微液滴參數的監測對液滴微流控技術的發展具有重要意義。然而，現有的微液滴參數監測方法存在成本高、干擾液滴運動，甚至可能存在交叉污染等缺點。為此，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、程廷海研究員和昆明理工大學龍威教授提出了一種基于液-固摩擦電納米發電機（LS-TENG）的微液滴監測方法（MDMM），實現了微流控芯片對微液滴的無創自動力監測。

該研究利用電壓脈沖頻率對微液滴頻率進行監測，并建立了監測微液滴長度和速度的數學模型。隨后，研究人員基于微液滴監測方法構建了微液滴傳感器（MDS）并進行了一系列實驗。微液滴頻率、長度和速度監測的擬合曲線的決定系數（R2）分別為0.998、0.997和0.995。為了證明微液滴監測方法的普遍適用性，研究人員對不同液體介質和通道結構產生的微液滴進行了監測。該研究最終建立了微液滴監測系統，實現了對微液滴的計數和微液滴頻率及長度的監測。這項工作為監測微液滴參數提供一種新的方法，為推進微流控領域的發展提供動力。

相關研究內容近日以“Micro-Droplets Parameters Monitoring in a Microfluidic Chip via Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerator”為題發表在Advanced Materials期刊上。

液滴微流控可用于光固化制備顆粒材料、微注射化學分析和藥物生物輸入（圖1a）。在這些應用中，監測微液滴的參數尤為重要，在通道結構尺寸和液體介質確定的條件下，微液滴的參數由入口流量決定（圖1b）。本研究構建了一個基于Y形通道微流控芯片的微液滴傳感器（圖1c（i））。兩個入口分別充滿去離子水（DI）和空氣（圖1c（ii））。去離子水與PDMS的接觸角為101.54°（圖1c（iii）），說明液體與固體之間容易滑動，沒有液體殘渣。圖1d（i-iv）顯示微液滴生成過程的四個階段。穩定輸出電信號原理如圖1e所示。

圖1 微液滴監測方法實施原則

微液滴傳感器輸出的開路電壓（VOC）如圖2a所示，i-iii給出的是電信號特性：電壓峰值保持時間（t）。電極寬度（w）、微液滴長度（l）和微液滴速度（v）示意圖如圖2b所示。顯微鏡和照相機拍攝的視頻計算出微液滴頻率如圖2c（i）所示。當僅增加液體流速時，阻塞氣相通道的液相速度加速，微液滴頻率增加（圖2c（ii））。不同氣相流（i）和液相流（ii）下微液滴傳感器輸出的開路電壓如圖2d所示。脈沖頻率和微液滴頻率的擬合結果如圖2e所示，擬合線斜率為0.99414，截距為0.00049，R2為0.998，表明該微液滴監測方法具有良好的微液滴頻率監測能力。

圖2 微液滴頻率的監測

增加氣相流量會減少微液滴產生的第三、四階段的持續時間，液相的切斷速度更快，使得生成的微液滴更短（圖3a（i））。當氣相流恒定時，液相流動越大，微液滴長度越長（圖3a（ii））。圖3b顯示微液滴流速隨入口流量的變化。圖3c顯示70 μL/min氣相流下不同微液滴長度的電壓波形。在相似長度為2.565 ± 0.120 mm時，選擇一組不同速度的微液滴進行實驗，電壓波形如圖3e所示。t隨著電極寬度的增大而增大（圖3g）。

圖3 微液滴長度和速度監測

微液滴參數隨入口流量的變化如圖4a所示。由于界面張力和粘度等流體參數的變化，0.9%NaCl溶液微液滴的參數與去離子水微液滴不同。微液滴參數監測結果如圖4b所示。對微液滴頻率、長度和速度進行監測的擬合曲線的R2分別為0.997、0.995和0.999。以上結果證明微液滴監測方法可以以鹽溶液作為液體介質來監測微液滴參數。雖然不同的通道結構有不同的液滴產生過程，但當微液滴通過電極時，電信號具有相同的特性t（圖4c）。因此，所建立的微液滴監測數學模型適用于不同的通道結構。

圖4 微液滴監測方法的普遍適用性

圖5 通過LabVIEW軟件對微液滴進行監測

為了證明微液滴監測方法的實際應用價值，研究人員建立了一個基于LabVIEW軟件的微液滴監測系統（圖5a）。LabVIEW程序的操作邏輯如圖5b所示。該程序的顯示頁面如圖5c所示。將計算出的微液滴參數與顯微鏡拍攝的視頻信息進行比較，然后進行程序監控誤差分析（圖5d）。

綜上所述，本研究提出了一種基于液-固摩擦電納米發電機的微液滴監測方法算法，它可以實現對微液滴參數的無創和自動力監測。可以通過電信號的脈沖頻率和t得到微液滴的頻率、長度和速度。基于Y形通道微流控芯片構建的微液滴傳感器，可進行實驗室實驗。對微液滴的頻率、長度和速度進行監測，擬合曲線的R2分別為0.998、0.997和0.995。此外，證明了微液滴監測方法在不同液體介質和通道結構中的普遍適用性。最后，建立了微液滴監測系統，實現微液滴計數、頻率和長度的監測。用函數y = x擬合監測結果和真實值，R2分別為0.999和0.990。微液滴頻率和長度監測的錯誤率分別為2.637%和1.479%。監測的最小微液滴體積為243.6 nL。本研究為微液滴參數的監測提供一種新解決方案，并促進液滴微流控領域的進一步發展。