基于液-固摩擦电纳米发电机的微流控芯片，用于微液滴参数的无创自动力监测

微液滴参数的监测对液滴微流控技术的发展具有重要意义。然而，现有的微液滴参数监测方法存在成本高、干扰液滴运动，甚至可能存在交叉污染等缺点。为此，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、程廷海研究员和昆明理工大学龙威教授提出了一种基于液-固摩擦电纳米发电机（LS-TENG）的微液滴监测方法（MDMM），实现了微流控芯片对微液滴的无创自动力监测。

该研究利用电压脉冲频率对微液滴频率进行监测，并建立了监测微液滴长度和速度的数学模型。随后，研究人员基于微液滴监测方法构建了微液滴传感器（MDS）并进行了一系列实验。微液滴频率、长度和速度监测的拟合曲线的决定系数（R²）分别为0.998、0.997和0.995。为了证明微液滴监测方法的普遍适用性，研究人员对不同液体介质和通道结构产生的微液滴进行了监测。该研究最终建立了微液滴监测系统，实现了对微液滴的计数和微液滴频率及长度的监测。这项工作为监测微液滴参数提供一种新的方法，为推进微流控领域的发展提供动力。

相关研究内容近日以“Micro-Droplets Parameters Monitoring in a Microfluidic Chip via Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerator”为题发表在Advanced Materials期刊上。

液滴微流控可用于光固化制备颗粒材料、微注射化学分析和药物生物输入（图1a）。在这些应用中，监测微液滴的参数尤为重要，在通道结构尺寸和液体介质确定的条件下，微液滴的参数由入口流量决定（图1b）。本研究构建了一个基于Y形通道微流控芯片的微液滴传感器（图1c（i））。两个入口分别充满去离子水（DI）和空气（图1c（ii））。去离子水与PDMS的接触角为101.54°（图1c（iii）），说明液体与固体之间容易滑动，没有液体残渣。图1d（i-iv）显示微液滴生成过程的四个阶段。稳定输出电信号原理如图1e所示。

图1 微液滴监测方法实施原则

微液滴传感器输出的开路电压（VOC）如图2a所示，i-iii给出的是电信号特性：电压峰值保持时间（t）。电极宽度（w）、微液滴长度（l）和微液滴速度（v）示意图如图2b所示。显微镜和照相机拍摄的视频计算出微液滴频率如图2c（i）所示。当仅增加液体流速时，阻塞气相通道的液相速度加速，微液滴频率增加（图2c（ii））。不同气相流（i）和液相流（ii）下微液滴传感器输出的开路电压如图2d所示。脉冲频率和微液滴频率的拟合结果如图2e所示，拟合线斜率为0.99414，截距为0.00049，R²为0.998，表明该微液滴监测方法具有良好的微液滴频率监测能力。

图2 微液滴频率的监测

增加气相流量会减少微液滴产生的第三、四阶段的持续时间，液相的切断速度更快，使得生成的微液滴更短（图3a（i））。当气相流恒定时，液相流动越大，微液滴长度越长（图3a（ii））。图3b显示微液滴流速随入口流量的变化。图3c显示70 μL/min气相流下不同微液滴长度的电压波形。在相似长度为2.565 ± 0.120 mm时，选择一组不同速度的微液滴进行实验，电压波形如图3e所示。t随着电极宽度的增大而增大（图3g）。

图3 微液滴长度和速度监测

微液滴参数随入口流量的变化如图4a所示。由于界面张力和粘度等流体参数的变化，0.9%NaCl溶液微液滴的参数与去离子水微液滴不同。微液滴参数监测结果如图4b所示。对微液滴频率、长度和速度进行监测的拟合曲线的R²分别为0.997、0.995和0.999。以上结果证明微液滴监测方法可以以盐溶液作为液体介质来监测微液滴参数。虽然不同的通道结构有不同的液滴产生过程，但当微液滴通过电极时，电信号具有相同的特性t（图4c）。因此，所建立的微液滴监测数学模型适用于不同的通道结构。

图4 微液滴监测方法的普遍适用性

图5 通过LabVIEW软件对微液滴进行监测

为了证明微液滴监测方法的实际应用价值，研究人员建立了一个基于LabVIEW软件的微液滴监测系统（图5a）。LabVIEW程序的操作逻辑如图5b所示。该程序的显示页面如图5c所示。将计算出的微液滴参数与显微镜拍摄的视频信息进行比较，然后进行程序监控误差分析（图5d）。

综上所述，本研究提出了一种基于液-固摩擦电纳米发电机的微液滴监测方法算法，它可以实现对微液滴参数的无创和自动力监测。可以通过电信号的脉冲频率和t得到微液滴的频率、长度和速度。基于Y形通道微流控芯片构建的微液滴传感器，可进行实验室实验。对微液滴的频率、长度和速度进行监测，拟合曲线的R²分别为0.998、0.997和0.995。此外，证明了微液滴监测方法在不同液体介质和通道结构中的普遍适用性。最后，建立了微液滴监测系统，实现微液滴计数、频率和长度的监测。用函数y = x拟合监测结果和真实值，R²分别为0.999和0.990。微液滴频率和长度监测的错误率分别为2.637%和1.479%。监测的最小微液滴体积为243.6 nL。本研究为微液滴参数的监测提供一种新解决方案，并促进液滴微流控领域的进一步发展。