)作為一種在微觀尺寸下操控微量流體的技術(shù)，是一門(mén)新興交叉學(xué)科，涉及微機(jī)械、流體、物理、材料、生物、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域。微流控芯片作為微液滴生成的主要工具，具有生成液滴體積小、速度快、大小均勻、體系封閉以及單分散性良好等優(yōu)勢(shì)。微流控芯片液滴技術(shù)的本質(zhì)是利用流動(dòng)剪切力或表面張力的改變，將兩種互不相溶流體中的離散相流體分割，分離成納升級(jí)及以下體積的微液滴，或者驅(qū)動(dòng)微液滴運(yùn)動(dòng)。目前，微流控芯片液滴主要有兩種類型——微通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的液滴和在平面上運(yùn)動(dòng)的“數(shù)字”液滴(按照順序在芯片表面?zhèn)鬏敚c數(shù)字微電子系統(tǒng)相似)。目前，微流控芯片中液滴生成的方法主要包括水動(dòng)力法、氣動(dòng)法、光控法和電動(dòng)法等。其中當(dāng)前液滴技術(shù)的主流是利用水動(dòng)力法在微通道中生成液滴，具體又可細(xì)分為T(mén)型結(jié)構(gòu)法、流動(dòng)聚焦法和毛細(xì)管流動(dòng)共聚焦法等?；谝旱蔚奈⒘骺丶夹g(shù)具有制造成本低、樣品體積小、高通量、操作靈活和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已作為一種新的工具應(yīng)用于分子檢測(cè)、藥物傳遞、診斷和細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域。該技術(shù)不僅可以產(chǎn)生均勻的液滴，而且還可以在液滴內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)和生物傳感，在液滴內(nèi)可使兩種及以上不同組分液體進(jìn)行充分混合反應(yīng)，因此每個(gè)液滴可以被視為一個(gè)微型試管或反應(yīng)器來(lái)獨(dú)立地進(jìn)行反應(yīng)和分析。

在基于液滴的微流控器件中，由于液滴的產(chǎn)生和操作涉及不連續(xù)的壓力變化，在液滴融合或裂變過(guò)程中，或在連續(xù)相的液滴形成過(guò)程中，液滴的大小、間隔和速度等可能在空間和時(shí)間上發(fā)生較大變化，故必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。同時(shí)，液滴的濃度、生成頻率和成分等關(guān)鍵參數(shù)非常重要也需及時(shí)掌握，因此對(duì)液滴進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)至關(guān)重要。液滴檢測(cè)可用于樣品和試劑定位，并跟蹤樣品成分、濃度變化等。

液滴檢測(cè)常用的在線檢測(cè)方法主要有光學(xué)檢測(cè)與電學(xué)檢測(cè)兩種。其中，光學(xué)檢測(cè)多采用光學(xué)傳感器進(jìn)行光信號(hào)或者圖像的采集，具有靈敏度高、檢測(cè)范圍大、便于后期軟件處理等特點(diǎn)而廣受歡迎，但因?yàn)楣鈱W(xué)檢測(cè)的外圍設(shè)備體積龐大、價(jià)格昂貴，故限制了其在微型器件中的應(yīng)用。電學(xué)傳感檢測(cè)多采用電學(xué)量傳感器檢測(cè)液滴的電導(dǎo)率或者電容量等改變，具有成本低、體積小、靈敏度高、速度快、易于與芯片集成等優(yōu)點(diǎn)，已在微流控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

微液滴生成技術(shù)分類

微液滴的生成方式，根據(jù)是否有外部能量的參與可以分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種類型。

1.1   被動(dòng)液滴生成

微液滴的生成需要改變連續(xù)流動(dòng)液體的狀態(tài)，使其分割為離散的單個(gè)微小液滴，其中液滴生成及操控中的關(guān)鍵是對(duì)微流體表面能進(jìn)行控制。被動(dòng)液滴的生成是指在液滴生成過(guò)程中僅存在流體的水動(dòng)力壓力作用，無(wú)外部能量的輸入。通過(guò)微流控芯片微通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從外部注入不相溶的兩相或者多相流體實(shí)現(xiàn)液滴的生成，生成方法主要有T型結(jié)構(gòu)法、流動(dòng)聚焦法和毛細(xì)管流動(dòng)共聚焦法等。

1.1.1   T型結(jié)構(gòu)法

Thorsen等于2001年首次提出了一款帶縮頸的T型通道微流控芯片用于微液滴生成，如圖 1所示。油水兩相分別從芯片相應(yīng)端口引入并流經(jīng)T型結(jié)構(gòu)交叉處，在T型結(jié)構(gòu)處形成油/水界面，當(dāng)油/水界面張力不足以維持油相剪切力時(shí)，水相斷裂形成液滴。Thorsen等提出將油/水界面之間的剪切力近似等于拉普拉斯力用于預(yù)測(cè)液滴尺寸，對(duì)于在55.16~154.44 kPa范圍內(nèi)的油/水壓力下生成的單分散液滴，預(yù)測(cè)的液滴尺寸在實(shí)際液滴尺寸的2倍以內(nèi)。Nisisako等以水為離散相，油為連續(xù)相，改變連續(xù)相流速(0.01~0.15 ms-1)，在T型通道內(nèi)生成直徑100~380 μm微液滴，且連續(xù)相與離散相流量比越大，微液滴生成頻率越快。張井志等研究了正T型微通道內(nèi)液-液兩相流動(dòng)特性及液滴生成規(guī)律。綜上所述，T型微通道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但芯片中的縮頸結(jié)構(gòu)加工難度較大，且受剪切力和表面張力的影響T型微通道中液滴生成穩(wěn)定性較差，液滴尺寸控制范圍較窄。

1.1.2   流動(dòng)聚焦法

相比T型結(jié)構(gòu)法中從單側(cè)擠壓離散相流體，流動(dòng)聚焦法中的連續(xù)相是從兩側(cè)對(duì)離散相進(jìn)行擠壓，在下游縮頸通道處油/水界面失穩(wěn)形成液滴。如圖 2所示，為Anna等提出的平面流動(dòng)聚焦微流控芯片，該芯片中間為水相流路，兩側(cè)對(duì)稱流路為油相通道，離散相水溶液通過(guò)兩側(cè)油相的擠壓，在通道下游的小孔(43.5 μm)內(nèi)部或者小孔下游斷裂形成液滴，其中液滴的大小與孔板的大小近似，可生成最小液滴尺寸為幾百納米，但當(dāng)液滴在孔口下游相撞時(shí)，會(huì)發(fā)生聚結(jié)。在后期研究中，Joanicot等設(shè)計(jì)了如圖 3所示的十字交叉結(jié)構(gòu)流動(dòng)聚焦微流控芯片，該芯片在十字交叉處下游主通道處增加了縮頸設(shè)計(jì)。針對(duì)芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，劉趙淼等[18]研究了微液滴生成直徑及其生成周期各個(gè)階段與通道深度、縮頸段長(zhǎng)度以及兩相夾角等結(jié)構(gòu)因素的關(guān)系，流動(dòng)聚焦法合成微液滴的過(guò)程受兩相夾角θ的影響較大，當(dāng)θ=90°時(shí)，液滴尺寸及生產(chǎn)頻率均達(dá)到最優(yōu)。相對(duì)T型結(jié)構(gòu)法，流動(dòng)聚焦法中液滴生成更加穩(wěn)定，生成的液滴尺寸可控范圍更寬，更容易生成遠(yuǎn)小于通道尺寸的液滴。然而流動(dòng)聚焦法要求芯片結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱性，縮頸處尺寸更小，加工工藝精度要求較高。

圖 2.  平面流動(dòng)聚焦芯片

圖 3.  十字交叉流動(dòng)聚焦芯片

1.1.3   毛細(xì)管流動(dòng)共聚焦法

在芯片制作過(guò)程中，毛細(xì)管流動(dòng)共聚焦法不需要用于微通道加工的光刻技術(shù)或者超凈實(shí)驗(yàn)室，比前兩種方法簡(jiǎn)單；在結(jié)構(gòu)上該方法利用毛細(xì)管的嵌套關(guān)系使連續(xù)相環(huán)繞離散相從四周徑向“擠壓”形成“收縮頸”，使離散相流體前端“失穩(wěn)”，從而生成液滴。

Cramer提出了用鋼制毛細(xì)管注入離散相的流動(dòng)共聚焦裝置，并證實(shí)了兩種不同的液滴生成機(jī)理，一是滴流原理，二是噴射原理。與Cramer等[19]不同，Utada等提出了一種用于制備單離散相乳液及多核乳液的玻璃毛細(xì)管裝置，該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖 4A所示。通過(guò)改變外部注入流體方向，利用流體動(dòng)力能聚焦實(shí)現(xiàn)液滴生成，如圖 4B所示。毛細(xì)管流動(dòng)共聚焦法還便于生成多核液滴，圖 4C為雙核液滴生成示意圖。此外，在無(wú)需對(duì)管壁進(jìn)行修飾的情況下，還可以將多級(jí)毛細(xì)管串聯(lián)起來(lái)，生成多核液滴。但由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在毛細(xì)管共軸和流體引入方面有一定難度。Chen等提出一種獨(dú)特的玻璃毛細(xì)管封裝方法來(lái)生成多核液滴。在該裝置中方形毛細(xì)管作為外部管，外部管的兩端分別安裝一個(gè)錐形管，如圖 5所示，圖中虛線箭頭標(biāo)注了不同流體的流向。王洪等提出了一種組合式的共流聚焦液滴生成方法——T型共流聚焦法，可生成平均體積為8.9 nL的液滴，并借助商品化的T型管簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)毛細(xì)管流動(dòng)共聚焦液滴生成裝置封裝難的問(wèn)題?？偨Y(jié)上述研究可知，在穩(wěn)定生成液滴方面流動(dòng)共聚焦方法比前兩種方法具有更大的優(yōu)勢(shì)，且液滴尺寸可控范圍更寬廣；但其不足是兩相流注入難，如Utada和Chen等提出的設(shè)計(jì)，裝置封裝體積較大，不如T型結(jié)構(gòu)法和流動(dòng)聚焦法便捷，同時(shí)毛細(xì)管之間能否共軸也成為一個(gè)難點(diǎn)。

1.2   主動(dòng)液滴生成

主動(dòng)控制法是通過(guò)在液滴生成過(guò)程中加入外部能量來(lái)控制微流體的表面能。主動(dòng)液滴生成方法較多，主要包括磁力控制、機(jī)械控制]、熱控法和電控法等。下面將對(duì)這幾類主動(dòng)液滴生成方法進(jìn)行簡(jiǎn)述。

1.2.1   磁力控制

磁力在微液滴的生成和控制中的應(yīng)用主要依賴于特殊流體(磁性流體)對(duì)磁場(chǎng)的體積動(dòng)態(tài)響應(yīng)。磁性流體是一種含有懸浮磁性顆粒的液體，例如鐵磁流體。鐵磁流體具有超順磁性，可以被磁化而沒(méi)有磁性記憶，一旦外部磁場(chǎng)被移除鐵磁流體中的納米顆粒就會(huì)變得無(wú)磁性。鐵磁流體既可以是水基的，也可以是油基的，被用作離散相和連續(xù)相均可。在微通道中通過(guò)磁力控制生成微液滴主要是基于被動(dòng)控制中的T型結(jié)構(gòu)和流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖 6所示為T(mén)an等提出的基于T型結(jié)構(gòu)的水基磁流體液滴生成裝置示意圖，其中永磁體的位置可以放置在T型結(jié)構(gòu)處的上游和下游, 液滴的直徑可以通過(guò)磁場(chǎng)梯度、磁流體的磁化強(qiáng)度和磁體的相對(duì)位置來(lái)控制。無(wú)永磁體時(shí)液滴直徑為230 μm；永磁體的位置放置在T型結(jié)構(gòu)處的上游時(shí)，隨磁通量密度的增加液滴直徑可達(dá)280 μm；永磁體的位置放置在T型結(jié)構(gòu)處的下游時(shí)，隨磁通量密度的增加液滴直徑可減小至190 μm。因?yàn)榇帕刂埔旱萎a(chǎn)生時(shí)需要特殊流體，故只適用于磁性流體，而不適用于大部分無(wú)磁性流體。

1.2.2   機(jī)械控制

機(jī)械控制微液滴生成過(guò)程中涉及到流體界面的物理變形，引發(fā)流體界面變形的動(dòng)力來(lái)源包括液壓、氣動(dòng)、壓電等方式。如液滴生成過(guò)程中的機(jī)械部件由液壓和氣動(dòng)操控，通常由集成到微流體裝置上的閥門(mén)執(zhí)行流路的通斷控制。2009年，Zeng等提出了基于T型結(jié)構(gòu)的集成氣動(dòng)PDMS微閥的設(shè)計(jì)，如圖 7A所示，用于控制水相流體實(shí)現(xiàn)液滴生成，可生成液滴的最小體積為1.3 nL。在該裝置中，通過(guò)依次打開(kāi)或關(guān)閉微閥可按需生成單個(gè)液滴。此外，通過(guò)擴(kuò)展水流通道數(shù)量并集成相應(yīng)的氣動(dòng)泵微閥，加以時(shí)序控制，可輕松生成具有不同成分的液滴陣列，如圖 7B所示。壓電驅(qū)動(dòng)相比液壓和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)具有響應(yīng)時(shí)間更快的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1.2.3   熱控法

熱控法實(shí)現(xiàn)液滴生成及控制的能量來(lái)源包括結(jié)點(diǎn)處采用電阻加熱和利用聚焦激光束實(shí)現(xiàn)局部加熱，其本質(zhì)是利用流體的溫度依賴特性，大多數(shù)流體粘度和界面張力會(huì)隨著溫度的升高而降低，而這二者的變化最直接的反映是毛細(xì)管數(shù)(Capillary number, Ca)的變化。Nguyen等首先介紹了利用電阻加熱來(lái)控制液滴生成的尺寸，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 8所示。通過(guò)使用集成的微型加熱器和溫度傳感器控制微流控裝置中熱量的施加，從而控制液滴的產(chǎn)生方式和液滴尺寸, 使用25~70 ℃的相對(duì)較低的加熱溫度，液滴直徑可調(diào)節(jié)到其原始值的2倍以上。圖 9為Baroud等采用聚焦激光束局部加熱微通道，從而實(shí)現(xiàn)液滴產(chǎn)生的裝置示意圖；相比Nguyen的方法，激光加熱更加靈活，可以輕松調(diào)整聚焦激光點(diǎn)的位置，從而精確地實(shí)現(xiàn)液滴產(chǎn)生部位的局部加熱。

1.2.4   電控法

所謂電控法就是通過(guò)對(duì)微通道中的流體施加電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)微液滴的生成及控制?？晒┻x取的電壓來(lái)源交直流均可，對(duì)于直流(DC)控制，在液滴生成的整個(gè)過(guò)程中電壓保持恒定；在交流(AC)控制中，電壓的波動(dòng)頻率與液滴的產(chǎn)生頻率不同，對(duì)于高頻交流控制，控制信號(hào)的頻率遠(yuǎn)高于液滴生成的頻率。在通過(guò)施加電壓控制液滴生成的芯片中，施加電壓的電極與液體接觸。Link等提出了如圖 10所示的液滴生成芯片設(shè)計(jì)，芯片中采用直流電壓控制液滴生成。該平面流動(dòng)聚焦芯片流路底部包含兩個(gè)用于驅(qū)動(dòng)電壓接入的氧化銦錫(ITO)電極，電極與流體直接接觸，液滴的大小可通過(guò)調(diào)節(jié)電壓大小來(lái)控制，同樣，該裝置也可用交流電壓控制液滴生成。這種裝置設(shè)計(jì)最大的缺點(diǎn)是電極與流體接觸容易產(chǎn)生污染，并且生成的液滴為帶電液滴，不利于在生化樣品中應(yīng)用。目前，常規(guī)電控法設(shè)計(jì)中電極仍與液體接觸，因此須引入介電材料隔開(kāi)流體以防止電極污染或液滴帶電。

Castro-Hernandez等提出一種不同于傳統(tǒng)電控法的裝置設(shè)計(jì)，如圖 11所示，所有電極均不與液體接觸，通過(guò)電控法生成液滴。該裝置使用頻率高達(dá)50 kHz的交流電進(jìn)行液滴生成控制，電壓越高射流長(zhǎng)度越大，生成液滴體積越小。此外直流電也可用于介質(zhì)上電潤(rùn)濕(EWOD)效應(yīng)當(dāng)中，而且交流電具有減少接觸角滯后的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液滴的大小與油-水界面和下游電極之間的電壓差有關(guān)。

2.   液滴檢測(cè)技術(shù)

早期微流控裝置中生成液滴的狀態(tài)，例如大小、間距長(zhǎng)度和數(shù)量等，常需人工離線檢測(cè)或計(jì)量，此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)液滴狀態(tài)。研究者們陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了實(shí)時(shí)在線的檢測(cè)方法，目前對(duì)液滴的在線檢測(cè)方法主要有光學(xué)檢測(cè)和電學(xué)傳感檢測(cè)[35]兩種。

2.1   光學(xué)檢測(cè)

目前為止，光學(xué)檢測(cè)應(yīng)用最為廣泛，主要有熒光、化學(xué)發(fā)光、衍射、吸收和折射率變化等檢測(cè)技術(shù)，可以對(duì)液滴進(jìn)行計(jì)數(shù)、檢測(cè)液滴的生成頻率、運(yùn)動(dòng)速率和液滴內(nèi)容物含量，可使用光電二極管進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)，或使用高速電荷耦合器件(CCD)相機(jī)進(jìn)行圖像處理以檢測(cè)更詳細(xì)的特性。Nguyen等使用光電二極管對(duì)液滴的大小、形狀和生成頻率進(jìn)行了檢測(cè)。利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(LIF)所具有的高靈敏度，Jiang等實(shí)現(xiàn)了微流控芯片的高通量分析，如圖 12所示。Basu等提出了液滴形態(tài)測(cè)量和速度測(cè)量(DMV)的視頻處理算法，如圖 13所示，通過(guò)逐幀視頻分析創(chuàng)建每個(gè)液滴的大小、軌跡、速度、變形、像素統(tǒng)計(jì)和其時(shí)間歷程參數(shù)，不需要傳統(tǒng)的PIV(粒子圖像測(cè)速)設(shè)置或熒光跟蹤器。陳海秀等提出了一種基于液滴輪廓的圖像液滴分析技術(shù)，通過(guò)CCD相機(jī)拍攝得到液滴外形輪廓，再用圖像處理技術(shù)對(duì)微液滴的邊界進(jìn)行特征采樣，通過(guò)計(jì)算得到特征參數(shù)權(quán)值。該技術(shù)屬于非接觸式測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生二次污染，但只能測(cè)量靜止?fàn)顟B(tài)下的液滴且檢測(cè)速度較慢。光學(xué)檢測(cè)中使用最廣的是激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)，也是目前檢測(cè)靈敏度最高的微流控檢測(cè)方式之一。除了被檢測(cè)的芯片，光學(xué)檢測(cè)通常需要龐大或昂貴的組件和熒光標(biāo)記，而且光學(xué)技術(shù)也不能用于不透明的基底上，這既增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本也降低了系統(tǒng)的集成度。雖然光學(xué)檢測(cè)能夠檢測(cè)較高頻率的液滴，但其抗干擾能力差、標(biāo)記易猝熄，因此需要開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單而廉價(jià)的技術(shù)來(lái)在線表征液滴。

2.2   電學(xué)傳感檢測(cè)

電學(xué)傳感檢測(cè)是目前正在快速發(fā)展的一種在線微液滴檢測(cè)技術(shù)，多采用電學(xué)量傳感器檢測(cè)液滴的電導(dǎo)率或者電容量等改變，已在微流控系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。電學(xué)傳感檢測(cè)所使用的微型電極，具有靈敏度高、響應(yīng)快，易于集成的優(yōu)點(diǎn)，可以使整個(gè)芯片系統(tǒng)更加緊湊，推動(dòng)了數(shù)字微流控設(shè)備的微型化。電學(xué)傳感技術(shù)可以使用商售的低成本電子元件進(jìn)行高靈敏度的液滴含量檢測(cè)，可以檢測(cè)液滴大小和速度，并可對(duì)液滴進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于水的電導(dǎo)率和介電常數(shù)明顯高于油，所以電學(xué)傳感在檢測(cè)液滴大小、速度和內(nèi)容物含量等參數(shù)時(shí)，主要有基于阻抗的電學(xué)傳感技術(shù)和和電容耦合式非接觸電導(dǎo)檢測(cè)。

2.2.1   基于阻抗的液滴檢測(cè)技術(shù)

學(xué)者們利用電極間存在液滴會(huì)引起電極電阻變化的規(guī)律，開(kāi)發(fā)了阻抗式液滴檢測(cè)技術(shù)。楊文棟[47]研制了基于液滴阻抗檢測(cè)的微流控芯片，完成了對(duì)液滴速度、體積與內(nèi)含物濃度的檢測(cè)，結(jié)合光學(xué)信號(hào)與電學(xué)信號(hào)，精確地求得了液滴的速度與體積。Luo等通過(guò)對(duì)微電極施加交流(AC)電壓，利用液滴介電常數(shù)隨著其組分離子濃度變化的特性，可以檢測(cè)0.02 mmol/L到1 mol/L的NaCl液滴的濃度?；陔娮鑲鞲械臋z測(cè)方法需要不導(dǎo)電的連續(xù)相來(lái)襯托液滴的電阻變化, 當(dāng)連續(xù)相將液滴與電極分離，液滴與電極不存在接觸時(shí)電極電阻變化非常小，這就增大了檢測(cè)難度。在大多數(shù)應(yīng)用中，應(yīng)盡可能的防止液滴被電解和滯留在微流體通道內(nèi)，為避免交叉污染，電極與液滴不應(yīng)直接接觸，這些都限制了電阻檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.2.2   電容耦合式非接觸電導(dǎo)檢測(cè)

液滴的電容檢測(cè)是一種電容耦合式非接觸電導(dǎo)檢測(cè)，液滴和電極表面之間沒(méi)有任何接觸。當(dāng)液滴進(jìn)入傳感區(qū)域時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電極之間的電容量發(fā)生變化，目前大部分研究都使用共面電極的電容耦合式非接觸電導(dǎo)檢測(cè)方式，對(duì)液滴各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

Elbuken等利用電容式傳感器檢測(cè)液滴的存在，共面電極通過(guò)微流控通道形成電容，液滴通過(guò)電極時(shí)會(huì)引起電容量變化。單對(duì)電極可用于檢測(cè)液滴的存在，叉指電極可用于實(shí)現(xiàn)液滴尺寸和速度的檢測(cè)。Niu等提出了一種基于液滴與連續(xù)相介電常數(shù)差異的電容耦合式非接觸電導(dǎo)檢測(cè)方法，通過(guò)在微流控通道上安裝一對(duì)平行電極，當(dāng)液滴通過(guò)時(shí)，可以檢測(cè)到電容的微小變化, 其工作頻率可達(dá)10 kHz，是傳統(tǒng)的光學(xué)檢測(cè)難以實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)電容的變化可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)液滴的大小、速度和液滴組分，并根據(jù)液滴的大小和組分對(duì)其進(jìn)行控制和分類。如圖 14所示，不同大小液滴通過(guò)電極時(shí)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)也不同。Demori等提出了一種嵌入電容傳感電極的微流控器件，通過(guò)介電常數(shù)差異對(duì)微通道中的流體進(jìn)行識(shí)別和表征，當(dāng)在微通道中注入不同流體時(shí)，該系統(tǒng)能夠區(qū)分不同溶質(zhì)組分的純樣品和混合物，并估計(jì)其介電常數(shù)。Hu等使用微膜電極在液滴不與連續(xù)相分離的情況下對(duì)液滴進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)，可以單獨(dú)檢測(cè)每個(gè)液滴中的電活性物質(zhì)。Isgor等利用Y型結(jié)構(gòu)混合乙醇和去離子水，形成濃度不同的乙醇液滴，利用共面電極、電容傳感器和微處理器實(shí)現(xiàn)了高靈敏度液滴組分含量的檢測(cè)，如圖 15所示，液滴電容值隨乙醇濃度的增加而減小。

3.   結(jié)論與展望

微流控芯片液滴技術(shù)既可使宏觀樣品生成數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微液滴，提供一種在單分子量級(jí)快速開(kāi)展超大規(guī)模、超低含量反應(yīng)的平臺(tái)，也可對(duì)生成的單個(gè)或數(shù)個(gè)液滴進(jìn)行操控。獨(dú)立的微液滴單元可作為微反應(yīng)器，進(jìn)一步增強(qiáng)了微流控芯片低消耗、自動(dòng)化和高通量等優(yōu)勢(shì)，并且微液滴在控制方面靈活、形狀可變、大小均一，具有優(yōu)良的傳熱傳質(zhì)性能，在醫(yī)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、藥物篩選和材料篩選等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。但微流控液滴技術(shù)仍面臨著微液滴運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化、微液滴體積可控制生成等挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著生物芯片技術(shù)的發(fā)展，微流控技術(shù)作為生物芯片的一項(xiàng)關(guān)鍵支撐技術(shù)得到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，數(shù)字微流控技術(shù)已成為微流控芯片液滴技術(shù)新的分支，并在不斷的發(fā)展壯大。

在液滴微流控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，對(duì)液滴含量進(jìn)行實(shí)時(shí)定性和定量分析的能力越來(lái)越重要。電學(xué)傳感是利用微電極傳感器上不同液相通過(guò)時(shí)其阻抗或電容的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)液滴狀態(tài)檢測(cè)的技術(shù)，液滴的化學(xué)信號(hào)可以通過(guò)電極轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出，除了測(cè)量液滴的大小和產(chǎn)生頻率外，還可以利用電學(xué)傳感分析液滴的組成和濃度等，進(jìn)一步可以根據(jù)液滴的特性來(lái)對(duì)液滴實(shí)施控制。相對(duì)于傳統(tǒng)的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，電學(xué)傳感器可以用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)制造，與現(xiàn)有常用微流控器件的加工技術(shù)相兼容，這有利于微流控芯片進(jìn)一步微型化。

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