液滴操纵在生物过程中的应用

液滴操纵在生物过程中无处不在，在能源、微流体、微反应器、生物分析和医疗设备等技术应用中也必不可少。受自然生物的启发，研究人员已开发出许多功能性表面来操纵液滴。例如，通过配置可切换的表面润湿性来实现响应性的疏水表面。然而，目前大多数的液滴操纵方式都是基于响应性的表面，被动地实现操纵。

很少有报道能实现液滴在水平方向甚至反重力方向的主动操纵。在这些工作中，液滴的操纵在很大程度上取决于响应性表面。然而，响应性表面的制备总是需要特定的响应性材料。同时，并非应用场景中的所有表面都具有响应性，因此无法实现液滴操纵。因此，这种被动操纵方式的应用受到严格限制。

目前，在传统的非响应性光滑表面上对功能性液滴进行主动操纵仍然是一个巨大的挑战。 鉴于此，北京航空航天大学江雷院士、衡利苹研究员等提出了一种通用的主动操纵方法，实现了在光照射、电场和磁场下在无响应的光滑表面上对光热液滴、电液滴和磁液滴的主动操纵。该工作还展示了在外部刺激下对不同液滴的聚结、微反应、反重力操纵和筛选。

该项工作可以为不依赖于表面响应性的主动操纵液滴提供一种可行的策略，并推动化学检测、微流体、生物分析和药物的发展。该研究以题为“Active Manipulation of Functional Droplets on Slippery Surface”的论文发表在最新一期Advanced Functional Materials期刊上。




光滑表面的制备过程

为了方便地操纵功能性液滴，研究人员构建了一个稳定的光滑凝胶表面。如图1a所示，研究人员用旋涂的方式在玻璃基板上制备了PDMS基底。接着，在PDMS表面涂抹硅油后，获得了光滑的PDMS表面。该方法制备的PDMS表面在浸泡硅油后几乎看不到明显的褶皱（图 1g），保证了其光滑性，这为在光滑表面上自由操纵功能性液滴提供了基础。



图1 PDMS基底的制造过程以及制备的硅油/PDMS光滑表面。

通过光照、电场主动操纵液滴

研究人员将光热性能良好的碳纳米管加入液滴中，制备了光热响应型液滴。为了实现对光滑表面上光热液滴的有效操纵，需要不对称的光照射。使用氙弧灯作为光源，如图2b所示，光强度从中心向边缘逐渐减小。在操纵光热液滴时，光斑中心准确地聚焦在液滴的左边。如图2c-f所示，在光照射几秒钟后，光热液滴开始在光滑的表面上移动。

在非对称光源的照射下，液滴会不断移动，直到整个液滴在暗区移动，最后停止。通过光照实现主动操纵的原理是利用了在不对称光斑下，液滴两侧的温度不同。当光斑中心作用于液滴的左侧时，左侧的温度会高于右侧的温度，温度差异（ΔT）会引起液滴内的Marangoni流动，并随后形成驱动液滴的驱动力。



图2 通过光操纵液滴 为了展示液滴的电驱动，研究人员选用四种液滴包括水、二甲基亚砜（DMSO）、十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）溶液和1-乙基-3-甲基咪唑双（三氟甲基磺酰）亚胺（离子液体，[EMIm]NTf₂) 作为模型电滴。首先，研究人员用尼龙滤膜摩擦PDMS基板，来使光滑表面带电（图3a）。

带电的 PDMS基板表现出很强的负电位（图3b）。如图3d-g所示，随着金属电极的靠近，当距离减小到一定值时，液滴会被驱动。随着液滴的向前移动，距离的逐渐增加，静电相互作用会逐渐减少，减慢液滴的移动速度。一旦移动距离达到某个值，驱动力将变得小于流体动力阻力。最终，电滴会迅速停在光滑的表面上。实验结果表明，液滴的移动距离符合以下顺序：DMSO>DTAB>水> [EMIm]NTf₂（图3h）。



图3 通过电场操纵功能性液滴在光滑表面上运动



图4 通过电场操纵液滴在溶液表面运动

通过磁场主动操纵液滴

最后，研究人员展示了通过磁场对液滴进行主动操纵。将磁性Fe₃O₄纳米粒子添加到水中以制备磁性液滴。实验结果表明Fe₃O₄含量对液体表面张力没有明显影响。基于磁吸引力，磁滴可以通过磁铁驱动。

通过调整液滴与安放在液滴右下方的磁铁之间的距离来测量磁液滴的最大移动距离。实验结果表明，含有少量Fe₃O₄的液滴滑动缓慢，含有大量Fe₃O₄的液滴能够快速移动。

通过磁场对液滴进行简单的磁操纵是由于液滴和磁体之间的磁力。如图5i₁所示，在没有磁铁的情况下，液滴内的Fe₃O₄纳米颗粒的磁畴是无序的。在这种状态下，没有磁力产生，液滴表现出较大的接触角。当施加对称的磁场时，液滴内的Fe₃O₄纳米颗粒的磁畴沿磁感应线有序排列（图 5i₂）。以这种方式，产生了液滴和磁体之间的磁力。


基于这种原理，研究人员通过0.4T磁场对不同磁性液滴进行聚结、反重力操纵和筛选操作（图6）。



图5 通过磁场操纵液滴在光滑表面上运动



图6 通过磁场操纵液滴进行水平滑动、反重力运动、聚结和筛选 综上所述，该工作成功实现了在光照射、电场和磁场下在无响应的光滑表面上对光热液滴、电液滴和磁液滴的主动操纵。与之前报道的操纵模式相比，该工作引入了一种通用的主动操纵方法并规避了对表面响应性的需求。

该方法能够在外部刺激的触发下，成功完成光滑表面上不同液滴的聚结、反重力操纵、微反应和筛选。这一成果将为独立于表面响应性的液滴的主动操纵以及化学检测、微流体、生物分析和药物中的相关技术应用提供新的见解。

审核编辑：刘清