《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Simultaneous high-frequency generation and low-voltage electrostatic manipulation in droplet microfluidics
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微流控液滴技术为高通量生物分析和药物筛选提供了革命性平台，但高频率液滴生成与低电压精准操控的协同仍是关键挑战。本研究提出集成式电场控制策略，通过±20-70V电场诱导充电实现9.6kHz高频率稳定液滴生成（CV<2%），并利用±300V电场实现Coulomb力分选，吞吐量达5.5kHz，较传统高压 (>700V) 分选系统显著降低电压需求，同时保持高精度操控，为高通量筛选和诊断开辟新路径。
Xian Jiang|Chunhua He|Fan Li|Huasheng Zhuo|Chengxu Lin|Zihan Li|Leyan Li|Jinhu Fan|Zhiyong Liu|Lei Nie|Guanglan Liao|Tielin Shi
华中科技大学智能制造装备与技术国家重点实验室，中国武汉43007
摘要
微流控液滴技术为高通量生物分析、药物筛选和功能材料合成提供了一个革命性的平台。然而，同时实现高频水包油（W/O）液滴生成和低压精确操控仍然是该领域的一个关键挑战。在这项工作中，我们展示了一种新颖的静电控制策略，该策略将高通量生成与高效、低能耗的分选机制相结合。我们的流聚焦平台集成了一个紧密耦合的片上模块，用于低压静电感应充电（±20 V至±70 V），在液滴形成过程中对其施加净电荷。这种预充电使得随后在中等电场下通过库仑力进行高精度分选成为可能。我们的系统能够在高达9.6 kHz的频率下实现稳定的液滴生成，且液滴尺寸变化（CV）低至2%。实验验证表明，在±300 V的偏转电压下，系统能够实现精确的、数字控制的液滴分选和计数，处理通量可达5.5 kHz。与传统的高压（>700 V）介电泳分选器相比，这种两步法显著降低了驱动电压，同时保持了高性能。本研究为高性能、集成化的微流控液滴技术建立了一个新的技术范式，为高通量筛选和诊断应用开辟了可能性。
引言
利用微流控液滴的高通量能力是克服现有瓶颈的主要策略，例如在定向进化等应用中，需要筛选数百万个变体[1]、[2]。实际上，基于介电泳（DEP）的液滴分选器可以以kHz频率运行，这一技术最早由Ahn等人于2006年提出[3]。然而，将这种高通量潜力与在单个芯片上实现更简单、更适中的电学条件协同集成仍然是一个持续存在的挑战[4]。传统的基于DEP的分选通常需要高驱动电压，有时从几百伏到一千多伏不等，以产生足够的力[3]、[5]、[6]。这样的高电压可能导致不希望出现的效应，如焦耳热，并增加控制系统的复杂性。因此，开发能够在更适中的控制电压下可靠利用液滴系统kHz级通量的集成平台仍然是推进该领域发展的关键目标。
在各种液滴生成方法中，流聚焦几何结构因其能够通过粘性剪切和界面张力（由毛细数Ca表征）的相互作用产生单分散液滴而受到广泛关注[6]、[7]、[8]。在这些设备中，分散相被逆流的连续相流体动态压缩，从而在喷嘴处实现可控的液滴形成，液滴大小和频率可以通过几何参数（例如喷嘴宽度）和流动条件（例如相流速比）进行调节[9]、[10]、[11]。[9]、[11] 先前的研究已经描述了液滴形成的不同模式（例如挤压、滴落、喷射）[12]、[13]、[14]、[15]，而最近的创新，如压电驱动系统和锥形微结构阵列[17]，为高质量液滴生成设备的设计提供了新的见解。然而，它们对外部执行器的依赖或复杂的制造过程限制了可扩展性和鲁棒性。因此，全面理解几何和流体动力学参数的影响对于针对特定应用优化液滴生成至关重要[18]。值得注意的是，除了优化通道几何形状和流动条件外，人们还付出了大量努力来提高微流控系统的整体集成度和自动化水平。这一领域的一个关键方向是开发片上微泵，以替代笨重的外部注射泵。例如，研究人员已经成功利用压电（PZT）执行器来创建空气中的液滴操控[19]，或在单个设备内驱动集成泵送和混合功能[20]。其他方法，如使用振动膜，也已被证明可用于片上泵送、混合甚至液滴夹持[21]。虽然这些创新方法对于液滴系统的最终微型化和自主性至关重要，但我们的工作关注的是另一个互补的挑战：将稳定、外部驱动流的高通量生成与强大的、低电压的片上操控模块协同结合。
同时，液滴生成后的精确操控对于先进的微流控功能至关重要。在主动分选技术中，静电驱动尤其强大，提供了毫秒级的响应时间[22]、[23]。然而，传统方法往往存在局限性。例如，基于纯介电泳（DEP）的分选可能需要高电场或复杂的电极阵列来生成强电场梯度[24]、[25]。这是一个公认的挑战，最近的综述中也有总结[5]，在采用尖锐的针状电极和数百伏（例如600 V DC）驱动电压的高通量分选应用中尤为明显[26]。尽管最近在电极配置方面的进展，如Vu等人[27]和Doan等人[28]的报告，已经在优化场分布和降低功耗方面显示出希望，但在足够低的电压下实现高通量分选仍然是一个关键挑战。这样的高电压条件可能导致液滴界面处的电荷积累，可能影响生化测定的准确性。此外，许多微流控系统的液滴生成和分选模块是功能分离的，这限制了它们在复杂、高通量工作流程中的适用性。这种解耦通常限制了整个系统的通量和精度，因为它需要离芯片处理或引入控制延迟[29]。因此，实现同时的高频液滴生成和精确操控仍然是一个关键挑战，需要一种创新的技术范式来克服这一瓶颈[6]。
为了解决这一关键挑战，我们提出了一个集成的微流控平台，该平台将高频液滴生成与一种新颖的低压静电控制策略相结合。与文献中广泛报道的传统基于介电泳（DEP）的系统不同，我们的设备利用了高效的静电感应充电机制与基于库仑力的偏转相结合。这种方法能够在显著降低的电压下实现同步的片上液滴生成和操控，直接克服了传统系统中解耦模块和高电压要求所带来的限制。具体来说，我们引入了一种低压（±20 V至±70 V）的感应充电机制，与下游基于库仑力的偏转紧密耦合，实现了高达5.5 kHz的处理通量下的精确分选和计数。这项工作做出了三个关键贡献：（1）对三种不同模式（挤压、滴落和喷射）下的液滴形成动态进行了全面分析，包括几何配置、流动参数和连续相粘度对液滴生成特性的影响，以确定可控液滴生产的最佳参数，并指导选择适合不同应用场景的条件；（2）系统研究了在不同充电参数和电压配置下的液滴偏转行为，为液滴相互作用的静电控制提供了基本见解；（3）开发了一种基于可变充电时间的低压静电控制策略，实现了精确的液滴操控和计数。这项工作不仅解决了集成液滴系统中频率和精度之间的长期权衡问题，还为优化多相微流控过程建立了通用框架，可直接应用于单细胞测序和组合药物筛选。
设备制造
微流控设备是使用软光刻和多层等离子键合工艺制造的，如图1所示。主要组件包括一个带有钻孔流体端口的顶部玻璃盖、用于微流控通道网络的图案化PDMS层、用于电气隔离的薄PDMS薄膜以及底部玻璃基板。
首先，使用标准的SU-8光刻技术在硅晶圆上制造了微流控通道的母模
设备设计
设计的流聚焦微流控芯片（图4）通过精确调节分散相和连续相之间的流速比来实现稳定的液滴生成。芯片架构集成了两个连续相入口（黄色标记）和一个分散相入口（蓝色标记），以及一个创新的嵌入式静电感应模块和用于动态电荷调节和液滴轨迹控制的操控区域。如图4b的分解视图所示，
结论
总之，我们提出了一种新的微流控液滴操控范式，通过将低压静电控制与高频液滴生成相结合。我们系统研究了流聚焦设备中的液滴生成特性及其在静电力作用下的偏转行为。通过对三种液滴形成机制——挤压、滴落和喷射——的动态分析，我们揭示了喷嘴宽度、流动参数等的显著影响
CRediT作者贡献声明
Xian Jiang：撰写——原始草稿、方法论、形式分析、数据管理、概念化。Chunhua He：方法论、研究、形式分析、数据管理。Fan Li：方法论。Huasheng Zhuo：研究。Chengxu Lin：形式分析。Zihan Li：方法论、形式分析。Leyan Li：概念化。Jinhu Fan：监督。Zhiyong Liu：撰写——审阅与编辑、监督。Lei Nie：监督。Guanglan Liao：撰写——审阅与编辑、监督、资源。Tielin
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中央高校基本科研业务费（HUST: 2024JYCXJJ031、2025JYCXJJ031）和跨学科研究计划（HUST: 2024JCYJ070）的支持。作者衷心感谢华中科技大学的分析与测试中心、柔性电子研究中心、测量实验室以及武汉国家光电子实验室在实验中的协助
