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程中，或在連續(xù)相的液滴形成過程中，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)見圖 4A所示。通過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)控制法是通過在液滴生成過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Tan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，通過依次打開或關(guān)閉微閥可按需生成單個(gè)液滴。此外，通過擴(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。可供選取的電壓來(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，共面電極通過微流控通道形成電容，液滴通過電極時(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，通過在微流控通道上安裝一對(duì)平行電極，當(dāng)液滴通過時(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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