安徽大学王佩红教授Lab on a chip封面：基于旋转式摩擦纳米发电机的自供电微流控系统

点击蓝字关注我们

作为一种处理微小液体的方法，微流控技术具有样品消耗少，反应快且无交叉污染的优点。而对液滴的精确控制是一项关键技术，开展相关研究具有重要意义。在微流控系统中通常需要较高的电压来产生高场强。高压电源以及复杂的电源管理电路限制了该技术的应用。安徽大学王佩红教授研究团队提出了一种基于旋转式摩擦纳米发电机(TENG)的自供电微流控系统，利用 TENG 产生的连续高电压实现了液滴的移动、分裂、合并、混合等。研究结果表明该微流控系统可以精确控制多个液滴在直线/圆形轨道上移动。此外，利用介电电泳，自供电微流控系统可以分裂最大体积为 400µL 的液滴，也可将两个不同成分液滴的混合时间缩短 6.3 倍。此系统扩展了微流控技术对液滴的操纵方法，尤其对某些特殊场合下的生化分析应用提供了新的思路。相关工作发表在最新一期的英国皇家化学会期刊  Lab on a chip 上，并被选为封面文章(Outside Front Cover)。

研究背景

微流控技术通过对液滴的精确操控，可以实现药物输送、生化分析、变焦液体透镜等。作为微流控系统的基础，对液滴的控制方法主要包括介电电润湿、介电电泳、表面声波、光致驱动和图案化润湿等。最常使用的介电电润湿和介电电泳具有功耗低、响应速度快的优点，但通常需要较高的电压。严重限制了该技术在某些特殊场合下的应用。因此，探索一种用于精确控制液滴的新型高压电源成为亟待解决的科学问题。

摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新型能量收集技术，结构简单，成本低廉，能将周围环境中的机械能能转换为电能，并且具有输出电压高，电流小的特性。TENG 输出的高电压能够直接用于操控液滴，而且相比于传统高压源，由于 TENG 输出电流较小，使操控液滴更加安全。

基于以上，我们提出了一种基于摩擦纳米发电机技术的新型自供电微流控系统。将旋转式 TENG 与不同的电路切换系统结合，成功地实现了对液滴的各种精确操控。在未来特殊或紧急场合下的无源生化检测与分析等方面展示出广阔的应用前景。

图文解读

▲	图 1. 用于控制液滴移动的自供电微流控系统示意图:（a）旋转型电路切换系统结构图;（b）液滴长距离移动的原理图;（c）旋转式独立层模式TENG的结构设计;（d）依次施加电压到电极时液滴的移动情况。

图 1 为本文提出的基于摩擦纳米发电机的自供电液滴操纵系统。在旋转式独立层 TENG 中，尼龙和聚四氟乙烯在摩擦后带有等量相反的电荷，随着聚四氟乙烯膜位置发生变化，铜箔产生感应电荷，输出高电压，经二极管整流后通过一电路切换系统连接到微流控芯片的电极上。随着电路切换系统的旋转，微流控芯片电极上电压分布逐渐向右移动，液滴在电场的作用下随之发生移动。通过引入新型的电路切换系统，TENG 可以同时驱动多个液滴移动更长的距离。

▲	图 2. 利用 TENG 控制液滴分裂的微流控系统的性能分析：（a）液滴的受力分析；（b）电场的有限元仿真：（I）正视图和（II）侧视图；（c）电极宽度(黑)和间距(红)对最大电场强度的影响；可分裂的液滴的最大/最小体积与电极宽度（d）和（e）电极间距的关系；（f）液滴分裂过程不同时刻的光学照片。

本文还进一步探究了自供电微流控系统分裂液滴的能力（如图 2 所示）。将 TENG 产生的高压施加在微流控芯片的两个电极，在微流控芯片的电极的上方产生强电场。在介电电泳的作用下，液滴被吸引到两个电极上方电场较强的区域，最终被拉长然后分裂为两个液滴（如图 2f 所示）。试验表明，电极宽度为 6.5mm、间距为 9.5mm 的设计，具有最强的分离液滴的能力，能够分离的最大液滴体积为 400μL。

▲	图 3. 控制液滴混合的 TENG 驱动微流控系统的工作原理及性能分析：（a）电场的有限元仿真；（b）不同时间的液滴形状变化；（c）混合时间与 TENG 的转速（红）及电刷的转速（蓝）之间的关系；（d）混合时间与单个电极对应的圆心角的关系；（e）混合时间与电极数量的关系；（f）液滴混合的照片。

对于微流控系统，控制液滴混合也是一项重要操作。TENG 通过特制的旋转式电路切换系统连接到微流控芯片的电极。随着 TENG 和电刷的旋转，微流控芯片上方电场强度和方向不断变化（如图 3b），导致液滴在不同方向被反复的拉长和收缩，从而加速了混合。图 3f 具体展示了由 TENG 驱动的带有酚酞的 KOH 液滴和 H₂SO₄ 液滴的混合过程。反应所需的时间大约为 46s，相较于被动混合所需的 290s，时间缩短了 6.3 倍。

▲	图 4. 基于手摇 TENG 的自供电微流控系统的演示和应用：（a）手摇 TENG 实现化学药品运输并发生反应；（b）自供电微流控系统驱动液滴的详细过程。

最后，我们展示了利用收集人体运动能量来把机械能转换为高电压控制微流控系统驱动药物混合的工作（如图 4 所示）。在圆形电极轨道上，分别放置酚酞粉末和 Na₂CO₃粉末。在手摇式 TENG 的驱动下，液滴依次带有两种粉末并使之发生反应混和，液滴颜色也从五色变为红色。在药物输运和生化分析方面展示出良好的应用前景。

结论

在这项研究中，我们设计了一种基于旋转式摩擦电纳米发电机(TENG)的自供电微流控系统，实现各种液滴操作，包括移动、分裂、合并、混合、输送化学品并发生反应。通过仿真分析得到微流控芯片表面的电场分布情况，有利于理解液滴的运动行为。在介电电润湿的作用下，液滴移动最大速度可达到 52mm/s。利用介电电泳，自供电微流控系统可分裂最大 400µL 的液滴，以及能够加快液滴混合，混合时间最多能缩短 6.3 倍。此外，展示了通过手摇 TENG 控制液滴运输化学药品并发生反应。这项工作将促进基于 TENG 的微流控技术在未来即时检测、有机合成等领域的应用。

原文链接
http://doi.org/10.1039/D0LC00994F

相关进展

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。