對液(ye)體進行移動、分裂、融(rong)合和(he)分配在(zai)很多(duo)領域是必不可少的，例如醫療檢(jian)測、生(sheng)(sheng)化分析、微(wei)反應器(qi)等都需要對流體精確控制(zhi)，但現(xian)有的微(wei)流控技術需依(yi)賴于復雜(za)的電極才能實現(xian)這(zhe)些(xie)功能，不僅成本高而且液(ye)體殘留量(liang)大(da)，液(ye)體殘留使得醫療器(qi)械不可重復使用，產生(sheng)(sheng)了大(da)量(liang)的醫療廢品(pin)，每年造成的損失高達200億(yi)美元(yuan)。

無損操控硅油液滴

光控(kong)載貨機器人

為解決這些挑戰，香(xiang)港(gang)(gang)大(da)學王立秋教(jiao)授(shou)研究(jiu)團隊提出了(le)一種無污染(ran)的(de)(de)光電微(wei)(wei)流(liu)(liu)控(kong)技術(shu)，通過把光熱薄膜、熱釋電晶體和超(chao)疏液涂層三種功能材料整合在一起，僅用單束光即(ji)可移動、切割、融(rong)合、分配(pei)任意(yi)液滴(di)，不需要(yao)復(fu)雜的(de)(de)微(wei)(wei)納加工或(huo)電極(ji)，就可以精確操控(kong)表(biao)面張力18.9-98.0mN/m、體積(ji)1nl-1000ul的(de)(de)任意(yi)液體而(er)沒(mei)有液體殘留，不僅解決了(le)現有數字微(wei)(wei)流(liu)(liu)控(kong)平(ping)臺上的(de)(de)蛋(dan)白(bai)質等生物分子(zi)易(yi)于吸附的(de)(de)問題，還能利用光束精準遙控(kong)帶有四個液滴(di)輪(lun)的(de)(de)載貨機(ji)器人作為貨物搬運工實現對(dui)微(wei)(wei)小固體的(de)(de)傳(chuan)輸。該技術(shu)以題為“Photopyroelectric microfluidics”的(de)(de)論文發表(biao)在《Science Advances》上，香(xiang)港(gang)(gang)大(da)學王立秋教(jiao)授(shou)和唐欣博士(shi)為論文的(de)(de)通訊作者，李威博士(shi)為第一作者。

光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)微流(liu)控平(ping)臺的(de)(de)(de)(de)設(she)計：微流(liu)控平(ping)臺包括(kuo)底層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)薄(bo)(bo)膜（石(shi)墨烯摻雜(za)的(de)(de)(de)(de)PDMS），中間(jian)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)釋電(dian)(dian)晶(jing)體（LiNbO3）和(he)上(shang)(shang)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)疏液(ye)(ye)涂層(ceng)(ceng)（SiO2納米(mi)空心球分形網絡）（圖1）。光(guang)(guang)(guang)束可(ke)以(yi)穿過上(shang)(shang)層(ceng)(ceng)透(tou)明的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)疏液(ye)(ye)涂層(ceng)(ceng)和(he)熱(re)(re)釋電(dian)(dian)晶(jing)體照射(she)到底面的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)薄(bo)(bo)膜，光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)薄(bo)(bo)膜將光(guang)(guang)(guang)能(neng)轉換成熱(re)(re)能(neng)使(shi)自身溫度升高，從而加熱(re)(re)上(shang)(shang)方的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)釋電(dian)(dian)晶(jing)體在(zai)光(guang)(guang)(guang)束照射(she)處產生(sheng)表(biao)面電(dian)(dian)荷(he)，當電(dian)(dian)荷(he)引起的(de)(de)(de)(de)介(jie)電(dian)(dian)泳(yong)力足以(yi)克服液(ye)(ye)滴在(zai)超(chao)(chao)疏液(ye)(ye)涂層(ceng)(ceng)上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)粘附力，液(ye)(ye)滴則被吸引至光(guang)(guang)(guang)束下(xia)方。超(chao)(chao)疏液(ye)(ye)涂層(ceng)(ceng)不僅為(wei)(wei)液(ye)(ye)滴移動(dong)創造了(le)極低的(de)(de)(de)(de)阻力，而且(qie)避免了(le)液(ye)(ye)體殘留(liu)，使(shi)得無損(sun)液(ye)(ye)滴操控成為(wei)(wei)可(ke)能(neng)，可(ke)以(yi)對包括(kuo)硅油、乙(yi)醇、正庚烷和(he)甘油在(zai)內的(de)(de)(de)(de)30多種液(ye)(ye)體（表(biao)面張(zhang)力18.9-98.0mN/m）進(jin)行無損(sun)光(guang)(guang)(guang)控操作。

圖(tu)1.光(guang)電(dian)微流控平臺的設計

四項基本(ben)操(cao)(cao)作(zuo)：光(guang)電(dian)微流(liu)控平臺產生的波浪形的介電(dian)泳力場可(ke)以對液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)執行(xing)包括移(yi)動(dong)、分(fen)裂(lie)、融合(he)和分(fen)配(pei)在(zai)內的四種基本(ben)操(cao)(cao)作(zuo)（圖2）。移(yi)動(dong)：可(ke)以指引(yin)(yin)表面張力18.9~98.0mN/m、體積1nL~1000uL的任(ren)意(yi)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)以任(ren)意(yi)方(fang)向(xiang)進行(xing)無限距離的運動(dong)，瞬時(shi)(shi)速度(du)高(gao)達(da)150mm/s,連續移(yi)動(dong)速度(du)可(ke)達(da)50mm/s。融合(he)：處于(yu)不同位置的多個(ge)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)，可(ke)由(you)單(dan)束光(guang)吸(xi)引(yin)(yin)至光(guang)束下方(fang)，多個(ge)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)即(ji)可(ke)相(xiang)互融合(he)在(zai)一(yi)起。分(fen)裂(lie)：當液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)處于(yu)光(guang)束正下方(fang)時(shi)(shi)，液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)受(shou)到(dao)兩(liang)(liang)個(ge)大小(xiao)一(yi)致、方(fang)向(xiang)相(xiang)反的介電(dian)泳力，當兩(liang)(liang)個(ge)力的作(zuo)用(yong)足以克服(fu)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)體的表面張力，液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)即(ji)被(bei)撕(si)裂(lie)成兩(liang)(liang)個(ge)獨立的小(xiao)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)。分(fen)配(pei)：當液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)處于(yu)光(guang)斑(ban)邊緣時(shi)(shi)，液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)受(shou)到(dao)兩(liang)(liang)個(ge)不對等(deng)的作(zuo)用(yong)力，一(yi)個(ge)子(zi)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)即(ji)被(bei)從母(mu)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)中(zhong)濺射出(chu)來(lai)，而母(mu)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)仍被(bei)限制在(zai)光(guang)斑(ban)邊緣，從而可(ke)以連續進行(xing)分(fen)配(pei)操(cao)(cao)作(zuo)。

圖2.微流控(kong)四項基(ji)本操作

多(duo)樣化(hua)應(ying)用(yong)：光(guang)電微(wei)流控(kong)技術可將液滴(di)定向傳輸甚至反重力爬升，在霧氣收(shou)集、3D打印(yin)、傳熱傳質(zhi)等領域極具應(ying)用(yong)前景；對液滴(di)的(de)精確操控(kong)還造就了(le)以液滴(di)為驅(qu)動元(yuan)件的(de)軟體(ti)機器人(ren)，可用(yong)于(yu)信息通訊、固體(ti)傳輸、載藥釋(shi)放等關(guan)鍵領域；對高濃度(du)蛋白(bai)質(zhi)等生(sheng)物(wu)流體(ti)的(de)無損操控(kong)使得(de)微(wei)反應(ying)裝置的(de)重復再用(yong)成為可能(neng)，有利于(yu)減(jian)少(shao)一(yi)次性塑料的(de)使用(yong)、減(jian)少(shao)醫療廢品、降(jiang)低(di)(di)成本，助力醫療檢測、生(sheng)化(hua)分析、微(wei)流控(kong)等領域的(de)綠色(se)、環保、可持續發(fa)展。利用(yong)光(guang)束(shu)精準遙控(kong)各種(zhong)微(wei)液滴(di)，應(ying)用(yong)于(yu)病(bing)(bing)理測試(shi)(shi)，可避免與感(gan)染(ran)(ran)性流體(ti)直接接觸，有利降(jiang)低(di)(di)一(yi)線醫務(wu)人(ren)員在大流行病(bing)(bing)中測試(shi)(shi)病(bing)(bing)毒或(huo)細菌的(de)感(gan)染(ran)(ran)風險，以及(ji)減(jian)少(shao)樣本在操控(kong)過程中污(wu)染(ran)(ran)的(de)機會。

圖3.多樣(yang)化應用(yong)。（A）液滴爬坡(po)，（B）液滴反重力垂直爬壁，（C）光控軟體機器人,（D）避免蛋白質(zhi)殘留,（E）氨基酸檢測.

總結(jie)：在(zai)單束光的(de)(de)作用下，光電微流控(kong)(kong)平臺可以(yi)作為一只“魔力(li)”的(de)(de)防(fang)潤濕的(de)(de)手來移動、切割、融合和(he)分配任意(yi)(yi)液體，遙控(kong)(kong)且無損(sun)的(de)(de)精確操控(kong)(kong)液滴不(bu)僅在(zai)醫療檢測和(he)生化分析等領域(yu)具(ju)有(you)重要意(yi)(yi)義，而且在(zai)軟體機器(qi)人、3D打印(yin)、微流控(kong)(kong)加工制造等領域(yu)具(ju)有(you)廣闊應用場景(jing)。

文章鏈接：W.Li,X.Tang,L.Wang,Photopyroelectric microfluidics.Sci.Adv.6,eabc1693(2020).//www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abc1693