综述：液滴微流控技术的创新进展

这篇综述系统阐述了液滴微流控（Droplet Microfluidics）技术的最新进展，涵盖液滴生成（被动/主动方法）、操控（分选/分裂/混合/捕获）、检测（光学/质谱/电学/TENG）及生物医学应用（单细胞分析/3D细胞培养/药物开发/疾病诊疗）。文章特别强调了非接触式液滴操控（电/磁/声场）与自供电检测技术（TENGs）的突破性整合，为个性化医疗和精准医学提供了创新工具。

液滴微流控技术的革命性突破

液滴生成：从被动到主动的精密控制

液滴生成是微流控系统的核心，其尺寸均一性（变异系数<5%）和频率（>10,000滴/秒）直接影响后续应用。被动方法依赖微通道几何结构：

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  十字流（Cross-flow）：T型结（T-junction）通过剪切力截断分散相，可生成5-180μm液滴，但高压损耗较大。

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  共流（Co-flow）：同轴通道利用连续相剪切形成20-62.8μm液滴，适合双乳液制备，但高流速下易合并。

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  流聚焦（Flow-focusing）：两侧连续相挤压产生5-65μm单分散液滴，但结构复杂成本高。

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  阶梯乳化（Step-emulsion）：通过突扩结构利用界面张力实现38.2-110.3μm液滴，单分散性优异（CV<2%），但频率仅33Hz。

主动方法引入外场调控：

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  电场：电润湿（Electrowetting）和介电泳（DEP）可生成10-500μm液滴，频率达10kHz，但易产生气泡。

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  磁场：铁磁流体在50-500μm液滴中响应非均匀磁场，适合生物相容性操作。

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  热控：激光脉冲诱导空化气泡生成液滴，但温度调控精度要求高。

液滴操控：从微通道到数字微流控

液滴操控技术直接影响生化反应效率：

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  分选（Sorting）：惯性微流控利用尺寸差异分选，介电泳（DEP）则通过非对称电场实现荧光标记液滴分选，效率达90.3%。

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  分裂（Splitting）：Y型结被动分裂与电场驱动主动分裂结合，可精确控制子液滴体积比。

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  混合（Mixing）：交叉T型结增强扩散，声流控（Acoustofluidics）产生微涡流加速混合。

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  捕获（Trapping）：气泡辅助捕获与表面声波（SAW）诱导捕获实现单液滴定点分析。

数字微流控通过电润湿（EWOD）实现平面操控：

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  摩擦纳米发电机（TENG）驱动液滴运输，输出电压>1kV，频率10Hz，为无源系统提供新思路。

液滴检测：多模态高灵敏度分析

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  光学检测：拉曼光谱（SERS）实现单细胞代谢物分析，荧光检测限低至4.5×10⁴颗粒/mL。

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  质谱联用：ESI-MS与液滴平台结合，可高通量筛选光化学反应产物。

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  电学检测：阻抗流式（IFC）分析液滴电容变化，灵敏度提升10倍。

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  TENG传感：基于静电感应的非接触检测，可识别液滴类型、浓度和运动状态。

生物医学应用：从基础到临床

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  单细胞分析：微滴封装结合CRISPR-Cas9实现单细胞基因编辑，转录组测序揭示肿瘤异质性。

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  3D细胞培养：核壳结构藻酸盐微球（直径200μm）模拟肿瘤微环境（TME），用于药物耐药性研究。

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  药物开发：氧释放葡聚糖微凝胶（通过光交联制备）改善缺氧病理环境，智能水凝胶实现pH/温度响应释药。

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  疾病诊疗：HER2⁺外泌体检测平台5分钟完成乳腺癌筛查，液滴数字PCR（ddPCR）实现HPV单细胞分型。

挑战与展望

当前技术需突破多功能集成（如生成-操控-检测一体化）、自供电系统（TENGs驱动野外检测）和智能化（AI优化液滴行为）。未来在个性化肿瘤疫苗筛选、病原体即时检测等领域潜力巨大，或将重新定义精准医疗的技术边界。