香港城市大学王钻开课题组PNAS: 基于静电镊的液滴操控

Original 王钻开教授团队研之成理

▲第一作者：靳袁凯博士；徐王淮博士

通讯作者：王钻开教授

通讯单位：香港城市大学

论文DOI：

https://doi.org/10.1073/pnas.2105459119

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香港城市大学（CityU）王钻开教授领导的团队提出了一种多功能液滴静电镊的概念，用于在各种操作环境下，例如开放和封闭空间、平坦和倾斜表面以及油介质中，可编程地远程操控液滴。这种液滴静电镊可以在各种基底上操纵各种成分、体积和阵列的液滴，因此为一系列应用提供了潜在的平台，比如高通量表面增强拉曼光谱检测。

背景介绍

1986年出现的光镊技术已经发展为多种形式，如磁镊、声镊等。这些镊技术能够以远程和无损的方式捕获和操纵各种微/纳米金属颗粒、生物粒子、液滴等，因此彻底改变了医学、生物和环境领域的研究和应用。其中，基于镊技术的液滴操控更是在许多领域，例如印刷技术、热管理、集水、生物分析、化学反应等方面发挥了巨大的作用。然而，液滴可变形的流体特性以及多样化的液滴操作条件造成了现有液滴操纵技术面临短距离、低速、受限的操作环境、额外的响应性添加剂需求等问题。一般来讲，液滴的操纵主要通过在基底表面构建力梯度或直接在液滴上施加外力来实现，这通常需求基底或者液滴对要对外力场做出响应。作为产生驱动力的最重要的物理场之一，电场的内在优势在于大多数类型的液滴和导电基材对电场可以自然响应，不需要像其他场一样添加额外的响应剂。在现有的电操控液滴方法中，最为广泛使用的方法是电润湿。然而这种方法严重依赖于复杂的电极图案和合理的电路控制，从增加了操作平台的复杂性。其他方法，例如表面电荷打印法(Nat. Mater. 18, 936-941) 或静电排斥法(Adv. Mater. 31, e1905449)，则需要额外的步骤在基底或液滴上产生电荷的额外步骤，因此这些方法的缺点在于液滴运动期间和表面产生摩擦电荷而导致的操控不稳定性。

本文亮点

基于液滴和导电基底对电场的内在响应特性，无需任何添加剂或者额外步骤，多功能液滴静电镊 (droplet electrostatic tweezer, DEST）可以对液滴产生静电诱导，从而以静电吸引力远程无损地操纵液滴。

DEST可以在开放表面和封闭通道内，甚至在油下，操纵具有宽体积范围（从几十纳升到几毫升）和数量范围（从一个到七个或更多液滴）的液滴。

DEST实现了高速、无限距离、方向灵活的液滴操控，为一系列应用，包括液滴内微量反应，固体货物运载、表面清洁以及高通量表面增强拉曼光谱检测提供了一个平台。

图文解析

▲图1. 液滴静电镊的机理及影响因素。（A）液滴静电镊示意图。液滴静电镊包括施加了静电压的电极，液滴以及导电接地基底。（B）经典的固体体系静电诱导示意图。带电体X的靠近会导致Y和Z 中的电荷重新分布，此过程为静电诱导；随后将Z接地并且与Y分离，Y 中的诱导电荷得以保留。(C) 静电镊体系中液滴中电荷随施加电压的变化。 (D) 液滴在x, y方向所受静电张量的模拟分析。(E) 液滴在静电镊体系下的三种状态。在较低电压下，液滴静止不动；在适当电压下，液滴会朝向电极移动，这个状态是本文的主要关注点；在过高电压下，液滴朝向液滴运动的同时也脱离了基底。(F)非接地基底对静电镊体系的影响。相较于接地的基底，在非接地基底上的液滴内电荷变少，导致液滴与电极之间相互作用力变小。（G-H）绝缘基底对静电镊体系的影响。当电极将液滴从导电区域移动到绝缘区域时，电极失去了对液滴的控制，导致液滴在绝缘表面无规则运动，(H)记录了上述过程中液滴位置变化。

▲视频1.基底导电性的影响。

▲图2. 液滴静电镊的普适性。(A-C) 静电镊可在不同导电基底操控不同类型的液滴。（D）静电镊可操控体积从几十纳升到几毫升变化的液滴，以及多个液滴形成的阵列。 (E-G) 液滴静电镊的不同操作环境，包括倾斜表面，油下，以及封闭通道内。

▲视频2.不同体积的液滴及液滴阵列操控。

▲视频3. 不同液滴操纵环境，包括斜坡，油下以及封闭通道内。

▲图3. 液滴静电镊的操控模式及优点。（A-B）引导模式。在此模式下，电极引导液滴的移动。（C）捕获模式。在此模式下，通过改变施加在电极上的电压开关状态，液滴可以移动到指定的电极位置。（D）连续捕获模式。在此模式下，所有电极都被施加了电压，水滴可以连续通过多个电极。（E）以多种液滴操控的评价指标来呈现液滴静电镊相较于其他电驱动的液滴操控方法的优势。

▲视频4：引导模式。

▲视频5：捕获模式。

▲视频6：连续捕获模式。

▲图4. 液滴静电镊的应用。（A）静电镊操控液滴进行化学反应，包括沉淀反应和颜色反应。（B）静电镊操控液滴实现固体货物运输。（C）静电镊操控液滴进行选择性地表面清洁。（D）基于液滴静电镊的高通量表面增强拉曼光谱。通过制备银纳米颗粒功能化的超疏水基底，被操控的液滴在移动时会携带具有等离子体激元特性的银纳米颗粒，从而在拉曼检测中实现信号增强。当一个液滴测量完成并被静电镊移除后，后续的液滴可以继续被移动到激光位置进行测量，且测量结果互不干扰, 如图E所示。此种方法的另一个优点在于拉曼激光可以对焦在液滴的任何一个位置，从而极大地缩短了测量时间，实现了高通量液滴检测。

▲视频7：应用展示。

总结与展望

DEST利用常被忽略的静电作为隐形镊子的驱动力，在不同的工作条件下，如封闭的曲折通道和油介质中，实现了对不同类型、体积和数量的液滴的多功能远程操纵。与其他技术相比，DEST在液滴操控方面具有很高的灵活性和精度，有望在一些包含液滴的领域得到广泛的应用，例如用于高通量生物/化学分析。

课题组介绍

王钻开教授课题组主页：

https://wangzuankai.wixsite.com/wanglab