近期，上海交通大学胡松涛教授团队联合广州实验室曹小宝研究员团队提出了一种基于体效应摩擦电原理的微流控芯片设计，成功实现了液滴运动参数的解耦测量，并进一步应用于电解质浓度测量和核酸特异性检测。相关研究以“Triboelectric decoupling measurement for droplet parameters in microfluidic chips”为题目发表于期刊《Nano Energy》。
本文要点：
1、本文提出了一种基于体效应摩擦电原理的微流控芯片设计，旨在实现液滴运动参数的解耦测量。
2、通过建立多阶段固液摩擦起电理论模型，分析了液滴体积、流速和流向与摩擦电信号之间的关系。
3、研究发现，液滴的形状特征与其运动参数密切相关，体积、流速和流向分别对应形状的唯一性、缩放和对称性。
4、基于这些特征，成功实现了液滴体积、流速和流向的解耦测量。此外，该方法还被应用于浓度梯度微流控芯片中，能够测量电解质浓度，并扩展到核酸的特异性检测。
5、这一研究为摩擦电解耦测量液滴参数提供了新的示范，推动了微流控液滴现场测量技术的发展。
在液滴微流控中使用摩擦电纳米发电机（TENG）的主要优势如下：
1、自供电测量：利用固液摩擦起电原理，TENG能够将机械能转换为电能，为微滴参数测量提供了一种自供电方式，无需外部电源。
2、小型化与便携性：由于TENG的自供电特性，可以减少对大型仪器的依赖，有利于微流控系统的小型化和便携化，拓宽其应用场景。
3、解耦测量能力：通过开发多阶段摩擦电模型，TENG能够实现微滴体积、流速和流向等参数的解耦测量，提高了测量的准确性和可靠性。
4、化学和生物分析：TENG技术能够用于检测微滴中的电解质浓度和特定生物分子，如核酸，从而在化学和生物分析领域具有潜在的应用价值。
5、灵敏度和特异性：通过优化设计和理论模型，TENG可提高对微滴参数变化的检测灵敏度，并且能够从非特异性检测向特异性检测发展，增强了检测的针对性和准确性。
固液摩擦起电现象在液滴微流控技术中是如何实现自供电的？
当液体与固体表面接触并分离时，由于电子的转移，会在固液界面产生电荷分离，即固体表面和液体表面分别带有相反的静电荷。
在微流控芯片中，设计特定的电极结构，当带电的液滴通过或接触这些电极时，就会产生电信号。这些电极可以捕获液滴与芯片表面摩擦产生的电荷。
捕获的电荷通过电极和电路系统被收集起来，转换成电能。这种电能可以被存储起来，或者直接用于驱动微流控芯片上的传感器和电子设备。
图1.带有体效应TENG的微流控芯片设计。
图2.带有体效应TENG的微流控芯片建模。
图3.带有体效应TENG的微流控芯片的特性。
图4.液滴参数的解耦测量。
图5.使用带有体效应TENG的微流控芯片测量电解质浓度。
图6.使用带有体效应TENG的微流控芯片进行核酸特异性检测。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110267
