液滴操控對于熱管理、集水、生物分析、化學(xué)反應(yīng)等方面，均有重要的應(yīng)用。來自香港城市大學(xué)（城大）的研究團(tuán)隊(duì)早前研發(fā)出多功能液滴靜電“小鉗子”，可于平坦和傾斜表面以及油介質(zhì)中，遠(yuǎn)程操控液滴的移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)證明能在各種基底上操控成分和體積不同的液滴，有潛力應(yīng)用于如高通量生物或化學(xué)分析等范疇。

該研究團(tuán)隊(duì)由香港城大機(jī)械工程學(xué)系（MNE）王鉆開教授領(lǐng)導(dǎo)，研究結(jié)果已發(fā)表于科學(xué)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS) 上，題為〈Electrostatic tweezer for droplet manipulation〉。

現(xiàn)今液滴操控受限于 要加入添加劑等技術(shù)問題

液滴操控現(xiàn)時(shí)一般是通過在基底的表面構(gòu)建出力梯度（force gradient），或直接在液滴上施加外力，但這些做法都需要基底或者液滴能夠?qū)ν庠诹鲎鞒龇磻?yīng)。加上液滴可變形等種種因素，令現(xiàn)今的液滴操控技術(shù)面對距離短、低速、受限于操作環(huán)境、要加入添加劑等技術(shù)問題。

成功以靜電吸引力操控液滴隔空移動(dòng)

王教授的研究團(tuán)隊(duì)針對上述技術(shù)問題，成功研發(fā)出可以對液滴產(chǎn)生靜電誘導(dǎo)的多功能液滴靜電“小鉗子”（droplet electrostatic tweezer, DEST），以靜電吸引力操控不同數(shù)量、類型、體積的液滴移動(dòng)，并可以在相隔數(shù)厘米、不直接接觸液滴的情況下，隔空搬動(dòng)它。

DEST技術(shù)無需任何添加劑，并可以編程方式操控移動(dòng)

研究團(tuán)隊(duì)受固體材料會出現(xiàn)的靜電感應(yīng)（electrostatic induction，即是在外電場的作用下，導(dǎo)體中的電荷在導(dǎo)體中重新分布）現(xiàn)象所啟發(fā)，嘗試將液體中的靜電感應(yīng)，應(yīng)用于液滴的操控上。結(jié)果團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出DEST技術(shù)，在無需使用任何添加劑，并在不用接觸到液滴的情況下，以可編程的方式操控液滴的移動(dòng)。

研究人員向鉗尖施加具靜電壓的電壓，配合導(dǎo)電接地（electrically grounded）的基底一同使用。靜電鉗子通電后，在基底上的液滴以及基底本身的電荷會因?yàn)殪o電感應(yīng)而重新分布，靜電鉗子因此可以精確地“捕獲”液滴，并在適當(dāng)?shù)碾妷合拢I(lǐng)液滴朝向電極移動(dòng)。

王教授介紹說：”DEST是可編程的，實(shí)驗(yàn)證明可以在開放的表面和封閉的通道內(nèi)、甚至在油介質(zhì)之中，操控體積由幾十納升到幾毫升不等和數(shù)量不同的液滴。”

_{（視頻一）液滴靜電鉗子可于不同環(huán)境中操作，包括傾斜表面、油介質(zhì)下、以及封閉的通道內(nèi)。（DOI number: 10.1073/pnas.2105459119）}

DEST技術(shù)具備數(shù)種不同的操控模式

_{（視頻二）研究人員在捕獲模式下，通過改變施加在電極上的電壓，可以移動(dòng)液滴到指定的電極位置。（DOI number: 10.1073/pnas.2105459119）}

_{（視頻三）在連續(xù)捕獲模式下，水滴可以連續(xù)通過多個(gè)電極。（DOI number: 10.1073/pnas.2105459119）}

可應(yīng)用于運(yùn)載小型固體物、高通量表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測等

對比起其他液滴操控技術(shù)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的DEST能夠高速、位置精確地操控液滴的移動(dòng)，而且移動(dòng)距離無限制、方向靈活。技術(shù)應(yīng)用層面包括操控液滴進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)如沉淀反應(yīng)和顏色反應(yīng)、小型固體物件的運(yùn)載、選擇性的表面清潔，以及高通量表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測（high-throughput surface enhanced Raman spectroscopy detection）。

_{（視頻四）液滴靜電鉗子可用于啟動(dòng)不同的化學(xué)物的微量反應(yīng)、小型固體物件的運(yùn)載和選擇性的表面清潔。（DOI number: 10.1073/pnas.2105459119）}

論文的第一作者、MNE的博士后靳袁凱博士解釋說：“我們亦制備出具銀納米顆粒功能化的超疏水基底，這樣被操控的液滴在移動(dòng)時(shí)，就會攜帶具有等離子體激元特性的銀納米顆粒，在拉曼檢測中的信號就會增強(qiáng)。而當(dāng)液滴完成測量并被靜電鉗子移走后，后續(xù)的液滴可以被移動(dòng)到激光的位置進(jìn)行測量，而且測量結(jié)果互不干擾。這方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是拉曼激光可以對焦在液滴的任何位置，因此大幅度縮短了測量時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了高通量液滴信息檢測。”

王教授總結(jié)團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果說：“我們的技術(shù)令操控液滴的可控程度，以及可應(yīng)用的場景增加，同時(shí)簡化了技術(shù)應(yīng)用時(shí)的程序。而且DEST系統(tǒng)所用的基底加以功能化之后，可以提升化學(xué)及生物分析的功能。”

王教授是該論文的通訊作者，第一作者是靳博士和徐王淮博士。研究團(tuán)隊(duì)來自城大的成員還包括MNE的張歡歡博士、孫靜博士、楊思艷和劉閔婕博士。其他研究人員則來自中國科學(xué)院微電子研究所。

研究獲得城大、國家自然科學(xué)基金委員會、香港研究資助局、深圳市科技創(chuàng)新委員會的資助而進(jìn)行。

 

DOI number: 10.1073/pnas.2105459119            

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